工業(yè)污水處理廠MBR與人工濕地組合工藝運(yùn)行效果的分析

李堯丞(四川四通歐美環(huán)境工程有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保政策越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)廢水排放的要求越來(lái)越高，圍繞省委“一干多支、五區(qū)協(xié)同”的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、宜賓市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十四五”規(guī)劃以及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，立足區(qū)域發(fā)展定位，宜賓市行政區(qū)域界定生態(tài)環(huán)境問(wèn)題為優(yōu)先保護(hù)、重點(diǎn)監(jiān)管、一般控制三種主要類(lèi)型，共62個(gè)環(huán)境控制單元。對(duì)涉及水、大氣、土壤、自然資源等方面的重點(diǎn)區(qū)域，全市有30個(gè)重點(diǎn)管控單元，其中，城鎮(zhèn)重點(diǎn)單元11個(gè)，行業(yè)重點(diǎn)單元14個(gè)，環(huán)境因素重點(diǎn)單元5個(gè)[1]。重點(diǎn)范圍涉及人口較為稠密的城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)和工業(yè)聚集的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，其中工業(yè)集中區(qū)是環(huán)保控制的重點(diǎn)區(qū)域。該工業(yè)集中區(qū)污水處理廠的主要工藝技術(shù)路線與設(shè)計(jì)參數(shù)仍沿用傳統(tǒng)的市政污水處理理念，主要的污水處理工藝為水解酸化+改良型SBR+D型濾池，出水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)園區(qū)集中排污口排放，最后匯入長(zhǎng)江。由于原工藝設(shè)計(jì)，化工廢水引入園區(qū)污水處理廠，極大影響處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，按照規(guī)劃環(huán)評(píng)要求，園區(qū)內(nèi)所有企業(yè)的廢水均必須進(jìn)入園區(qū)進(jìn)行深度處理達(dá)標(biāo)后，才能向外排放。而隨著園區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的入駐和正常投產(chǎn)的增多，污水處理難度加大，甚至無(wú)法達(dá)到更嚴(yán)格的污水排放規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要進(jìn)一步進(jìn)行提標(biāo)改造。

1 污水處理廠現(xiàn)狀

目前工業(yè)園區(qū)已引入企業(yè)八十余家，工業(yè)廢水污染物和園區(qū)工業(yè)企業(yè)類(lèi)型有很大關(guān)系。有7戶工業(yè)污水排放企業(yè)的廢水主要是特種化工行業(yè)廢水、制藥行業(yè)廢水、造紙行業(yè)廢水，其中化工廢水、造紙廢水均需達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，廢水量約為6 000 m3/d, 其余企業(yè)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)入污水處理廠處理，且該工業(yè)集中區(qū)污水處理廠所接納的污水均不含重金屬。

該工業(yè)園區(qū)污水處理廠于2011年4月建成并投入運(yùn)行，占地面積66畝，主要處理工業(yè)集中區(qū)的工業(yè)污水，總處理規(guī)模為10 000 m3/d，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。2018年對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行提標(biāo)改造，2019年9月建成投運(yùn)，處理規(guī)模仍為10 000 m3/d，提標(biāo)后削減COD 36.5 t/a，氨氮7.3 t/a。采用的主要處理工藝為A2/O+MBR+垂直流人工濕地，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DB 51/2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》。

2 提標(biāo)改造工藝設(shè)計(jì)

2.1 提標(biāo)改造設(shè)計(jì)進(jìn)出水及指標(biāo)分析

如表1所示，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各污染物的去除要求都比較高。針對(duì)工業(yè)廢水成分復(fù)雜、可生化性差、有機(jī)物難降解、色度高等問(wèn)題，應(yīng)選擇具備較強(qiáng)去除效果的有機(jī)物并有脫氮除磷功能的高效污水深度處理的先進(jìn)工藝。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

其中，各指標(biāo)含義如下：

(1)COD。對(duì)普通城鎮(zhèn)污水，預(yù)處理構(gòu)筑物的完善和生化系統(tǒng)中不同工藝的組合，將使COD的去除率有較大幅度的提高，通常COD去除不存在問(wèn)題。但是由于進(jìn)水中大部分為工業(yè)污水，含大量難降解COD，僅采用常規(guī)生物處理難以達(dá)到上述排放標(biāo)準(zhǔn)，需設(shè)置針對(duì)難降解COD的處理工藝進(jìn)行處理。

(2)NH3-H。為了達(dá)到出水要求，進(jìn)水氨氮主要由硝化過(guò)程來(lái)完成去除，進(jìn)行完全硝化，反應(yīng)過(guò)程中需要完全反硝化輔助。采用完全反硝化設(shè)計(jì)和人工濕地深度處理，能夠保證出水氨氮指標(biāo)控制在3 mg/L以內(nèi)[2]。

(3)TN。進(jìn)水TN較高，總氮去除率要求高，其次化工廢水含鹽量高、色度高、生物難降解物質(zhì)多，B/C低，可生化性差，需要進(jìn)行充分反硝化，可通過(guò)合理碳源分配和控制工藝參數(shù)來(lái)完成，必要時(shí)外加碳源使其達(dá)標(biāo)排放。

(4)TP。該工業(yè)污水總磷含量偏低，采用具有生物除磷功能的污水處理工藝并附加化學(xué)除磷，從而達(dá)到出水總磷含量小于0.5 mg/L的要求，但化學(xué)除磷的投加會(huì)使水中的金屬磷酸鹽增多，形成更多的有機(jī)污泥，污泥處理的難度也隨之加大，故需設(shè)置深度處理工藝。

(5)BOD5。該項(xiàng)指標(biāo)在采用生物脫氮除磷工藝時(shí)可以達(dá)到。這是因?yàn)樽责B(yǎng)型的亞硝酸菌具有很小的比增長(zhǎng)速率(μN(yùn))，與去除碳源的異養(yǎng)型微生物相比要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此需要硝化系統(tǒng)比單純?nèi)コ荚碆OD5的系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的泥齡或更低的污泥負(fù)荷，在此條件下，BOD5的去除率將有大幅度提高[3]。

2.2 提標(biāo)改造工藝流程

如圖1所示，本次技改主要新建了產(chǎn)水間、膜池、反沖洗池、膜離線清洗池、膜格柵、調(diào)節(jié)池、隔油池。將原有生化池進(jìn)行改造，對(duì)改良SBR池進(jìn)行分隔，改造成厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)及MBR池區(qū)，保留原來(lái)預(yù)處理構(gòu)筑物。

圖1 污水處理廠提標(biāo)改造工藝流程圖

2.3 生化處理單元的提標(biāo)改造

將原SBR生化池改造為A2O+MBR池，縱向排列，4組并聯(lián)，在原池體內(nèi)增加隔墻，內(nèi)設(shè)推流器、污泥回流泵、盤(pán)式曝氣器。好氧池后端新建膜池和膜離線清洗池，每個(gè)膜池里安裝6套膜組，每套膜組件80片膜，每片膜面積為20 m2，共計(jì)約38 400 m2，采用PVDF材質(zhì)中空纖維膜，孔徑小于0.03 μm。

生物處理為三功能階段，依次是缺氧區(qū)段、厭氧區(qū)段和好氧MBR區(qū)段。原水先流入?yún)捬醵危勰嘀械牧自诖硕蔚玫匠浞轴尫牛欢罅魅肴毖醵危c好氧段回流的硝化液進(jìn)行混合，進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)，完成總氮的去除，再進(jìn)入好氧段，通過(guò)生物硝化作用，去除污水中氨氮，最后污水流到膜池，通過(guò)膜分離實(shí)現(xiàn)好氧段中較高的污泥濃度，富集優(yōu)勢(shì)菌種，在MBR膜的截留下，污泥濃度可達(dá)到8～10 g/L，能去除大部分COD和氨氮等有機(jī)物。

2.4 深度處理單元的提標(biāo)改造

為保障處理出水的所有指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，在末端出水處采用下流式預(yù)埋微生物垂直流人工濕地。在濕地構(gòu)筑物內(nèi)從下往上依次放置礫石、大石、碎石、專(zhuān)業(yè)填料、砂、土，每鋪設(shè)一層填料后，在該填料的表面放置固體專(zhuān)性菌種粉末(或顆粒)或放置包埋固定化的專(zhuān)性菌種填料。在砂、土內(nèi)種植挺水植物，在運(yùn)行過(guò)程中，預(yù)埋的干菌種遇水后開(kāi)始復(fù)蘇并繁殖，在不同層次分解不同的污染物。在中上層的硝化菌利用氧將水中的氨轉(zhuǎn)化成硝酸或亞硝酸根，好氧菌將水中部分有機(jī)物分解成CO2、H2O，除去部分COD與BOD5。該層的聚磷菌吸收水中的磷形成有機(jī)體，最終與濕地填料中的鈣、鐵形成不溶性的磷酸鈣、磷酸鐵而積附于填料或植物的根間，去除水中大部分磷。在下層的反硝化菌則利用水中的碳元素或水生植物的死根作為營(yíng)養(yǎng)，將硝酸或者亞硝酸根轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑥亩ニ械牡４送猓怪绷魅斯竦鼐哂芯彌_容量大、硝化能力強(qiáng)、耗電低、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。

2.5 提標(biāo)改造工藝參數(shù)

本次對(duì)調(diào)節(jié)池進(jìn)行改造，改造后原調(diào)節(jié)池前半段作為沉淀區(qū)，后半段仍作為調(diào)節(jié)池，改造后調(diào)節(jié)時(shí)間6 h、沉淀區(qū)停留時(shí)間6 h。

生化池主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：污泥濃度為厭氧區(qū)2.5 g/L，缺氧區(qū)5.0 g/L，好氧區(qū)7.5 g/L，膜池10 g/L。回流比為膜池回流至好氧池300%，好氧池回流至一級(jí)缺氧池200%，二級(jí)缺氧池至厭氧池100%，設(shè)計(jì)泥齡20 d，生化池及膜池總停留時(shí)間26.3 h，厭氧區(qū)停留時(shí)間4.5 h，缺氧區(qū)停留時(shí)間6.5 h，好氧區(qū)停留時(shí)間12.7 h，膜池停留時(shí)間2.7 h，設(shè)計(jì)氣水比(生化)6.9比1，污泥負(fù)荷0.11(kqB0D5/MLSS.d)。

人工濕地總有效面積13 000 m，根據(jù)現(xiàn)狀用地分為13個(gè)單元。每個(gè)單元長(zhǎng)10 m，寬25 m，濕地填料層深度1.55 m，設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷：0.7 m3/(m2·d)，水力停留時(shí)間為1.0 d。

3 提標(biāo)改造運(yùn)行效果分析

目前該工業(yè)集中區(qū)污水處理廠的現(xiàn)有工藝基本穩(wěn)定運(yùn)行，并按照實(shí)際測(cè)得的出水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別對(duì)提標(biāo)改造后2021年全年廠內(nèi)生化段出水及濕地排放的尾水進(jìn)行分析。

3.1 對(duì)COD的去除效果

如圖2(a)所示，1—12月份進(jìn)水COD月均值均低于設(shè)計(jì)值，進(jìn)水波動(dòng)較大，夏季進(jìn)水濃度偏低，冬季進(jìn)水濃度偏高，進(jìn)水COD在123～332 mg/L之間，年平均值在215 mg/L，出水COD在15～29 mg/L之間，對(duì)COD的平均去除率為90%。生化處理段COD平均去除率為86%，人工濕地平均COD去除率為25%，出水COD均值為22 mg/L。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，A2O+MBR+垂直流人工濕地工藝組合能夠有效去除生物處理段難以降解的COD，使得出水COD更為穩(wěn)定。這主要是因?yàn)槟し蛛x對(duì)生物有著一定程度的強(qiáng)化作用，同時(shí)微濾膜可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大分子有機(jī)物的物理截留，再加上膜表面沉積層對(duì)溶解性有機(jī)物的去除，使得系統(tǒng)具有比較高的COD去除率。垂直流人工濕地對(duì)有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的去除能力，不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾作用可以很快被截留而被微生物利用，可溶性有機(jī)物則通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過(guò)程而被分解去除[4]。

3.2 對(duì)氨氮的去除效果

如圖2(b)所示，運(yùn)行期間進(jìn)水NH3-H在9～29 mg/L之間波動(dòng)，出水NH3-H年均值為0.25 mg/L，去除率達(dá)到98.7%，生化處理段NH3-H平均去除率為97%，人工濕地平均NH3-H去除率為46%。

從數(shù)據(jù)上可以看出生化段脫氮效果好，冬季NH3-H去除率也很高。這是因?yàn)锳AO+MBR工藝增加了生化處理系統(tǒng)內(nèi)的污泥濃度，提高了在好氧區(qū)內(nèi)的同步反硝化作用；同時(shí)MBR的截留作用避免了硝化細(xì)菌的流失，使得硝化細(xì)菌得以繁殖生長(zhǎng)且不斷積累，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的生物脫氮能力[5]；另外，垂直流人工濕地通過(guò)物化循環(huán)、植物吸收和生物脫氮的多重途徑實(shí)現(xiàn)脫氮，其好氧區(qū)內(nèi)的硝化細(xì)菌與厭氧區(qū)內(nèi)的反硝化細(xì)菌協(xié)同作用，達(dá)到了對(duì)氨氮的高效去除。

3.3 對(duì)總氮的去除效果

如圖2(c)所示，進(jìn)水TN月均值變化幅度較大，在15～39 mg/L之間，主要是受到園區(qū)化工企業(yè)不同階段的廢水排放，造成進(jìn)水TN濃度偏高或偏低。出水TN在7.59～12.33 mg/L之間，年均值為9.42 mg/L，去除率為44%～80%之間，生化處理段TN平均去除率為56%，人工濕地平均TN去除率為15%。夏天總氮去除率低，這是因?yàn)橛昙镜牡絹?lái)使得進(jìn)水濃度偏低，碳氮比不滿足反硝化反應(yīng)條件。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以得出，該工藝對(duì)總氮的去除效果較為穩(wěn)定。在MBR中，由于活性污泥濃度高、泥齡長(zhǎng)，污泥的黏度也較大，氧氣的擴(kuò)散能力小，造成氧氣的傳遞效果差，難擴(kuò)散到絮體內(nèi)部，在污泥絮體表面形成好氧區(qū)，而在絮體內(nèi)部卻可能形成缺氧區(qū)，甚至厭氧區(qū)。在MBR運(yùn)行時(shí)，混合液不可能完全混合，可能出現(xiàn)死角，在整體好氧下出現(xiàn)局部缺氧甚至厭氧；同時(shí)，由于MBR的特殊構(gòu)造，在膜絲上會(huì)有一定的活性污泥沉積，嚴(yán)重時(shí)形成濾餅層，造成濾餅層和膜絲間缺氧，在不同的區(qū)域分別形成適合硝化菌和反硝化菌生長(zhǎng)的條件，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮[6]。但人工濕地對(duì)化工廢水總氮去除能力較為有限。

3.4 對(duì)總磷的去除效果

如圖2(d)所 示，進(jìn) 水TP濃 度 偏 低，在0.6～1.2 mg/L之間，原因是該工業(yè)園區(qū)大部分企業(yè)廢水排放不涉及磷。出水TP在0.09～0.2 mg/L之間，年均值為0.14 mg/L，去除率為79%，生化處理段TP平均去除率為60%，人工濕地平均為T(mén)P去除率為50%。

圖2 運(yùn)行效果分析

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可得出其除磷效果顯著。其原因是MBR膜的過(guò)濾截留與吸附作用將除磷菌截留在膜池中，使其相對(duì)濃度增加，且膜表面的微生物污泥層為聚磷菌提供了厭氧環(huán)境，使得MBR對(duì)TP有較好的去除效果。另外，垂直流人工濕地還擁有特殊的填料構(gòu)造和水流模型，可以利用填料、菌種、植被這種復(fù)合生態(tài)體系的物理、化學(xué)和生物上的協(xié)調(diào)作用，以達(dá)到對(duì)污水中磷元素的有效去除。垂直流人工濕地采用火山巖填料，而經(jīng)研究表明以火山石為填料的單元對(duì)總磷的去除率最高，由于火山渣呈弱堿性，因此可溶性的無(wú)機(jī)磷易與火山石中的Al3+、Fe3+、Ca2+等發(fā)生吸附和沉淀反應(yīng)，形成以羥基鈣磷灰石為代表的穩(wěn)定的固態(tài)磷酸鹽[7]。

4 運(yùn)行成本分析

該工業(yè)污水處理廠提標(biāo)改造項(xiàng)目投入5 200 萬(wàn)元，項(xiàng)目總投資9 000 萬(wàn)元，直接單位運(yùn)行成本為2.63 元/m3，運(yùn)行費(fèi)用主要包括能耗費(fèi)用、藥劑費(fèi)用、污泥費(fèi)用、人工費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、在線運(yùn)維費(fèi)用、水質(zhì)檢測(cè)費(fèi)用及人工濕地運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等。其中能耗費(fèi)用占比30%，主要是提升泵、鼓風(fēng)機(jī)、產(chǎn)水泵、回流泵等核心設(shè)備能耗較大，實(shí)際運(yùn)行耗電量為748.3 kW·h，噸水運(yùn)行電費(fèi)為1.08 元/m3。MBR膜的運(yùn)行維護(hù)尤為重要，MBR膜反洗藥劑包括10%次氯酸鈉、氫氧化鈉、檸檬酸，單位藥劑費(fèi)用分別為0.045 元/m3、0.001 元/m3、0.145 元/m3。

5 結(jié)語(yǔ)

采用MBR+人工濕地工藝組合能使工業(yè)園區(qū)污水處理達(dá)標(biāo)，且該工藝運(yùn)行效果穩(wěn)定，人工濕地具有良好的深度凈化效果。該工業(yè)園區(qū)污水處理廠 對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的 年 平 均 去 除 率分別達(dá)到90% 、98.7% 、62% 和79%；其中濕地對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的年平均去除率分別為25%、46%、15%、50%，出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到DB 51/2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染排放標(biāo)準(zhǔn)》。