朱偉堂，周 俊，孫永軍，吳緒軍

(1.浙江省長興縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，浙江湖州 313100；2.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，江蘇南京 211816；3.長興璦晟環(huán)保科技有限公司，浙江湖州 313100)

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)污水排放量逐年遞增，當(dāng)前污水處理工藝主要包括生物氧化工藝、氧化溝技術(shù)和膜生物反應(yīng)技術(shù)等[1-2]，還有的采用人工濕地[3]等。另外，在城鎮(zhèn)污水處理方面也存在一些問題，主要包括區(qū)域設(shè)施治理水平分布不均、配套管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)滯后、污水處理工藝和設(shè)備不合理、部分地區(qū)污水收集率“虛高”等[4]，這些問題亟待解決。在新農(nóng)村建設(shè)及鄉(xiāng)村振興的背景下，農(nóng)村生活污水的處理迫在眉睫，其處理工藝主要包括好氧處理工藝、人工濕地、穩(wěn)定塘系統(tǒng)和土地處理工藝等[5]。但我國村鎮(zhèn)的數(shù)量巨大，且分布廣闊，情況復(fù)雜，需要針對各個地區(qū)因地制宜地制定專門的處理技術(shù)和管理措施[6]。當(dāng)前，昆山市某鎮(zhèn)已建一座處理規(guī)模為3.0萬m3/d的污水處理廠，由于本鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，所產(chǎn)生的污水量已經(jīng)超過了現(xiàn)有污水處理廠的處理能力，污水管網(wǎng)處于高位運行，經(jīng)常從低洼處的污水井溢出，尤其是在雨季，溢出現(xiàn)象更為嚴(yán)重。為了改變現(xiàn)狀，在短時間內(nèi)快速解決這個問題，決定在管網(wǎng)泵站處設(shè)置臨時污水處理裝置，增大污水處理量，解決污水站處理能力不足和管網(wǎng)污水溢流的問題。通過文獻(xiàn)調(diào)研和小試研究[7-9]，并結(jié)合BIOWIN對污水處理廠的工藝優(yōu)化及改造。其中，倒置AAO(缺氧/厭氧/好氧)工藝將缺氧池前置，讓厭氧區(qū)和好氧區(qū)相連，使厭氧釋磷后保持較高的吸磷動力，同時提高了脫氮除磷的效果[10]。對于低C/N的城市生活污水，倒置AAO工藝具有顯著的優(yōu)勢[11]。膜生物反應(yīng)器是將膜分離單元與生物處理單元有機(jī)結(jié)合，可以將游離細(xì)菌和有機(jī)大分子物質(zhì)截留在生物反應(yīng)器內(nèi)，提高懸浮污染物的去除率，同時提高了反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度、生物處理有機(jī)負(fù)荷，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量[12]?；诖?，本研究擬采用倒置AAO-MBR(膜生物反應(yīng)器)系統(tǒng)對生活污水進(jìn)行處理，出水指標(biāo)全部達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1 污水水質(zhì)指標(biāo)

本項目處理污水主要為生活污水，含有比例不超過20%的高氨氮廢水。本項目設(shè)計污水處理量總規(guī)模為1.0萬 m3/d，共20套設(shè)備，每套設(shè)備污水處理量為500 m3/d。出水指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[13]。廢水水質(zhì)的測定按照國家環(huán)保局頒布的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定。其中，pH采用便攜式pH儀測定、CODCr采用重鉻酸鉀法測定、BOD5采用五日生化需氧量法測定、氨氮采用納氏試劑光度法測定、TN采用紫外分光光度法測定、TP采用鉬銻抗分光光度法測定、SS采用濾膜法測定。生活廢水水質(zhì)及排放水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 污水水質(zhì)及排放標(biāo)準(zhǔn)

2 工藝流程及主要參數(shù)

泵站污水在潛污泵的抽吸作用下進(jìn)入后續(xù)自清洗過濾器系統(tǒng)，過濾器內(nèi)設(shè)置精度為1 mm的濾網(wǎng)，將污水的毛發(fā)和纖維物質(zhì)截留去除，以減少特別容易產(chǎn)生的“成辮”現(xiàn)象，保障MBR穩(wěn)定、安全地運行。經(jīng)過濾處理的污水采用兩點進(jìn)水的方式分別進(jìn)入缺氧池和厭氧池，兩個池體的進(jìn)水比例根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)整[14]。本工藝與傳統(tǒng)AAO工藝相比設(shè)置前置的預(yù)缺氧區(qū)，停留時間為2.5 h，第一缺氧池利用進(jìn)水碳源和回流硝化液進(jìn)行快速反硝化，接著混合液進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行厭氧釋磷，厭氧區(qū)停留時間為1.5 h[15]。將厭氧區(qū)放在第一缺氧區(qū)之后，由于回流液中的硝態(tài)氮被充分反硝化，減少了其對聚磷菌的抑制，可提高除磷效果[16]。在兼氧區(qū)再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液進(jìn)一步反硝化脫氮，該區(qū)停留時間為2.0 h。兼氧區(qū)污水進(jìn)入好氧曝氣池，曝氣池完成有機(jī)物的去除和氨氮的硝化反應(yīng)，整個系統(tǒng)總水力停留時間約為12.0 h。本工藝脫氮除磷效率較傳統(tǒng)的AAO工藝大大提高。本工藝中的剩余污泥采用板框壓濾，使得含水率≤60%后進(jìn)行焚燒處理。具體工藝流程如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 倒置AAO-MBR工藝流程

3 BIOWIN軟件模擬

目前，污水處理工藝模擬軟件BIOWIN廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)新建污水處理廠方案設(shè)計、已建污水處理廠的工藝優(yōu)化及改造。BIOWIN軟件能夠客觀形象地將污水處理的流程進(jìn)行模擬化，便于管理人員進(jìn)行預(yù)測和計算。Mohan等[17]采用BIOWIN軟件對舊的污水處理廠進(jìn)行改造，提出的方案是加入一個中間的虛擬缺氧區(qū)，實現(xiàn)硝化反硝化和總?cè)芙饬椎耐瑫r去除，并對模型進(jìn)行了校正，用實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。Badeti等[18]以悉尼中央公園購物中心的污水處理廠污水水質(zhì)為原型，利用BIOWIN軟件模擬污水中尿液分離對生物處理過程的影響，并利用污水處理廠的污水?dāng)?shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，獲得了較好的結(jié)果，有助于人們理解污水中尿液分離對污水處理廠帶來的出水水質(zhì)提升、能耗及溫室氣體排放的減少。本文采用BIOWIN軟件對倒置AAO-MBR一體化工藝處理方案進(jìn)行模擬優(yōu)化。

3.1 工藝概化模型

根據(jù)對該高濃度生活污水處理的方案設(shè)計，采用BIOWIN軟件建立了圖2的倒置AAO-MBR概化模型。

圖2 倒置AAO-MBR概化模型

3.2 數(shù)據(jù)調(diào)研處理

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

主要設(shè)計構(gòu)筑物參數(shù)如表3所示，倒置AAO-MBR一體化工藝模擬主要由缺氧池、厭氧池、兼氧池、生化池和膜生物反應(yīng)器組成，其中缺氧池、厭氧池、兼氧池和生化池的體積分別為42、35、60 m3和129 m3，表面積分別為15.56、12.96、22.22 m2和47.78 m2，深度均為2.7 m。膜生物反應(yīng)器的體積為60 m3，表面積為22.22 m2，深度為2.7 m，膜表面積為1 500.00 m2，曝氣器數(shù)量為44個。

表3 主要構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)

3.2.2 工藝運行優(yōu)化條件

根據(jù)現(xiàn)場生活污水水質(zhì)特點，相關(guān)參數(shù)及設(shè)計運行數(shù)據(jù)如表4～表6所示。進(jìn)水流量為500 m3/d，進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為350.00 mg/L，TN質(zhì)量濃度為50.00 mg/L，TP質(zhì)量濃度為4.00 mg/L，pH值為7.00，堿度摩爾濃度為6.00 mmol/L，SS質(zhì)量濃度為100.00 mg/L，Ca2+質(zhì)量濃度為80.00 mg/L，Mg2+質(zhì)量濃度為15.00 mg/L，膜回流泵的恒定功率為10 kW，可用于后續(xù)經(jīng)濟(jì)成本的計算。

表4 設(shè)計運行數(shù)據(jù)

表5 泵/管道參數(shù)

表6 設(shè)計運行參數(shù)

3.2.3 模擬運行結(jié)果

模擬運行結(jié)果如表7所示，經(jīng)過膜生物反應(yīng)器處理，出水CODC、TP、BOD5、亞硝酸鹽+硝酸鹽、TN、堿度、pH、氨氮、硝酸鹽均達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ級的水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其中，CODCr、TP、BOD5、TN、氨氮去除效率為9.55、0.13、0.72、4.31、0.01 kg/d，堿度去除效率為1.58 kmol/d。以上結(jié)果說明，BIOWIN軟件能夠很好地模擬倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水，使生活污水出水指標(biāo)能夠達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。同樣，BIOWIN軟件也能成功模擬其他污水處理工藝的運行。Li等[19]采用BIOWIN計算機(jī)建模軟件對膜曝氣生物反應(yīng)器(MABR)不同水力停留時間的反應(yīng)性能進(jìn)行模擬。在所有試驗條件下，4次比較研究表明，模擬值與實測值的相對誤差分別小于11.7%、12.4%、12.9%、4.3%，說明BIOWIN能夠很好地反映MABR的實際運行性能。Soliman等[20]采用BIOWIN軟件模擬實驗室規(guī)模序批式活性污泥法(SBR)處理工藝處理高氮污水的長期動態(tài)行為，經(jīng)校準(zhǔn)后的模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測不同操作條件下的SBR處理工藝的日出水氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、堿度和pH，成功模擬SBR工藝處理高氮污水。

表7 模擬運行結(jié)果

4 工程調(diào)試和運行

4.1 工程調(diào)試

采用原水稀釋帶負(fù)荷啟動，在MBR生化池內(nèi)先少量進(jìn)水，控制好氧池的CODCr質(zhì)量濃度≤200 mg/L，在啟動時根據(jù)原水的特性投加一定量的葡萄糖(工業(yè)級，河北楚巖環(huán)?？萍加邢薰?、尿素(工業(yè)級，山東金奧化工有限公司)和磷酸二氫鉀(工業(yè)級，河南泰清化工產(chǎn)品有限公司)，維持C∶N∶P(質(zhì)量比)為100∶5∶1。投加現(xiàn)有生活污水處理廠的MBR池污泥，控制MLSS質(zhì)量濃度在3 000 mg/L左右，開啟鼓風(fēng)機(jī)悶曝，控制池內(nèi)DO質(zhì)量濃度≤3.0 mg/L[21]。悶曝3 d后，鏡檢發(fā)現(xiàn)開始出現(xiàn)少量的豆形蟲等鞭毛類微生物，之后開始連續(xù)進(jìn)水，水量為設(shè)計負(fù)荷的1/5，開啟內(nèi)循環(huán)，循環(huán)量為200%。運行負(fù)荷逐漸增加，每運行1周增加1/5。

運行30 d后，MLSS質(zhì)量濃度增加到6 500 mg/L，CODCr的去除率在95%左右，鏡檢觀察到菌膠團(tuán)成塊狀，呈深褐色，有鐘蟲、盾纖蟲等，此時開始全負(fù)荷運行。在以后幾個月的運行中，進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度有時高于600 mg/L，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度高于70 mg/L，采用MBR工藝時CODCr去除率基本保持在95%左右，沒有出現(xiàn)大的波動。

4.2 運行監(jiān)測數(shù)據(jù)

穩(wěn)定運行期間7 d運行進(jìn)出水相關(guān)指標(biāo)如表8所示。出水CODCr質(zhì)量濃度在9.00～20.00 mg/L、氨氮為0，TN質(zhì)量濃度在8.00～10.00 mg/L、TP質(zhì)量濃度在0.10～0.30 mg/L，與BIOWIN軟件模擬倒置AAO-MBR工藝結(jié)果類似，出水指標(biāo)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ級的水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，運行數(shù)據(jù)驗證了BIOWIN軟件能夠成功模擬倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水。在對生活廢水的處理中，王旭東等[10]將自制高強(qiáng)度PVA親水性改性復(fù)合膜應(yīng)用于倒置AAO-MBR工藝中，處理模擬生活污水，使出水指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。劉圣根等[11]采用自行設(shè)計的MBR中試設(shè)備構(gòu)建倒置AAO-MBR工藝處理城市生活污水，也可使出水指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 運行費用

基于模擬設(shè)計運行對所產(chǎn)生的相關(guān)費用進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表9所示。倒置AAO-MBR系統(tǒng)運行所需要的費用主要包括電費、藥劑費用和人工費用，其中，該系統(tǒng)運行電費為0.857元/m3、藥劑費用為0.335元/m3，人工費用為0.066元/m3，合計運營費用需要1.258元/m3。在污水處理費用方面，Xu等[22]對AAO-MBR工藝處理生活污水時外部添加碳源(C-乙酸酯)和內(nèi)部污泥MHP法制備碳源(C-MHP)添加去除污水中的氮進(jìn)行了分析，研究表明，添加C-乙酸酯、C-MHP的脫氮成本為57.13、54.48元/kg。C-MHP具有經(jīng)濟(jì)可行性，可部分替代外部碳源進(jìn)行污水脫氮。但是，該研究僅計算了脫氮費用，AAO-MBR系統(tǒng)運行電費及其他費用并未計算在內(nèi)。

表9 運行費用

5 結(jié)論

采用多點進(jìn)水、倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水，處理后的出水指標(biāo)可以穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。另外，采用倒置AAO-MBR處理生活污水的成本為1.258元/m3。采用BIOWIN軟件對處理工藝進(jìn)行模擬，BIOWIN能夠成功模擬倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水，采用BIOWIN軟件可以進(jìn)一步對運行成本進(jìn)行優(yōu)化，減少藥劑投加量，降低經(jīng)濟(jì)成本。