煤礦生活廢水提標改造工程實例

張卿監

（南乙環境工程（上海）有限公司，上海 200120）

“十八大”以來，綠色發展理念逐步深入人心，礦業全面落實“五位一體”總體布局，堅持“兩山理論”，積極貫徹落實新發展理念，推動全面建設綠色礦山[1]。在我國現有的能源結構中，煤在其中占據著舉足輕重的地位[2]。然而，不容忽視的是煤礦所處的地理位置往往比較偏遠，煤礦嚴重缺水和嚴控污水外排，踐行“兩山理論”的問題亟待解決。煤礦區生活污水來源復雜，主要特征為C/N 低、水中富含大量表面活性劑和污水含油量高等[3]；同時，由于煤礦區的工作性質，污水往往存在短時負荷沖擊大的現狀，對相關污水廠處理工藝的抗沖擊負荷能力提出了極高的要求。

因公司發展需要和現行相關法律法規的要求，山西某煤礦擬將廠區內主廣場生活污水站提標改造，改造完成后用于處理整個廠區的生活污水。根據現場勘察情況和水質要求，利舊污水處理池為地下鋼筋混凝土結構，新增缺氧罐、好氧罐、沉淀池為地上碳鋼結構，處理后的出水達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類水標準后回用。

1 生活污水處理站提標改造

1.1 提標改造主要建設內容

主要處理構筑物有格柵井（利舊改造）、調節池（利舊改造）、厭氧池（利舊改造）、新增地上碳鋼缺氧池、新增地上碳鋼好氧池、MBR 池（利舊改造）、新增地上碳鋼沉淀池、清水產水池（利舊改造）、污泥池（利舊改造）、風機房、新建輕鋼結構加藥間、新建鋼結構好氧車間、新建鋼結構缺氧車間、污泥脫水間（利舊改造）、值班室（利舊改造）、配電室（利舊改造）等。

1.2 提標改造污水處理設計基礎

1.2.1 設計水量

本次提標改造工程擬將該生活污水處理站處理能力由500 m3/d 擴容到1 000 m3/d，出水水質由一級A 提標至地表Ⅳ類。但結合煤礦生活污水短時負荷沖擊大的現實，本工程設計處理能力Q=50 m3/h、總處理量Qd=1 200 m3/d，系統運行時間24 h 連續運行。

1.2.2 出水水質要求

根據本次提標改造業主方要求，處理后的污水執行《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類水標準，主要限值見表1。

表1 系統產水水質表

1.3 煤礦生活污水處理工藝流程

采用A2O+MBBR+MBR 處理工藝作為本次提標改造的處理工藝，工藝流程見圖1。

圖1 煤礦生活污水處理工藝流程圖

2 主要構、建筑物及設備選型

2.1 格柵井

格柵井作為接納整個煤礦生物污水的來水渠道，在其中放置了兩套轉鼓格柵，一用一備，并將集水井與其共建。格柵井采用鋼混結構，主要設計參數為：設計流量Q=50 m3/h，渠寬480 mm，渠深4 300 mm；轉鼓格柵的主要功能為截除污水中漂浮物，本工藝中采用FUELMICRO 的回轉格柵，設計參數為寬B=480 mm，柵隙b=5 mm，格柵傾角70°，渠深4.3 m，功率1.1 kW。而回轉式機械格柵工作原理是在電機減速器的驅動下，耙齒鏈進行逆水流方向回轉運動。耙齒鏈運轉到設備的上部時，由于槽輪和彎軌的導向，使每組耙齒之間產生相對自清運動，絕大部分固體物質靠重力落下。另一部分則依靠清掃器的反向運動把粘在耙齒上的雜物清掃干凈[4]。

2.2 調節池

經過格柵井處理后的來水首先進入調節池均質均量，配置攪拌系統，目的保證系統進水穩定，減少水量和水質波動帶來的沖擊。本次提標改造過程中，將原來調節池2 座、復用水池1 座、中間水池1 座、水解池1 座，二級濾池1 座改造為調節池；設計停留時間為12 h，同時內設可提升曝氣器6 個、調節池提升泵4 臺（2 用2 備）、在線液位計1 套（液位指示，與提升泵控制連鎖）、電磁流量計1 套（提升泵流量指示及累計）。

2.3 A2/O 生化池

A2/O 脫氮除磷工藝，即厭氧-缺氧-好氧活性污泥法，也稱A-A-O 工藝，它是在A2/O 除磷工藝基礎上增設了一個缺氧池。并將好氧池出流的部分混合液回流至缺氧池，該工藝具有降解有機物，降低廢水COD、BOD5、NH3-N 的功能[5]。A2/O 生化池的主要設計參數為：外形尺寸3 m×3 m×6.5 m，A 池6 座、O 池10 座；設計停留時間t=18 h，同時內設混合液回流泵2 臺（設計參數Q=170 m3/h，H=10 m，N=7.5 kW）、曝氣風機2 臺（設計參數Q=6.1 m3/min，P=60 kPa，N=11 kW）、潛水攪拌機6 臺（設計參數N=1.1 kW，配套導桿及起吊裝置）和缺氧提升泵2 臺（1 用1 備，設計參數Q=50 m3/h，H=15 m，N=3 kW）。同時，本次提標改造工程中將O 池與MBBR 流化床工藝相結合，本設計采用廣泛、成熟可靠的內循環式三相生物流化床，具有流動阻力小，減少供氣量從而降低運行費用；反應器起始流化容易，降低了操作難度；同時由于結構緊湊，可減少所占空間及地面[6]。通過前期實驗（表2），最終確定選取MBBR 填料并將其填充率設置為30%（設計參數堆積密度100 kg/m3，孔隙率＞85%）。

2.4 二沉池

二沉池的主要功能為將生化系統出水進行泥水分離，同時將沉淀后的部分污泥回流至調節池，補充生化系統中的污泥量。二沉池采用碳鋼結構，主要設計參數為6.5 m×2.2 m×3.5 m、同時內設2 臺氣動隔膜泵（1 用1 備）。

2.5 MBR 膜池

由于煤礦工人的飲食結構屬于高油結構飲食，所以生活污水的含油量很高，故在二沉池后需要加一組MBR 膜池。MBR 膜生物反應器（membrane bioreactor，MBR）是將膜分離技術和生物反應器的生物降解作用集于一體的生物反應系統[7]。該系統具有處理能力強、固液分離效率高、出水水質好、占地空間小、運行管理簡單等特點[8]。MBR 膜池中設置清水池1 座（設計尺寸5.7 m×4.5 m×4.5 m，設計停留時間2 h），其中包含MBR 膜組2 組（設計參數膜面積2 700 m2，膜通量18.5 L/m2，材質為PVDF 中空纖維膜）、MBR 產水泵2 臺（1 用1 備、設計參數Q=60 m3/h，H=12 m，N=5.5 kW）、MBR 反洗泵2 臺（1 用1 備、設計參數Q=100 m3/h，H=6 m，N=7.5 kW）、MBR 風機2 臺（1 用1 備、設計參數Q=13 m3/min，H=40 kPa，N=15 kW）。

2.6 污泥處理系統

污泥處理系統中設置一座污泥池，主要功能為污泥儲存、提升至板框壓濾機處理，設計參數為3.6 m×2.7 m×4.5 m。內設氣動隔膜泵2 臺（1 用1 備）、XMGZ30/800-U 板框壓濾機1 臺。

3 運行效果分析

3.1 原水水質分析

原水水質波動較大，這與之前所述煤礦廢水水質的典型特征一致。其中具有明顯波動的污染物種類為化學需氧量COD、生化需氧量BOD5與總磷TP，進水質量濃度分別為403.42 mg/L±52.95 mg/L、153.42 mg/L±24.86 mg/L 和4.28 mg/L±0.45 mg/L，波動比例達到了13.12%、16.20%和10.61%；其余水質指標氨氮和總氮亦有明顯波動，進水質量濃度分別為6.43 mg/L±0.56 mg/L 和15.00 mg/L±1.32 mg/L，波動比例為8.7%和8.85%。推測出現這種波動的主要原因為，煤礦主要實行倒班制，極易出現峰谷用水現象。

3.2 A2/O 處理效果分析

污水經過厭氧/缺氧/好氧交替后最終由好氧端出水，出水污染物指標COD、BOD5、氨氮、總磷和總氮分別為54.08 mg/L±9.24 mg/L、18.24 mg/L±1.68 mg/L、0.50 mg/L±0.03mg/L、2.22 mg/L±0.14mg/L、13.54 mg/L±1.23 mg/L，去除率分別為86.59%、88.11%、92.20%、48.10%和6.63%。表明該段工藝對COD 和氨氮去除效果明顯，去除率基本接近90%左右，但對TP 和TN的去除率表現則一般，推測主要原因是進水COD 不足，而聚磷菌和反硝化菌在競爭中處于相對劣勢。

3.3 MBBR 處理效果分析

MBBR 段出水污染物指標COD、BOD5及氨氮、總磷和總氮質量濃度分別為26.23 mg/L±3.02 mg/L、8.11 mg/L±0.60 mg/L、0.49 mg/L±0.02 mg/L、1.57 mg/L±0.22mg/L、6.43 mg/L±0.72 mg/L，去除率分別為93.49%、94.71%、92.24%、63.28%和55.59%。經過MBBR 段的處理后TP 和TN 的去除率有明顯的上升，推測其原因為MBBR 膜的層狀結構構建處理外部好氧、內部厭氧的結構，在該部分中，聚磷菌和反硝化菌在MBBR 填料上分區定殖，在不同含氧量的地方分別進行不同種的污染物去除。

3.4 MBR 處理效果分析

MBR 段出水污染物指標COD、BOD5及氨氮、總磷、總氮質量濃度分別為7.65 mg/L±1.76 mg/L、3.77 mg/L±0.77 mg/L、0.05 mg/L±0.002 mg/L、0.24 mg/L±0.05 mg/L、1.45 mg/L±0.30 mg/L，去除率分別為98.10%、97.54%、99.23%、94.47%和89.95%。經過MBR 段處理后的污水已經穩定達到了《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類水標準。同時，該部分由于采用了PVDF 中空纖維膜，避免了傳統MBR 膜生物反應器需要頻繁清洗的問題，產水能耗低，不需投加混凝劑，助凝劑等化學藥劑，降低了運行成本[9]。同時強化了污水處理效果，對煤礦污水處理的提標改造具有明顯的助力。同時，浸沒安裝在膜生物反應池中的MBR 膜裝置對泥水混合液進行過濾處理，進一步去除SS、油、大腸桿菌等。見圖2。

圖2 煤礦生活廢水污染物去除效果

4 運行經濟性分析

4.1 運行電費分析

經過提標改造后的污水處理電氣化設備電機功率如表3 所示。

表3 污水處理部分電機功率表

根據表3 所示，本項目電機裝機功率約219 kW，運行功率147 kW，電費運行費用為每噸水2.35 元（電費按1 元/kW·h 計）。

4.2 藥劑運行成本

運行過程中需要使用的藥劑主要集中為PAC、PAM、NaOH、葡萄糖、除磷劑和陽離子PAM，其作用與價格如下所示：

1）PAC：PAC 的投加量為100 mg/L，PAC售價為4 元/kg，每噸廢水的PAC 費用為每噸水0.400 元；

2）PAM：PAM 的投加量為5 mg/L，PAM 售價為40 元/kg，每噸廢水的PAM費用為0.200 元；

3）NaOH：由于本項目用于pH 調節藥劑用量極少，預計每噸廢水藥劑費用約0.200 元；

4）葡萄糖：用于補充碳源，預計每噸廢水藥劑費用約0.40 元；

5）除磷劑：預計每噸廢水藥劑費用約0.50 元；

6）陽離子PAM：脫泥用，預計每噸廢水藥劑費用約0.20 元。

每噸廢水處理費用總計為1.9 元。

5 結論

1）選擇A2O+MBBR+MBR 的組合工藝作為本次提標改造的主體工藝，充分發揮各種工藝的技術優勢，《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅳ類水標準；

2）通過運行經濟性分析，從電費與藥劑成本考慮，噸水電費成本達到2.35 元（電費按1 元/kW·h 計），藥劑成本為噸水1.9 元；

3）提標改造后，處理過的污水可回用至煤礦的生產用水，可有效緩解煤礦缺水的狀況；同時，污水零排放也符合國家政策導向性，具有示范作用；

4）本工藝各處理單元充分利用了原有設備，改造后的處理設備集成度高，自動化程度高，可有效提高處理效率與運行成本。