煤礦區(qū)生活污水處理的多相泥膜耦合生物技術(shù)應(yīng)用研究

張婉琴

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

煤礦的開采及礦區(qū)居民的社會活動將產(chǎn)生大量的生活污水。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤礦區(qū)每年生活污水排放量超過8億m3。一方面大量的生活污水排放造成水體污染，另一方面企業(yè)用水矛盾突出。目前常用的煤礦區(qū)生活污水處理方法包括氧化溝、生物接觸氧化、人工濕地等，但存在成本高、處理效果不佳的問題。因此，研發(fā)先進、高效的煤礦區(qū)生活污水處理技術(shù)與工藝，提升系統(tǒng)處理性能和出水品質(zhì)，對實現(xiàn)煤礦區(qū)居民幸福指數(shù)的提升具有重要的意義。

1 煤礦區(qū)生活污水特征及處理技術(shù)趨勢

1.1 煤礦區(qū)生活污水特征

文獻[1]統(tǒng)計分析結(jié)果表明，我國主要產(chǎn)煤省區(qū)各煤礦的300余組監(jiān)測結(jié)果中BOD5濃度為6.8～308.7 mg/L，其中，超過100 mg/L、150 mg/L和200 mg/L的分別占9.7%、3.3%和1.5%。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，煤礦礦區(qū)生活污水的BOD5顯著低于城市污水中的濃度。

1.2 礦區(qū)生活污水處理技術(shù)趨勢分析

生物膜法對污染物濃度較低的煤礦生活污水來說，生物濾池更具有優(yōu)勢，但生物濾池對煤礦生活污水中的N、P去除效率偏低。目前，多相泥膜工藝聯(lián)用是生物膜工藝的發(fā)展趨勢，包括生物膜與MBR聯(lián)用、生物膜與藻類聯(lián)用等方式。

隨著國家對環(huán)保要求的提高，在水資源日益短缺、工程效益優(yōu)先的情況下，礦區(qū)生活污水處理技術(shù)發(fā)展趨勢將向著高效、低能耗、適用、出水水質(zhì)穩(wěn)定的方向發(fā)展，同時對礦區(qū)低溫、低濃度污水有較強的適用能力，能滿足環(huán)境提標(biāo)與中水回用的要求。

2 余吾煤礦礦區(qū)生活污水水質(zhì)特征

根據(jù)余吾礦區(qū)生活污水處理站調(diào)查取樣檢測，調(diào)節(jié)池的生活污水，水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)生活污水水質(zhì)指標(biāo)

3 生化工藝處理煤礦生活污水的試驗對比分析

3.1 生物試驗方案設(shè)計

1) 試驗水質(zhì)確定。試驗所用廢水為人工模擬的煤礦區(qū)生活污水[2]，廢水中COD=200 mg/L，氨氮=15 mg/L，總氮=25 mg/L，總磷=5 mg/L，微量元素營養(yǎng)液0.1%(體積分?jǐn)?shù))。

2) 生物載體填料的篩選。傳統(tǒng)的生物膜工藝是以活性炭、組合填料、彈性填料等作為微生物載體實現(xiàn)微生物的富集，但是這些載體微生物親和性差，微生物容易隨污泥一起流失，需要不定期投加。相對于天然生物載體材料，人工合成類的載體更具有多面性和可控性，實驗篩選的人工合成類填料材料參數(shù)見表2。

表2 生物填料參數(shù)對照

3) 試驗反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計。MABFT反應(yīng)器為有效體積50 L的長方體，35 cm×35 cm×60 cm，內(nèi)部填充40%高-密度生物載體填料，填料型號NC-5PPI。試驗開始后，首先向反應(yīng)器內(nèi)投放2 g/L活性污泥，經(jīng)6 h后生化污泥流至后端獨立沉淀池，沉淀池底部污泥經(jīng)回流泵打入MABFT池，污泥回流比1∶1，MABFT反應(yīng)器內(nèi)DO控制在2.0～5.0 mg/L，反應(yīng)器連續(xù)運行15 d。

MBR反應(yīng)器體積與MABFT池一致，反應(yīng)器內(nèi)部裝有微濾膜組件，膜組件為中空纖維膜，MBR后不設(shè)置沉淀池，進水條件與運行條件與MABFT池一致；另外設(shè)置一組普通活性污泥反應(yīng)池作為對照組，池體體積與運行條件與MABFT池保持一致。

3.2 生化工藝對模擬煤礦生活污水污染物的去除

3.2.1 生化工藝對COD的去除效果

從圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，MBR相對于MABFT池的出水COD濃度更低，MABFT出水平均COD約20 mg/L，MBR平均COD小于20 mg/L。主要原因可能是MBR與MABFT池內(nèi)微生物濃度相對活性污泥法較高，大量的微生物對葡萄糖的利用更為充分。同時MABFT反應(yīng)器在5 d以后總污泥濃度達到4 g/L以上，生物膜初步形成，生物膜內(nèi)部微生物具有兼氧和厭氧功能，能從多個途徑降解COD，因此出水COD相對較低。MBR反應(yīng)器由于微濾膜的過濾作用，截留了大分子有機物和一些微生物胞外聚合物(EPS)，因此出水COD更低，效果更好。

3.2.2 生化工藝對COD的去除效果

好氧生物處理的主要作用之一是去除污水中的COD(有機和無機污染物)，試驗中模擬煤礦生活污水中的COD主要為葡萄糖，易降解，COD濃度較低。

圖1 生物工藝去除COD效果

試驗出水氨氮濃度隨時間變化趨勢見圖2。6 d之前，各反應(yīng)器出水氨氮濃度逐步降低，而后趨于穩(wěn)定，主要原因是模擬煤礦生活污水中的進水氨氮濃度較低，0～6 d微生物正處于適應(yīng)階段，此時系統(tǒng)中的硝化細(xì)菌活性不高，后期硝化細(xì)菌逐漸被馴化，硝化效果逐步提升直到穩(wěn)定。試驗穩(wěn)定條件下，各反應(yīng)器最終出水平均氨氮濃度分別為：活性污泥法1.8 mg/L、MBR工藝1.1 mg/L、MABFT工藝0.9 mg/L。MBR和MABFT對氨氮的去除效果均優(yōu)于普通活性污泥法，其主要原因也在于這兩種工藝對微生物的截留和富集作用，硝化作用明顯。模擬廢水中添加的碳酸氫鈉為硝化細(xì)菌提供了一定的堿度，也有助于提升硝化效果。

4 多相泥膜耦合生物工藝現(xiàn)場中試研究

由以上對比實驗可以看出，單一的好氧工藝無法對煤礦生活污水中COD、氨氮及TN起到均衡有效的去除效果，因此為保證包括TN的去除，依然要結(jié)合兼氧/好氧生化系統(tǒng)。因此，選擇多相泥膜耦合生物工藝進行余吾礦區(qū)生活污水處理的中試研究。

4.1 現(xiàn)場試驗條件及工藝流程

1) 水樣來源及水質(zhì)。水樣取自余吾煤礦生活污水格柵井，pH=6.87，COD188.4 mg/L，SS為82 mg/L，總氮為31.2 mg/L，氨氮為23.6 mg/L，總磷為6.3 mg/L。

2) 中試工藝流程設(shè)計。生活污水現(xiàn)場中試流程如圖3所示。

4.2 中試處理裝置與材料配置

試驗裝置由調(diào)節(jié)池、兼氧池、MABFT池和MBR池組成。材料配置如圖4所示。

4.3 現(xiàn)場試驗運行條件

生化池進水水量：40 L/h；兼氧池溶解氧濃度：0.5～1.5 mg/L；好氧池內(nèi)溶解氧濃度：3～6 mg/L。兼氧池內(nèi)加入100 mg/L葡萄糖作為反硝化碳源；MBR池設(shè)置污泥回流，總回流比為1∶1；水質(zhì)測定頻率1次/天，數(shù)據(jù)取平均值。試驗工藝流程見圖5。

圖2 生物工藝去除氮元素效果

圖3 現(xiàn)場中試流程

圖4 中試處理裝置與材料配置

圖5 試驗工藝流程

4.4 現(xiàn)場中試試驗結(jié)果分析

4.4.1 多相泥膜耦合生物工藝對COD的去除

如圖6所示，煤礦區(qū)生活污水的COD濃度在150～ 220 mg/L之間。在調(diào)試期(1～10 d)內(nèi)，各生化池內(nèi)的COD濃度逐漸下降，兼氧池-MABFT池-MBR池內(nèi)COD濃度逐步被消耗，MABFT池內(nèi)的污泥總濃度達到8.3 g/L，10 d后平均出水COD=22.3 mg/L，去除率達88.5%。超過60%的COD在兼氧段被去除，說明反硝化效果顯著。

圖6 COD濃度隨運行時間變化

4.4.2 多相泥膜耦合生物工藝對氮污染物的去除

試驗中對氮污染物濃度去除的結(jié)果如圖7所示。受MBR池回流污泥中硝化菌的硝化作用與污泥回流對原水稀釋的影響，兼氧池的氨氮濃度維持在6～10 mg/L，兼氧池的部分氨氮在被去除。由于MABFT內(nèi)置的高密度填料具有富集微生物作用，氨氮的去除效率95%以上。

如圖8所示，出水的總氮濃度：兼氧池11.0 mg/L、MABFT池5.6 mg/L、MBR池4.7 mg/L，兼氧池內(nèi)氨氮占總氮的51.3%；由于曝氣充足，MABFT池和MBR池內(nèi)主要以硝態(tài)氮為主，大部分的氨氮均氧化為硝態(tài)氮[3-4]。由于MABFT中的填料內(nèi)部的缺氧環(huán)境有利于反硝化菌的生長，使部分總氮被去除[5]。

分析表明，該工藝的總氮去除率達到近80%，顯著高于常規(guī)生化工藝。

圖7 氨氮濃度隨時間的變化

圖8 總氮組分

4.4.3 多相泥膜耦合生物工藝對總磷的去除

如圖9所示，煤礦區(qū)生活污水中的總磷濃度偏高(5～8 mg/L)，經(jīng)過兼氧-MABFT-MBR系統(tǒng)處理后，出水總磷濃度顯著下降，最低達0.7 mg/L，去除率達到89%，效果顯著。

4.5 多相泥膜耦合生物工藝的參數(shù)優(yōu)化

為了進一步提升多相泥膜耦合生物工藝對煤礦生活污水中污染物的去除，應(yīng)對日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，對工藝的運行參數(shù)進行了進一步的優(yōu)化，主要是通過改變生化系統(tǒng)的HRT和SRT。污泥水在系統(tǒng)中停留時間越長，填料附著的微生物量則會越大，但是基于在實際工程中應(yīng)用考慮，為了節(jié)省能耗，需要尋找到最佳的停留時間，即污泥回流比。參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表3。

圖9 總磷的去除變化

表3 出水平均指標(biāo)

表3數(shù)據(jù)表明，在較高的HRT和較大的回流比作用下，多相泥膜耦合生物系統(tǒng)對煤礦生活污水的處理效果顯著提高，試驗出水水質(zhì)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對比見表4。

表4 試驗出水水質(zhì)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對比

5 結(jié) 語

1) 在低濃度廢水條件下，MABFT池對微生物的富集作用最高，其次為MBR，普通活性污泥法在低濃度廢水中無法維持較高的生物量；對COD去除效果MBR優(yōu)于MABFT優(yōu)于普通活性污泥法；對N元素的去除效果則是MABFT優(yōu)于MBR優(yōu)于普通活性污泥法。因此，為了進一步提高煤礦生活污水的出水水質(zhì)，結(jié)合MABFT和MBR工藝是一種更為可行的協(xié)同處理工藝。

2) MABFT池內(nèi)的填料有助于富集活性污泥，顯著提升總氮和總磷去除效果，分別達到95%和89%.

3) 以“兼氧-MABFT-MBR”為主的多相泥膜耦合生物工藝處理煤礦區(qū)生活污水取得了良好效果，出水滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。