周 賀,高 陽,翟進(jìn)偉,張 振,薛 瑞

(北京亦莊水務(wù)有限公司，北京 100176)

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民生活水平提高、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，生活污水和工業(yè)污水排放量逐年增加，污水中含有大量的氮、磷等元素，處理不當(dāng)排放到自然界中，會造成水體富營養(yǎng)化，對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害[1]?；钚晕勰喾ㄊ悄壳疤幚沓鞘形鬯顬閺V泛的處理技術(shù)之一，對城市污水的處理具有效果好，基建投資少等優(yōu)點(diǎn)[2]。黨的“十八大”將生態(tài)文明建設(shè)納入“五位一體”中國特色社會主義總體布局，國家和人民對于生態(tài)環(huán)境愈發(fā)看重，污水排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，水污染排放標(biāo)準(zhǔn)中主要污染濃度的排放限值(出水排入Ⅳ、Ⅴ類水體中)國家標(biāo)準(zhǔn)和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)的對比見表1。由表1可知，北京市地方標(biāo)準(zhǔn)中相同污染物排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《北京市水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB11/307-2012)》替代《北京市水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB11/307-2005)》，排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)水處理工藝由于設(shè)計(jì)能力有限，且污染物排放濃度相較于初建時(shí)，有了較大的提高，剩余污泥量也逐漸增大，運(yùn)行成本較高，部分水處理廠剩余污泥處理成本占污水處理總成本的30%以上[3]。鑒于新建污水處理廠投資較高，新型水處理技術(shù)在現(xiàn)有污水處理廠提標(biāo)改造中有了越來越多的應(yīng)用[4]。

表1 國家標(biāo)準(zhǔn)和北京地方標(biāo)準(zhǔn)中主要污染物排放限值對比

2 MBBR和LSP工藝原理介紹

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR)是近年發(fā)展起來的新型、高效的生物法污水處理工藝。生物膜法是附著在載體或介質(zhì)表面上的細(xì)菌等微生物生長繁殖，形成膜狀活性生物膜，利用生物膜降解污水中的處理方法[5]。生物膜中的微生物以污水中的有機(jī)污染物為營養(yǎng)物質(zhì)，在新陳代謝過程中將有機(jī)物降解，同時(shí)微生物自身也得到增殖[6]。MBBR工藝是吸取了傳統(tǒng)的活性污泥法和生物接觸氧化法的有點(diǎn)，是一種新型、高效地復(fù)合工藝處理方法。其核心部分就是將比重接近水的懸浮填料直接投加到曝氣池中[7](圖1)，作為微生物的活性載體，依靠曝氣和水流的提升作用而處于流化狀態(tài)，當(dāng)微生物附著于載體上時(shí)，懸浮的載體在反應(yīng)器內(nèi)隨著混合液的回旋翻轉(zhuǎn)作用而自由移動(dòng)，達(dá)到污處理的目的[8]。

圖1 MBBR工藝流程

目前MBBR工藝在中小型生活污水及工業(yè)廢水處理中得到了較為廣泛的應(yīng)用，將MBBR系統(tǒng)直接嵌入到原污水處理系統(tǒng)中，每個(gè)載體內(nèi)外均有不同的生物種類，內(nèi)部生長一些厭氧菌或者兼氧菌，外部為好氧菌，每個(gè)載體都是一個(gè)微型反應(yīng)器，強(qiáng)化了污染物去除過程，有更好地去除效果[9]。載體上附著生長的微生物是傳統(tǒng)反應(yīng)器懸浮生長活性污泥的2～4倍，污染物去除效率大大提高。MBBR工藝改造過程簡單，將好氧池原有填料拆除，進(jìn)水端和出水端增設(shè)攔截鋼絲網(wǎng)，防止填料溢出，且MBBR載體多采用高密度聚乙烯材質(zhì)，適合量產(chǎn)，價(jià)格低廉[10]。

污泥減量化多段式工藝(Less Sludge Process，LSP)是利用折板將原有的好氧曝氣池分隔成多個(gè)單元，將好氧池內(nèi)傳統(tǒng)的生物膜掛片，如聚丙烯、聚乙烯等填料換成新型纖維填料，內(nèi)部構(gòu)造圖如圖2所示，將傳統(tǒng)的生物膜法進(jìn)行升級[11]。纖維填料具有超高的比表面積，比傳統(tǒng)材質(zhì)的生物膜更有利于微生物附著生長，掛膜效率更高，掛膜厚度也有較大增加，在掛膜過程成不同種類微生物會分層富集，層與層之間的微生物種類呈現(xiàn)出較大差異，在分層富集過程中，在生物膜表面會形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)、厭氧區(qū)，有利于微生物對污染物的深度處理[12]。經(jīng)厭氧池處理過的污水進(jìn)入到LSP工藝池中，通過設(shè)置折板改變進(jìn)水流向，增大污染物與生物膜的接觸范圍和時(shí)間，提高處理效率。傳統(tǒng)水處理工藝好氧池出水進(jìn)入到沉淀池內(nèi)污泥濃度約3000 mg/L，而SLP工藝由于污泥掛膜效率極高，且經(jīng)過多級處理后，后出水端污泥濃度比前端有了明顯的減少，出水端污泥濃度可降至1500 mg/L以下，較傳統(tǒng)水處理工藝，污泥濃度減少50%以上，大大降低了污泥處置費(fèi)用[13]。

LSP工藝改造過程中需將原好氧池進(jìn)行全面改造，重新懸掛填料，在原有空間內(nèi)設(shè)置隔板，由于前端和后端掛膜厚度有較大區(qū)別，前端微生物含量明顯高于后端[14]，所以設(shè)置曝氣系統(tǒng)中，每級折板分別配置曝氣管道，在實(shí)際運(yùn)行中，對分級隔板空間進(jìn)行曝氣量控制。纖維填料相較于傳統(tǒng)材質(zhì)的填料，價(jià)格較高，對于一般項(xiàng)目改造不建議使用，但對于一些污水處理費(fèi)用中污泥處置費(fèi)占較大比重的企業(yè)來說，LSP工藝有很好的應(yīng)用前景。

圖2 LSP工藝內(nèi)部構(gòu)造

3 研究方法及水質(zhì)指標(biāo)的測量方法

3.1 MBBR和LSP工藝在改造中的應(yīng)用

北京某食品加工企業(yè)，每天產(chǎn)生生產(chǎn)廢水30 t，廠區(qū)內(nèi)有一座污水處理站，設(shè)計(jì)處理能力為50 t/d，工藝流程圖見圖3，污水處理站為半地下混凝土建筑。該企業(yè)產(chǎn)生的廢水主要為食品加工過程中的淀粉廢水和少量生活污水。廢水經(jīng)過場站處理后排入市政管網(wǎng)中，排放標(biāo)準(zhǔn)按《北京市水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB11/307-2012)》執(zhí)行，主要水質(zhì)指標(biāo)排放限值見表2。原工藝能夠滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，由于該企業(yè)產(chǎn)品更新，生產(chǎn)工藝調(diào)整，新生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢水污染物濃度明顯提高，超出原污水站處理負(fù)荷，出水COD、BOD5和懸浮物濃度超標(biāo)。為滿足污染物排放要求，對該污水場站進(jìn)行升級改造，采用處理效率更高的MBBR工藝。

圖3 企業(yè)原污水處理站工藝流程

表2 排入市政管網(wǎng)中主要污染物排放限值

山東某制藥企業(yè)，日產(chǎn)廢水400 t/d，廠區(qū)內(nèi)自有一套污水處理設(shè)備，工藝流程圖如圖4所示，出水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 8978-1996)》中醫(yī)藥企業(yè)排放廢水的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。二沉池產(chǎn)生的污泥經(jīng)濃縮后，進(jìn)入板框壓濾車間，壓濾后污泥含水量約為65%。該企業(yè)出水各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到排放要求，但污水站運(yùn)行中會產(chǎn)生大量剩余污泥，該企業(yè)產(chǎn)生的污泥屬于危險(xiǎn)廢物，需專業(yè)機(jī)構(gòu)處理處置，費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通污泥處置費(fèi)用。采用LSP技術(shù)對該污水站進(jìn)行改造，從源頭上減少剩余污泥的產(chǎn)量。改造主要對好氧池進(jìn)行，增設(shè)折板，重新掛設(shè)纖維填料，將整個(gè)好氧池均分為6等分(圖5)，每個(gè)空間掛設(shè)等量填料。好氧池重新布設(shè)曝氣管道，每個(gè)隔板空間內(nèi)單獨(dú)布設(shè)曝氣管道，并設(shè)置閥門，每個(gè)隔板空間都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)曝氣量大小，每個(gè)隔板空間內(nèi)分別安裝在線溶解氧儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測溶解氧濃度。

圖4 企業(yè)污水處理站工藝流程

圖5 好氧池改造示意

3.2 水質(zhì)指標(biāo)的測量方法

該研究中對常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的測定方法詳見表3。

表3 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的測定方法

4 分析與結(jié)論

4.1 MBBR工藝應(yīng)用結(jié)果分析

新生產(chǎn)線產(chǎn)生的廢水中污染物濃度見表4。由表4可知，氨氮、總氮和總磷濃度不高，經(jīng)處理后能滿足排放要求。廢水中COD、BOD5和SS濃度較高，原水處理工藝不能滿足排放要求。該廢水其中BOD5/COD值大于0.5，表明生化性良好，可在原有工藝基礎(chǔ)上強(qiáng)化處理過程，改造后工藝流程圖見圖6。該廢水中懸浮物濃度較高，主要為食品加工過程中產(chǎn)生的淀粉等長鏈有機(jī)物[15]，生化過程處理能力有限，不能將大分子有機(jī)物完全分解。厭氧過程將長鏈有機(jī)物進(jìn)行充分的破裂分解形成單鏈可生物利用的單糖，將原有好氧段的聚丙烯固定填料改造成MBBR工藝段，投加高密度聚乙烯懸浮填料，在好氧池的進(jìn)水端和出水端設(shè)置攔截篩網(wǎng)，防止填料溢流。

表4 該企業(yè)產(chǎn)生的廢水中主要污染物濃度

調(diào)試過程中，使用原污泥濃縮池的污泥作為MBBR工藝段接種污泥。調(diào)試2個(gè)月后，出水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定。由圖7可知，出水COD、BOD5和SS濃度滿足《北京市水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB11/307-2012)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，相較于改造前出水水質(zhì)有了明顯改善。其中COD降低了30.8%，BOD5降低了42.8%，氨氮降低了25.0%，總氮降低了17.2%，SS降低了57.9%，總磷降低了26.7%。

圖6 改造后的工藝流程

MBBR工藝段每個(gè)填料都類似于一個(gè)微型反應(yīng)器，微生物在填料表面富集生長，形成生物膜，生物量較原來的好氧池有了明顯的增多，在曝氣作用下，水隨填料一起流化，水流紊動(dòng)程度加速了氣液界面的更新和氧的轉(zhuǎn)移，水、氣、固三相之間的傳質(zhì)良好，填料表面上生物膜活性更高[16]。由于填料屬于多孔立體結(jié)構(gòu)，曝氣過程中氧氣分布不均勻，會在填料不同空間內(nèi)分別形成好氧區(qū)、厭氧區(qū)和缺氧區(qū)，硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用和磷的吸附作用同時(shí)進(jìn)行，大大提高了污染物去除效率[10]。

圖7 改造前后主要水質(zhì)指標(biāo)對標(biāo)

4.2 LSP技術(shù)應(yīng)用結(jié)果分析

調(diào)試過程中，使用原板框壓濾后的污泥作為LSP工藝段的接種污泥，保持每個(gè)隔板空間內(nèi)溶解氧量保持在2～4 mg/L之間，經(jīng)過1個(gè)半月調(diào)試后，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，出水水質(zhì)穩(wěn)定，改造前后COD和BOD5出水水質(zhì)對比見圖8。由圖8可知，污水站改造后，COD和BOD5都有明顯降低，分別降低了11.7%和12.1%。每日產(chǎn)泥量(含水率為65%)見圖9，由圖9可知，每日產(chǎn)泥量從2.8 t/d降至0.91 t/d，降低了67.5%，大大降低了企業(yè)污泥處置費(fèi)用。

圖8 改造前后主要出水水質(zhì)指標(biāo)對比

圖9 改造前后每日產(chǎn)泥量對比

LSP工藝是利用微生物降解廢水中的有機(jī)物，達(dá)到污泥減量的功效，利用多級式設(shè)計(jì)使原水中的溶解性有機(jī)物首先被前端填料上的細(xì)菌及低等原生生物消耗，之后又被后端的后生生物捕食消耗[14]。低效的生物轉(zhuǎn)換，能量在從低營養(yǎng)級向高營養(yǎng)級的傳遞過程中會發(fā)生損失，食物鏈越長，能量損失越大。LSP工藝通過形成復(fù)雜的微生物食物鏈，消耗剩余污泥量，實(shí)現(xiàn)對污泥的減量化處理[12]。

4.3 結(jié)論

MBBR和LSP工藝在污水深度處理中優(yōu)勢明顯，污染物的處理效率高于傳統(tǒng)的活性污泥法。將傳統(tǒng)的好氧曝氣池改造為MBBR工藝時(shí)，COD降低了30.8%，BOD5降低了42.8%，氨氮降低了25.0%，總氮降低了17.2%，SS降低了57.9%，總磷降低了26.7%，污染物處理效率全面提升；LSP工藝在污泥減量化方面效果明顯，產(chǎn)泥量降低了67.5%，同時(shí)強(qiáng)化了處理系統(tǒng)的生化功能，COD和BOD5都有明顯降低，分別降低了11.7%和12.1%。LSP工藝能有效降低污泥處置費(fèi)用，對于污泥處置費(fèi)用占總運(yùn)行成本比重較大的企業(yè)，有很好的應(yīng)用前景。