某食品廢水厭氧處理技術(shù)節(jié)能效果與經(jīng)濟效益評估

＊林俊敏 明玲玲 徐驥

（上海龐科環(huán)境技術(shù)有限公司 上海 200120）

1.引言

在水污染處理中，特別是BOD含量較高的廢水，利用微生物降解水中的有機物是最經(jīng)濟，同時也是最常用的工藝，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中[1-3]。其中，好氧活性污泥法需要不斷的向廢水中通入大量的空氣或者氧氣，來維持適合好氧微生物的溶解氧，能耗比較高，特別是在高濃度有機廢水的治理中[4-6]；而厭氧生物處理則是利用厭氧微生物的代謝過程，在無需提供氧氣的情況下，把有機物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和水等，在高濃度有機廢水中，它能耗少、二氧化碳排放少，并且還可以回收大量的能源[7-9]，是我國在環(huán)保領(lǐng)域，推進節(jié)能減排，助力實現(xiàn)碳中和碳達峰的可靠技術(shù)。

本文以廣東省某食品廠污水站為實際案例，利用其在技術(shù)改、擴建過程中，先運行的好氧MBR，后運行的厭氧+好氧MBR工藝的條件。通過前后運行數(shù)據(jù)分析，對比單獨的好氧MBR與厭氧+好氧MBR工藝在中高濃度有機廢水中的實際運行效果和能耗差異，評估厭氧技術(shù)帶來的實際節(jié)能效果和經(jīng)濟效益，為其他行業(yè)作參考。

2.金項概況

(1)好氧MBR工藝介紹

好氧MBR工藝如圖1所示。車間廢水首先進入調(diào)節(jié)池進行均質(zhì)、均量；后泵送至進水池，在進水池中進行pH和溫度的調(diào)節(jié)；經(jīng)pH和溫度調(diào)節(jié)后，廢水泵入好氧池中進行有機物的生物降解，好氧池采用全混式的活性污泥法；經(jīng)過好氧池后的廢水自流進入膜池，在膜池中，水透過膜片進入后續(xù)深度處理工藝，污泥則被膜截留在膜池中，通過污泥回流泵打回好氧池中，以保持好氧池的污泥濃度，剩余污泥則通過旁通排至污泥處理設(shè)施。

圖1 好氧MBR工藝流程圖

各構(gòu)筑物的有效容積匯總?cè)绫?所示。

表1 污水站各主要構(gòu)筑物有效容積表

續(xù)表

(2)厭氧+好氧MBR工藝介紹

圖2 厭氧+好氧MBR工藝流程圖

與好氧MBR工藝相比，厭氧＋好氧MBR工藝流程僅在好氧池的前端增加厭氧罐，廢水經(jīng)過均質(zhì)、調(diào)pH、調(diào)溫度后，先進入?yún)捬醴磻?yīng)器，出水再自流進入好氧池。其他參考2.1的內(nèi)容。

厭氧反應(yīng)器采用上海龐科環(huán)境技術(shù)有限公司的專利技術(shù)（專利號CN210313698），反應(yīng)器示意圖如圖3所示。厭氧反應(yīng)器主要分成三個分區(qū)：底部的布水區(qū)域、中部的污泥床區(qū)域和頂部的分離區(qū)。污水首先由底部的布水器均勻地進入?yún)捬醴磻?yīng)器，在向上流動的過程中，水中的有機物被厭氧微生物降解并轉(zhuǎn)化為沼氣，COD得到去除；在反應(yīng)器頂部的分離區(qū)域，沼氣首先釋放到灌頂空間，收集后進行后續(xù)的沼氣處理與利用；污泥和污水經(jīng)過分離模塊時，厭氧污泥被截留下來，重新返回厭氧反應(yīng)器，以保持厭氧污泥濃度。在厭氧反應(yīng)器的頂部，部分污水被回流，與進水混合后進入反應(yīng)器底部，以利用厭氧過程中的COD降低所形成的堿度，并且保持污泥床的上升流速，提高傳質(zhì)效果。

圖3 厭氧反應(yīng)器示意圖

3.運行數(shù)據(jù)分析

(1)好氧MBR數(shù)據(jù)分析

①進水水質(zhì)分析

好氧MBR運行期間，控制進水pH在7～8之間，溫度在34～38℃之間，好氧池溶解氧在2～3mg/L之間，好氧池污質(zhì)量泥濃度為6000～8000mg/L，平均值為7000mg/L。

圖4表示好氧MBR運行期間每天的平均小時進水量和每天的進水COD總量。由圖4可以看出，好氧MBR運行期間進水量為6.0～14.0m3/h，平均進水量為9.0m3/h；進水COD總量為580～1379kg/d，平均進水COD總量為945kg/d，平均污泥負荷為0.36kg COD/（kgMLSS·d）。

圖4 好氧MBR進水量和進水COD總量

②運行效果分析

好氧MBR進、出水COD和COD去除率匯總?cè)鐖D5所示。從圖中可以看出，好氧池進水COD為2634～6877mg/L，平均值為4408mg/L；膜出水COD為69.3～153.3mg/L，平均值為84.5mg/L；好氧MBR的COD去除率為96.73%～98.90%，COD平均去除率高達98.02%。因此，對于食品廢水，單獨采用活性污泥法與膜技術(shù)的結(jié)合，仍然可以取得比較好的COD去除率。

圖5 好氧MBR系統(tǒng)進出水COD及COD去除率

(2)厭氧+好氧MBR數(shù)據(jù)分析

①進水水質(zhì)分析

厭氧+好氧MBR運行期間，厭氧反應(yīng)器控制pH在6.8～7.2之間，溫度在34℃～38℃之間；好氧池溶解氧在2～3mg/L之間，好氧池污泥質(zhì)量濃度為5000～5500mg/L。

圖6表示厭氧+好氧MBR運行期間每天的平均小時進水量和每天的進水COD總量。由圖6可以看出，厭氧+好氧MBR運行期間進水量為9.0～20.6m3/h，平均進水量為16.3m3/h；進水COD總量為780～3195kg/d，平均進水COD總量為1945kg/d。

圖6 厭氧+好氧MBR進水量和進水COD總量

②運行效果分析

厭氧+好氧MBR的進、出水COD以及COD去除率匯總?cè)鐖D7和圖8所示。由圖可知，厭氧進水COD為2024～10313mg/L，平均值為5275mg/L，厭氧出水COD為158.3～337mg/L，平均值為225mg/L。厭氧反應(yīng)器對COD的去除效率為90.65%～97.9%，平均去除效率為95.16%；好氧MBR出水COD為27.3～94.3mg/L，平均出水COD為56.6mg/L，好氧MBR對COD的去除率為59.17%～84.93%，平均去除率為74.82%；廢水經(jīng)過厭氧+好氧MBR工藝總的COD去除率平均值達到98.93%。

圖7 厭氧+好氧MBR系統(tǒng)進出水COD

圖8 厭氧+好氧MBR系統(tǒng)COD去除率曲線

對比單獨好氧MBR工藝與厭氧+好氧MBR工藝的運行情況。在單獨的好氧MBR處理工藝中，平均進水COD為4408mg/L，平均出水COD為84.5mg/L，COD的平均去除率為98.02%；在厭氧+好氧MBR工藝中，厭氧平均進水COD為5275mg/L，厭氧平均出水COD為225mg/L，厭氧COD平均去除效率為95.16%?？梢?，單獨的厭氧反應(yīng)器出水水質(zhì)差于好氧MBR出水水質(zhì)，這與相關(guān)書籍和文獻指出的結(jié)論，厭氧反應(yīng)器出水水質(zhì)較差，常需要與好氧聯(lián)合使用一致[10]。本案例中，厭氧+好氧MBR工藝的出水COD為56.5mg/L，總COD去除率高達98.93%，優(yōu)于單獨好氧MBR的條件下。

(3)厭氧反應(yīng)器的節(jié)能減排效益分析

為了研究厭氧反應(yīng)器實際產(chǎn)生的效益，需要對比前后工藝的運行能耗、藥劑消耗量、污泥處理費用以及沼氣產(chǎn)生的收益。

①運行能耗

表2列出了單獨好氧MBR和厭氧+好氧MBR運行時各主要設(shè)備的運行能耗。由表可以看出，單獨好氧MBR噸水運行能耗為7.33kWh/m3；厭氧+好氧MBR噸水運行能耗降低至3.64kWh/m3，節(jié)能效果顯著。

表2 各主要設(shè)備的運行能耗

續(xù)表

從水質(zhì)和工藝上分析，活性污泥法的能耗主要來源于鼓風機的運行能耗，鼓風機的大小又取決于進水水質(zhì)中有機物的多少，因此，對于高濃度的有機廢水，往往能耗比較高，例如本項目單獨好氧MBR，鼓風機的運行功率占總運行功率的70%；而厭氧與好氧技術(shù)的結(jié)合，可以利用節(jié)能的厭氧技術(shù)降解大部分的有機物，例如本項目厭氧反應(yīng)器的COD去除率達到95.16%，剩余的4.84%的有機物再利用鼓風曝氣去除，可以節(jié)約大部分能耗。

表3 鼓風機頻率與輸出功率

(1)其他損耗

表4匯總了污泥調(diào)理藥劑消耗量，污泥處置費用。由表可知，單獨好氧MBR系統(tǒng)，噸水費用約為1.38元/m3污水；厭氧+好氧MBR系統(tǒng)，不計沼氣收益，噸水費用為0.35元/m3污水。

表4 藥劑消耗、污泥處置和沼氣收益費用

(2)沼氣收益及匯總

表5 費用匯總表

按照厭氧進水平均COD為1945kg/d，COD去除率為95.16%，沼氣產(chǎn)量為0.40m3沼氣/去除kgCOD，每天產(chǎn)生沼氣量740m3。

4.結(jié)論

（1）單獨好氧MBR和厭氧+好氧MBR，對食品廢水有機物的生物降解效果均較好，COD去除率分別達到98.02%和98.93%。

（2）從運行能耗看。單獨好氧MBR噸水運行能耗為7.33kWh/m3，而厭氧+好氧MBR噸水運行能耗為3.64kWh/m3，約節(jié)50.34%的運行能耗，節(jié)能效果顯著。

（3）從經(jīng)濟效益看。單獨好氧MBR噸水處理費用約為7.244元/m3；厭氧+好氧MBR不計沼氣的收益，噸水處理費用為3.262元/m3，計入沼氣收益噸水運行費用為0.291元/m3，經(jīng)濟效益顯著。