基于“AO+濾膜機(jī)+反滲透”工藝的城市糞污處理技術(shù)研究

張曉峰，謝 鴻

(廣西博環(huán)環(huán)境咨詢服務(wù)有限公司，南寧 530000)

前 言

隨著城市建設(shè)規(guī)模不斷拓展和城市人口逐年增加，城市內(nèi)產(chǎn)生的糞污量越來越大，科學(xué)高效的糞污處理工作對保障城市整潔和功能正常發(fā)揮，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要作用，成為城市建設(shè)不容忽視，刻不容緩的重大問題。城市糞污的處理處置可分為歐美、日本和發(fā)展中國家模式，歐美模式是以城市排水管網(wǎng)和污水處理廠作為糞便收運(yùn)和處理基礎(chǔ)的，即污水糞便合并處理的高成本模式；日本模式是除污水糞便合并處理之外，還采用車輛收運(yùn)集中處理和現(xiàn)場凈化池分散處理相結(jié)合的糞便單獨(dú)處理的中成本模式；而發(fā)展中國家模式則是多樣化的糞便處理系統(tǒng)的低成本模式[1]。根據(jù)我國城市的發(fā)展的特點(diǎn)，市政排水管網(wǎng)負(fù)荷大，且污水處理廠抗沖擊負(fù)荷能力不高的情況下，我們應(yīng)建造針對性處理糞污的無害化處理站，提質(zhì)增效地處理城市糞污。

城市糞污具有產(chǎn)生量大，水質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，需要處理工藝具有高效處理、占地面積小、處理費(fèi)用低的特點(diǎn)。無害化處理中心糞便水經(jīng)過該中心收集，簡單過濾處理后，進(jìn)入本項(xiàng)目處理，處理之后出水用于中心生產(chǎn)、綠化、沖洗地面用水。本項(xiàng)目工藝采用了格柵和混凝繼續(xù)進(jìn)行固液分離后，污水通過厭氧+接觸氧化+濾膜機(jī)+反滲透工藝進(jìn)行深度處理，并且在運(yùn)營期間不斷對工藝進(jìn)行技術(shù)性優(yōu)化改進(jìn)，最終達(dá)到成本低，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，處理周期短的優(yōu)點(diǎn)，為國內(nèi)城市糞污處理廠的建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 水質(zhì)與水量概況

本項(xiàng)目進(jìn)水為糞便上清液，具有成分復(fù)雜，有機(jī)物濃度較高的特點(diǎn)，具有良好的可生化性，除此之外，糞便上清液還具有氨氮濃度高的特點(diǎn)。考慮到廠區(qū)內(nèi)可供設(shè)備使用的空地面積有限，擬采用效率高、占地少的接觸氧化工藝。同時(shí)出水水質(zhì)要求達(dá)到指定要求，需去除COD、氨氮并脫色，擬采用活性炭吸附深度處理工藝。本項(xiàng)目接收糞便上清液按時(shí)按點(diǎn)，所以水量變化不大，糞便上清液的接收量約為800 t/d。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理能力為1000 m3/d，最大處理能力1200 m3/d。

進(jìn)水水質(zhì)情況圖下表。

表 進(jìn)水水質(zhì)Tab. Inlet water quality (mg/L)

水質(zhì)指標(biāo)COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。

1.2 處理設(shè)施與工藝概況

本項(xiàng)目對負(fù)責(zé)糞水處理處置，設(shè)計(jì)的主體工藝為絮凝(板框壓濾處理)、KIC接觸氧化(生化處理)、氣浮、濾膜機(jī)(粉末活性炭)和反滲透膜處理工藝。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 process flow diagram

污水先進(jìn)調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)水量水質(zhì)后污水間歇性進(jìn)入攪拌罐。攪拌罐內(nèi)按一定比例加入熟石灰、硫酸亞鐵藥劑作為混凝劑，經(jīng)攪拌混凝反應(yīng)后進(jìn)入板框壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，得到較清的水體。板框壓濾機(jī)出水進(jìn)入?yún)捬醭?，厭氧池出水進(jìn)入KIC接觸氧化池，KIC一體機(jī)內(nèi)有大量微生物附著在生物帶上形成生物膜，進(jìn)行新陳代謝，將可生化的污染物去除。生化池出水進(jìn)入氣浮機(jī)，同時(shí)添加次氯酸鈉藥劑去除氨氮，水中的懸浮固體形成浮渣被去除。氣浮出水進(jìn)入濾膜機(jī)，利用濾膜機(jī)內(nèi)的粉末活性炭對對水體中的污染物進(jìn)行吸附、截留，廢活性炭進(jìn)入板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾。濾膜機(jī)出水進(jìn)入反滲透膜系統(tǒng)，深度凈化水體，反滲透產(chǎn)生的濃水回流到板框進(jìn)行固液分離，反滲透出水進(jìn)入回用水池。

2 工程調(diào)試運(yùn)行

2.1 各單元COD消減情況

本工藝各階段出水COD情況如圖2所示，進(jìn)水COD為9822.9 mg/L。糞水經(jīng)過混凝-板框固液分離系統(tǒng)后，因?yàn)榇蟛糠指街趹腋∥锷系挠袡C(jī)物被去除，COD下降到7760.1 mg/L，下降了20.1%。糞水經(jīng)過厭氧池后，COD下降到4553.8 mg/L，隨后糞水進(jìn)入KIC接觸氧化池，有機(jī)物在好氧微生物的吞噬消耗下，出水COD下降到1369.2 mg/L。糞水進(jìn)入濾膜機(jī)，濾膜機(jī)中主要靠粉末活性炭對糞水進(jìn)行物理吸附，由于糞水中具有大量的大分子有機(jī)物，活性炭難以吸附，所以COD下降到302.2 mg/L，迫使糞水還需要進(jìn)行反滲透深度處理，深度處理后出水COD為69.8 mg/L。

注：1：原水；2：混凝-板框出水；3：厭氧出水；4：KIC接觸氧化出水；5：濾膜機(jī)出水；6：反滲透出水

2.2 各單元氨氮消減情況

本工藝各階段出水氨氮情況如圖2所示，進(jìn)水氨氮濃度為894.3 mg/L，經(jīng)過混凝板框固液分離后氨氮下降到760.2 mg/L，去除效果不高。糞水經(jīng)過厭氧處理后氨氮下降到322.1 mg/L，糞水經(jīng)過KIC接觸氧化池后氨氮濃度為202.3 mg/L。濾膜機(jī)也只能去除少部分氨氮，濾膜機(jī)出水氨氮為124.8 mg/L。反滲透深度處理后氨氮濃度下降到26.1 mg/L。

2.3 工藝分析

本項(xiàng)目的主體工藝為絮凝沉淀(板框壓濾處理)、KIC接觸氧化處理、氣浮、濾膜機(jī)和反滲透膜處理工藝，同時(shí)配套除臭系統(tǒng)。原水經(jīng)過粗格柵去除大部分的雜質(zhì)，進(jìn)入調(diào)節(jié)池；調(diào)節(jié)池內(nèi)的原水通過提升泵進(jìn)入加藥系統(tǒng)的攪拌罐中。在攪拌罐中添加硫酸亞鐵和石灰，此時(shí)溶液中的硫酸亞鐵與石灰中的氫氧根離子生成氫氧化亞鐵，產(chǎn)生絮凝作用。絮凝混合溶液經(jīng)氣動隔膜泵進(jìn)入板框壓濾機(jī)。絮凝混合溶液在板框壓濾機(jī)的作用下泥水分離，泥餅外運(yùn)。該工藝可去除總磷與部分COD等指標(biāo)，之后液體溶液進(jìn)入應(yīng)急池。應(yīng)急池中溶液進(jìn)入生化池，在處理量較大時(shí)起緩沖作用，平時(shí)作為壓濾機(jī)和生化池的過渡設(shè)施。在生化池中，通過微生物的新陳代謝作用來處理廢水中的污染物質(zhì)，主要去除COD，總氮，總磷等指標(biāo)；生化之后進(jìn)入氣浮機(jī)。在氣浮機(jī)系統(tǒng)中，通過溶氣系統(tǒng)在水中產(chǎn)生大量的微細(xì)氣泡，使空氣以高度分散的微小氣泡形式附著在懸浮物顆粒上，造成密度小于水的狀態(tài)利用浮力原理使其浮在水面，從而實(shí)現(xiàn)固-液分離[2]；同時(shí)加入去氨氮藥劑(次氯酸鈉)，去除水中氨氮[3]；之后出水進(jìn)入濾膜機(jī)。濾膜機(jī)主要通過在濾柱上形成的炭層，將污水中的有機(jī)物去除，此時(shí)COD已大幅度降低，之后進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。反滲透工作原理是在高于溶液滲透壓的作用下，依據(jù)其他物質(zhì)不能透過半透膜而將這些物質(zhì)和水分離開來，反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)物等，使得出水達(dá)到地表水標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2.4 核心技術(shù)研究

KIC生化處理：在生化池中，生化池采用生化效率較高的接觸氧化工藝，分為缺氧段和好氧段，好氧處理是在曝氣的作用下利用好氧微生物的新陳代謝活動去除廢水中的污染物[5]；厭氧處理是在隔絕氧氣的情況下利用厭氧微生物的新陳代謝作用去除廢水中的污染物[6]，中間采用水泵進(jìn)行回流。廢水經(jīng)生物處理后，能夠絮凝和去除廢水中不可自然沉淀的膠體狀固體物；穩(wěn)定和去除廢水中的有機(jī)物；去除營養(yǎng)元素氮和磷等指標(biāo)；生化之后進(jìn)入氣浮機(jī)。

缺氧池前置于好氧池，通過好氧池混合液回流至缺氧池進(jìn)行反硝化。在缺氧池中，反硝化菌利用污水中的有機(jī)物作碳源，將回流混合液中帶入的大量NO3-N還原為N2釋放至空氣，達(dá)到脫氮的目的，并能降解部分有機(jī)物。

好氧池采用生物膜和活性污泥相結(jié)合的方式，接觸氧化池是整個(gè)污水處理站的核心部分，利用微生物菌群降解去除污水中的污染物質(zhì)，達(dá)到預(yù)期的水質(zhì)凈化目標(biāo)，通過微生物的協(xié)同作用，經(jīng)過硝化和反硝化過程，實(shí)現(xiàn)去碳脫氮功能。

池內(nèi)后段設(shè)有曝氣系統(tǒng)、以及填料，池體分為兩部分，其中前端主要以去除COD為主，約占總體積的2/3左右，后端則以去除氨氮為主(在此階段COD以基本去除，微生物將主要利用氨氮進(jìn)行反應(yīng))。

接觸氧化池同時(shí)存在懸浮狀態(tài)的活性污泥以及附著在填料上的生物膜。懸浮狀態(tài)的活性污泥連同污水以混合液的形式將在下一處理單元-氣浮單元進(jìn)行泥水分離；而附著在填料上由于新陳代謝老化的生物膜會被流經(jīng)池中的污水和微孔曝氣氣流沖刷而脫落，從而始終保持生物膜活性。這部分脫落的生物膜比重較重，一般不能隨水流帶出進(jìn)入氣浮單元而會在生物池底部沉淀，因此需定時(shí)將其排放。

濾膜機(jī)：濾膜機(jī)主要通過在濾柱上形成的炭層，該碳層是經(jīng)過高溫生成的活性炭具有發(fā)達(dá)的內(nèi)部空隙，當(dāng)污水經(jīng)過活性炭層時(shí)，污水中的污染物質(zhì)在活性炭發(fā)達(dá)的空隙內(nèi)，通過范德華力等的作用，被鑲嵌在活性炭內(nèi)部，從而達(dá)到去除污染物的目的將污水中的有機(jī)物去除，此時(shí)COD已大幅度降低，之后進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。本工藝的主要儀器設(shè)備是過濾離心泵：Q=30 m3/h，H=20 m，N=2.2 KW；液位控制器：LT802；活性炭過濾罐：直徑=2.0m。

2.5 工藝優(yōu)化

從上述分析可知，原工藝能有效的處理城市糞污，出水水質(zhì)穩(wěn)定，但進(jìn)入濾膜機(jī)和反滲透系統(tǒng)的污染物濃度偏高，使得濾膜機(jī)中活性炭的消耗量與反滲透膜的消耗量過高，所以對本工藝進(jìn)行一定的改良，增加AAO水質(zhì)凈化工藝，工藝流程圖如圖3所示。好氧池回流部分混合液到缺氧池，糞水在缺氧池內(nèi)進(jìn)行反硝化反應(yīng)，沉淀池污泥回流厭氧池，保持AO系統(tǒng)內(nèi)的微生物量[7-8]。

圖3 改良后工藝流程圖Fig.3 Flow chart of improved process

3 結(jié) 論

3.1 環(huán)保效益

通過實(shí)際的檢驗(yàn)和調(diào)試，本文針對糞便混合液高COD、懸浮物多、水質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的糞便污水處理工藝及設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)下對工藝進(jìn)行改進(jìn)。利用混凝-厭氧-KIC接觸氧化-濾膜機(jī)-反滲透工藝處理糞水，出水水質(zhì)穩(wěn)定，且氨氮與COD均下降到100mg/L以下。廢水經(jīng)過處理后可回用于項(xiàng)目場地的養(yǎng)護(hù)，清潔等。本工藝在同行類似項(xiàng)目上具有較好的推廣價(jià)值。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

本城市糞污處理工藝經(jīng)優(yōu)化后，可延長反滲透膜的使用壽命，降低膜的消耗成本，且出水水質(zhì)更穩(wěn)定。如今城市糞污處理的市場價(jià)格大約在25元/噸，本工藝在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，處理成本約為15元/噸，大幅度降低了糞污處理的成本，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。