AAO+MBR＋化學(xué)沉淀除磷工藝在高磷生活污水中的工程應(yīng)用

瞿晶晶 黃勝 韓康 宋勁強(qiáng)

（君集環(huán)境科技股份有限公司，湖北 武漢 430000）

1 引言

湖北省某磷化工廠生產(chǎn)廢水經(jīng)污水廠處理后排入大雁河，最終匯入澴河，但生活污水和雨水未經(jīng)處理直排導(dǎo)致下游的余家坡國控?cái)嗝姹O(jiān)測指標(biāo)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。該廠區(qū)的生活污水主要來自各生產(chǎn)車間化糞池出水，且有少量工業(yè)廢水滲入，污水中總磷含量較高，含有部分氟化物等，水質(zhì)較為復(fù)雜。為滿足環(huán)保要求、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，該化工廠新建雨污分流管網(wǎng)并自建生活污水處理站，對廠區(qū)生產(chǎn)車間的生活污水進(jìn)行應(yīng)急處理，處理達(dá)標(biāo)后排入大雁河。

2 設(shè)計(jì)水質(zhì)水量

根據(jù)該化工廠雨污分流項(xiàng)目總體規(guī)劃，參考該化工廠現(xiàn)狀用水量并結(jié)合給水工程規(guī)劃確定生活用水定額，確定取值為100 L/（人·d），管網(wǎng)收集率為100%，平均用水量為80 m3/d，最大用水量為120 m3/d，考慮處理余量，則生活污水處理量為120 m3/d。

根據(jù)GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)及該化工廠提供的水質(zhì)檢測報(bào)告，具體設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)mg/L

3 工程方案

3.1 處理工藝選擇

考慮到該廠區(qū)污水的特點(diǎn)，為了保證脫氮除磷效果及出水水質(zhì)的穩(wěn)定，本工程采用AAO＋MBR＋化學(xué)沉淀法處理工藝。

AAO 工藝是一種帶混合液回流的前置反硝化生物脫氮除磷工藝。好氧池外回流的含磷污泥和原水一起進(jìn)入?yún)捬醭兀哿拙趨捬醭刂羞M(jìn)行磷的釋放和有機(jī)物的攝取，反硝化細(xì)菌在缺氧池中將回流液中產(chǎn)生的大量和NO2－N 進(jìn)行反硝化脫氮，生成N2和NOX逸出水體實(shí)現(xiàn)脫氮，有機(jī)物在聚磷菌及反硝化菌的生長繁殖過程中被消耗去除，含氮化合物在好氧池中被氨化繼而被硝化，同時(shí)聚磷菌過量攝取磷并通過排放富磷的剩余污泥實(shí)現(xiàn)生物除磷。AAO 工藝通過創(chuàng)造更適合特定微生物生長的環(huán)境，達(dá)到同步高效除磷、脫氮的目的。

MBR 膜具有良好的分離能力，能高效去除懸浮顆粒、膠體、濁度、細(xì)菌、大分子有機(jī)物等，產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定可靠。MBR 工藝中膜的截留作用使活性污泥處于高濃度狀態(tài)中，確保了生物降解的穩(wěn)定性，提高了生化系統(tǒng)的抗沖擊能力，保證了出水CODCr，BOD5，NH3－N 及SS 的穩(wěn)定去除率，而且系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥量較少。由于膜系統(tǒng)的引入可以顯著延長污水處理過程的污泥停留時(shí)間（Sludge Retention Time，SRT），有利于世代較長的硝化細(xì)菌的富集和生長，并最終體現(xiàn)為MBR 在硝化和反硝化作用上的優(yōu)勢［1］。此外，由于MBR 系統(tǒng)的污泥濃度通常較高，生物量較大，生物除磷作用也得以強(qiáng)化［2］。

由于進(jìn)水TP 含量較高，生化處理單元除磷工藝無法保證出水TP 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，故增加后續(xù)化學(xué)沉淀除磷措施，投加化學(xué)試劑進(jìn)行化學(xué)除磷是實(shí)現(xiàn)污水完全除磷的有效方法。本工藝選擇投加鋁鹽輔助化學(xué)除磷，鋁鹽與水體中的磷酸鹽等物質(zhì)生成非溶解態(tài)的化合物，再投加聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）發(fā)生絮凝反應(yīng)，生成的磷酸鹽等聚合物使污水中的磷濃度得以降低，同時(shí)可使污水中的氟濃度降至更低，原因是鋁鹽在絮凝除氟過程中，通過吸附作用、離子交換、絡(luò)合沉降等去除氟離子（F－），其中Al3＋和F－發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成AlF2＋，AlF3，多種鋁氟絡(luò)合物，鋁鹽與氫氧根（OH－）作用生成Al（OH）3礬花，礬花吸附鋁氟絡(luò)合物產(chǎn)生沉淀，從而去除水中的F－。由于F－與OH－的半徑及電荷相近，在絮凝除氟過程中，投加到水中的鋁鹽聚陽離子及水解后形成的無定形Al（OH）3沉淀中的OH－，在等電荷條件下會(huì)與F－發(fā)生離子交換而去除F－［3］。該組合工藝具有明顯優(yōu)勢，對進(jìn)水適應(yīng)性強(qiáng)、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、深度脫氮除磷除氟、出水水質(zhì)穩(wěn)定。

3.2 工藝流程

污水處理工藝流程見圖1。該廠區(qū)各車間生活污水通過污水干管匯集到主管并輸送至粗格柵，攔截紙屑及纖維等較大漂浮物等，隨后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，并在池內(nèi)進(jìn)行均質(zhì)均量混合，再經(jīng)由泵提升至后續(xù)生化處理單元。在AAO 工藝單元，經(jīng)過厭氧、缺氧、好氧反應(yīng)，通過聚磷菌釋磷、吸磷，硝化菌與反硝化菌的硝化和反硝化反應(yīng)，污水中的CODCr，BOD5，TN，NH3－N，TP 等污染物質(zhì)被有效去除。AAO 處理后的污泥混合液進(jìn)入MBR 膜池，以MBR 膜池取代傳統(tǒng)AAO 生化池后的沉淀池，不僅能有效地通過膜組件的固液分離作用實(shí)現(xiàn)泥水分離，同時(shí)提高了生物反應(yīng)器中的活性污泥濃度，進(jìn)一步強(qiáng)化了生化處理效果，CODCr，BOD5，NH3－N 及SS的去除率進(jìn)一步提升，而且通過回流混合液到厭氧池、缺氧池，提高了TN 去除率。膜池出水通過產(chǎn)水泵抽吸進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)池，在反應(yīng)池中投加除磷劑、PAC、PAM 去除生化單元未去除的超量磷，保證出水TP 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時(shí)達(dá)到降低氟化物及其他污染物的目的。二沉池對化學(xué)混凝后的混合液進(jìn)行泥水分離，上清液經(jīng)NaClO 出水消毒后達(dá)標(biāo)排放，沉淀后的污泥經(jīng)污泥池濃縮儲(chǔ)存，并定期外運(yùn)和處置。

圖1 污水處理工藝流程

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)備

4.1 格柵池及調(diào)節(jié)池

本工程格柵池與調(diào)節(jié)池合建，總尺寸為4.0 m×2.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)。其中格柵池尺寸為1.0 m×0.7 m×0.8 m，用于攔截污水中較大的懸浮物及其他雜物，具有保護(hù)后續(xù)處理單元中提升泵的作用。粗格柵選用不銹鋼人工格柵，柵寬700 mm，柵條間隙10 mm，格柵傾角α=60°，污水平均過柵流速≤1.0 m/s。需人工清渣。調(diào)節(jié)池1 座，最大調(diào)節(jié)容積為23 m3，HRT=4.6 h。調(diào)節(jié)池內(nèi)配備提升泵2 臺(tái)（1 用1備），Q=6 m3/h，H=14 m，N=0.55 kW；配備液位控制儀2臺(tái)。

4.2 AAO 生化池

本工程的AAO 生物反應(yīng)池包括厭氧池、缺氧池和好氧池，同時(shí)池體內(nèi)設(shè)組合填料。微生物附著于組合填料內(nèi)外表面形成生物膜，生物膜隨生長而厚度增加，在其表面向內(nèi)部逐漸形成好氧—缺氧—厭氧的微環(huán)境，且由于傳遞阻力的作用，生物膜內(nèi)部也會(huì)形成營養(yǎng)物質(zhì)富足/貧瘠的微環(huán)境［4］，填料不僅可以較好地實(shí)現(xiàn)污泥的原位減量，而且可以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化強(qiáng)化生物脫氮［5］。AAO 工藝配套組合填料工藝，可以有效地強(qiáng)化生物脫氮除磷效果。

本工程設(shè)AAO 生化池1 座，總尺寸為4.0 m×2.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，總HRT=10.95 h。其中，厭氧池尺寸為1.0 m×2.5 m×2.5 m，HRT=1.175 h；缺氧池尺寸為2.0 m×2.5 m×2.5 m，HRT=2.250 h；好氧池尺寸為7.0 m×2.5 m×2.5 m，HRT=7.525 h。AAO 池配套組合填料968 根，型號(hào)為Ф150×100，有效長度1 000 mm，兩端各留500 mm 系繩，片重不低于1.8 g，絲重不低于0.8 g。缺氧池配套穿孔曝氣管1 套；厭氧池配套微孔曝氣器8 套，型號(hào)為Ф215，配套ABS 曝氣支架1 套、曝氣管1 套；好氧池配套微孔曝氣器60 套，型號(hào)為Ф215，配套ABS 曝氣支架1 套、曝氣管1 套。AAO 池總供氣量為0.68 m3/min，氣水比8∶1。混合液回流泵2 臺(tái)（1 用1 備），Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.55 kW。

4.3 MBR 膜池

MBR 屬于生化處理的強(qiáng)化處理工藝。MBR 膜不僅在硝化反硝化上有優(yōu)勢，而且在污水除磷方面也有優(yōu)勢，它可以去除不易通過重力分離去除的細(xì)小磷酸鹽沉淀或者膠體磷［6］。

本工程設(shè)MBR 膜池1 座，尺寸為2.0 m×2.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，處理量為80 m3/d，有效水深2.15 m，HRT=2.15 h。

目前MBR 膜組件常用高分子有機(jī)膜材料，包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等，最常用的膜材質(zhì)為PVDF，它具有抗酸堿、抗氧化性強(qiáng)、抗老化等優(yōu)點(diǎn)，可反復(fù)清洗使用，因此本項(xiàng)目中MBR 膜采用PVDF 中空纖維膜。MBR膜組件型號(hào)為CIMO－002－10，尺寸為1.41 m×1.39 m×1.60 m，共28 片，雙排布局，膜面積總數(shù)為280 m2，膜孔徑為0.03～0.1 μm，膜組件曝氣量為1.6 m3/min。

MBR 膜池采用全自動(dòng)間歇運(yùn)行，通過PLC 系統(tǒng)在線控制，運(yùn)行方式為抽吸8 min，停止2 min，設(shè)計(jì)通量為0.33 m3/（m2·d），反洗通量為30 L/（m2·h），MLSS 濃度可達(dá)5 000～12 000 mg/L，反洗次數(shù)為4 次/d，反洗水量為產(chǎn)水量的2 倍，維護(hù)清洗采用有效氯濃度500 mg/L 的NaClO 溶液，用于清除有機(jī)污染物，清除頻率為每周1 次，恢復(fù)清洗采用有效氯濃度3 000 mg/L 的NaClO 溶液，1～3 個(gè)月1 次或跨膜壓差（TMP）＞50 kPa 時(shí)進(jìn)行。通過維護(hù)清洗/恢復(fù)清洗，壓差不能恢復(fù)時(shí)，采用1～2 wt%檸檬酸進(jìn)行浸沒清洗。MBR 膜池配套產(chǎn)水泵、反洗泵、電動(dòng)閥門、流量計(jì)、次氯酸鈉加藥系統(tǒng)、檸檬酸加藥系統(tǒng)、堿液加藥系統(tǒng)，以及混合液回流泵、污泥泵等。其中，曝氣風(fēng)機(jī)氣量為1.6 m3/min，產(chǎn)水泵2 臺(tái)（1 用1 備），Q=5.6 m3/h，H=16 m，N=0.75 kW，反洗泵2 臺(tái)（1 用1備），Q=12.5 m3/h，H=12 m，N=1.1 kW，混合液回流泵2 臺(tái)（1 用1 備），Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.55 kW，剩余污泥泵2 臺(tái)（1用1 備），Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.55 kW。膜池污泥混合液通過回流泵回流至厭氧池及缺氧池，厭氧池及缺氧池可根據(jù)回流混合液溶解氧濃度減少曝氣量。膜池內(nèi)剩余污泥通過污泥泵排放至污泥池。

4.4 反應(yīng)池

MBR 工藝除磷不足以滿足要求時(shí)需輔以化學(xué)除磷工藝，通過投加鋁鹽等金屬鹽除磷劑、PAC、PAM 進(jìn)行化學(xué)沉淀反應(yīng)。本工程設(shè)化學(xué)反應(yīng)池1 座，總尺寸為1.5 m×1.0 m×2.5 m，其中，快混區(qū)為0.5 m×1.0 m×2.5 m，慢混區(qū)為1.0 m×1.0 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)?？焖贁嚢铏C(jī)1 臺(tái)，軸長2.2 m，軸徑16 mm，葉輪直徑300 mm，二葉雙層，80 r/min。慢速攪拌機(jī)1 臺(tái)，軸長2.2 m，軸徑30 mm，葉輪直徑500 mm，二葉雙層，60 r/min。快混區(qū)投加除磷劑、PAC，慢混區(qū)投加PAM，通過化學(xué)混凝沉降形成聚合物去除污水中的過量磷、氟化物及其他污染物。

4.5 二沉池

本工程設(shè)二沉池1 座，尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，中心筒1 套，型號(hào)：d=0.2 m，L=2.0 m。出水堰2.5 m，型號(hào)：H=150 mm，B=200 mm，鋼制。表面負(fù)荷0.67 m3/（m2·h），內(nèi)設(shè)污泥泵2 臺(tái)（1 用1 備），Q=10 m3/h，H=10 m，N=0.55 kW。反應(yīng)池中經(jīng)過化學(xué)混凝形成的混合液在二沉池中進(jìn)行泥水分離及污泥濃縮。二沉池中的污泥均屬于無機(jī)污泥，污泥通過污泥泵提升至污泥池中儲(chǔ)存排放，二沉池上清液通過出水堰排放至清水池。

4.6 清水池

本工程設(shè)清水池1 座，尺寸為1.0 m×2.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，有效容積4.9 m3。清水池出水部分用于MBR 膜組件反洗回用水，剩余水量配套次氯酸鈉加藥系統(tǒng)，對出水進(jìn)行消毒，達(dá)標(biāo)排放。

4.7 集水池

本工程設(shè)集水池1 座，尺寸為1.5 m×1.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，有效容積為5.18 m3。集水池用于收集膜池溢流水及污泥池上清液，并通過提升泵回流至調(diào)節(jié)池。集水池內(nèi)配套提升泵2 臺(tái)（1 用1 備），Q=6 m3/h，H=14 m，N=0.55 kW，配套液位控制儀2 臺(tái)。

4.8 污泥池

本工程設(shè)污泥池1 座，尺寸為1.5 m×1.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，有效容積為5.2 m3。污泥定期抽排外運(yùn)處理。污泥池配套穿孔曝氣管，避免污泥腐化和板結(jié)。

4.9 設(shè)備間

本工程設(shè)設(shè)備間1 座，尺寸為7.0 m×2.5 m×2.5 m，碳鋼防腐結(jié)構(gòu)。設(shè)備間內(nèi)設(shè)產(chǎn)水泵、反洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、除磷劑加藥系統(tǒng)、PAC 加藥系統(tǒng)、PAM 加藥系統(tǒng)、次氯酸鈉加藥系統(tǒng)、檸檬酸加藥系統(tǒng)、堿液加藥系統(tǒng)等配套設(shè)備。其中，鼓風(fēng)機(jī)共2 臺(tái)（1 用1 備），單臺(tái)風(fēng)量Q=2.18 m3/min，風(fēng)壓29.4 kgf/cm2，n=1 360 r/min。風(fēng)機(jī)分別向調(diào)節(jié)池、生化池、MBR 膜池及污泥池供氣。

4.10 控制系統(tǒng)

本工程選用PLC 控制系統(tǒng)，配置流量計(jì)、液位計(jì)等儀表，所有動(dòng)力設(shè)備配置到PLC 控制系統(tǒng)中，有自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式，并集中到觸摸屏畫面中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。

5 運(yùn)營成本分析

本工程處理規(guī)模為120 m3/d，年處理廢水最大總量為4.38 萬m3，年運(yùn)營成本為5.868 8 萬元，單位運(yùn)營成本為1.339 9 元/m3，運(yùn)營費(fèi)用主要包括電費(fèi)、水費(fèi)、人工費(fèi)（廠區(qū)工業(yè)廢水處理廠人員兼職管理）、藥劑費(fèi)、污泥運(yùn)輸及處理費(fèi)、膜更換費(fèi)及修理費(fèi)。

本工程直接運(yùn)營成本見表2。

表2 運(yùn)營成本分析

本工程中電費(fèi)約占總運(yùn)營成本的58.68%，所占比例較高，此外，膜更換費(fèi)及修理費(fèi)占比也較高，占總運(yùn)營成本的11.25%。

6 工程運(yùn)行及處理效果

本項(xiàng)目調(diào)試過程中，AAO 生化池及MBR 膜池的接種污泥均就近取自生活污水處理廠的好氧曝氣池內(nèi)的活性污泥，將污泥濃度為3 500 mg/L 的泥水混合物注入生化池及MBR 池中。調(diào)試開始階段采用間歇進(jìn)水方式，最初進(jìn)水水量為總水量的30%，使污泥處于低負(fù)荷增值、馴化狀態(tài)。馴化2 d 后，逐漸加大進(jìn)水負(fù)荷，直至滿負(fù)荷進(jìn)水，并進(jìn)行曝氣調(diào)試和回流調(diào)試，同步開啟MBR 產(chǎn)水模式，各生化池污泥濃度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，系統(tǒng)開始連續(xù)進(jìn)水。

連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行期間，出水指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，主要污染物的去除效果見表3。

表3 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)

從表3 可以看出，實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，CODCr進(jìn)水負(fù)荷低，屬于低碳氮比（C/N）污水，自身碳源不足以完成反硝化，需人工增加碳源保證進(jìn)水碳氮比，在調(diào)試運(yùn)行期間增加葡萄糖補(bǔ)充碳源。

穩(wěn)定運(yùn)行期間，CODCr的去除率在86.04%～88.01%，NH3－N 的去除率在88.72%～100.00%，TP 的去除率在89.67%～99.36%，氟化物的去除率在36.12%～46.34%，其中NH3－N 及TP 的去除率較高，說明AAO＋MBR＋化學(xué)沉淀除磷工藝在脫氮除磷上取得了良好的效果，優(yōu)勢顯著，系統(tǒng)出水水質(zhì)均優(yōu)于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)論與建議

（1）采用AAO＋MBR＋化學(xué)沉淀除磷工藝處理該磷化工廠的高磷生活污水，運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，且在C/N 較低條件下可以取得良好的脫氮效果，總磷、氟化物均優(yōu)于出水水質(zhì)要求，滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，有效削減排入漢江的污染物負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了國控?cái)嗝鎸偭谆蚍锏呐欧乓?，對于沿江磷化工廠生活污水的處理具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（2）本工程單位運(yùn)營成本為1.339 9 元/m3，其中電費(fèi)約占總運(yùn)營成本的58.68%，所占比例較高，此外，膜更換費(fèi)及修理費(fèi)用占比也較高，占總運(yùn)營成本的11.25%。在日常運(yùn)營過程中，可根據(jù)實(shí)際操作進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能降耗處理，以降低運(yùn)營成本。

（3）本工程中MBR 膜工藝間歇產(chǎn)水抽停比為8 ∶2（產(chǎn)水泵抽吸8 min，停止2 min），既可有效地控制膜污染，又減少了系統(tǒng)能耗。MBR 膜清水反洗時(shí)間為4 次/d，且每周進(jìn)行NaClO 維護(hù)清洗，能夠使MBR 膜組件保持較好的通量，在保證出水水質(zhì)的同時(shí)延長其使用壽命。MBR 工藝雖然在污水處理效果和節(jié)約占地方面有顯著優(yōu)勢，但在建設(shè)投資、節(jié)能、降耗方面仍有較大提升空間，值得進(jìn)行更深入的研究實(shí)踐。