張婉琴

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

煤礦的開(kāi)采及礦區(qū)居民的社會(huì)活動(dòng)將產(chǎn)生大量的生活污水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦區(qū)每年生活污水排放量超過(guò)8億m3。一方面大量的生活污水排放造成水體污染，另一方面企業(yè)用水矛盾突出。目前常用的煤礦區(qū)生活污水處理方法包括氧化溝、生物接觸氧化、人工濕地等，但存在成本高、處理效果不佳的問(wèn)題。因此，研發(fā)先進(jìn)、高效的煤礦區(qū)生活污水處理技術(shù)與工藝，提升系統(tǒng)處理性能和出水品質(zhì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)居民幸福指數(shù)的提升具有重要的意義。

1 煤礦區(qū)生活污水特征及處理技術(shù)趨勢(shì)

1.1 煤礦區(qū)生活污水特征

文獻(xiàn)[1]統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，我國(guó)主要產(chǎn)煤省區(qū)各煤礦的300余組監(jiān)測(cè)結(jié)果中BOD5濃度為6.8～308.7 mg/L，其中，超過(guò)100 mg/L、150 mg/L和200 mg/L的分別占9.7%、3.3%和1.5%。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，煤礦礦區(qū)生活污水的BOD5顯著低于城市污水中的濃度。

1.2 礦區(qū)生活污水處理技術(shù)趨勢(shì)分析

生物膜法對(duì)污染物濃度較低的煤礦生活污水來(lái)說(shuō)，生物濾池更具有優(yōu)勢(shì)，但生物濾池對(duì)煤礦生活污水中的N、P去除效率偏低。目前，多相泥膜工藝聯(lián)用是生物膜工藝的發(fā)展趨勢(shì)，包括生物膜與MBR聯(lián)用、生物膜與藻類聯(lián)用等方式。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，在水資源日益短缺、工程效益優(yōu)先的情況下，礦區(qū)生活污水處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將向著高效、低能耗、適用、出水水質(zhì)穩(wěn)定的方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)礦區(qū)低溫、低濃度污水有較強(qiáng)的適用能力，能滿足環(huán)境提標(biāo)與中水回用的要求。

2 余吾煤礦礦區(qū)生活污水水質(zhì)特征

根據(jù)余吾礦區(qū)生活污水處理站調(diào)查取樣檢測(cè)，調(diào)節(jié)池的生活污水，水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)生活污水水質(zhì)指標(biāo)

3 生化工藝處理煤礦生活污水的試驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 生物試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1) 試驗(yàn)水質(zhì)確定。試驗(yàn)所用廢水為人工模擬的煤礦區(qū)生活污水[2]，廢水中COD=200 mg/L，氨氮=15 mg/L，總氮=25 mg/L，總磷=5 mg/L，微量元素營(yíng)養(yǎng)液0.1%(體積分?jǐn)?shù))。

2) 生物載體填料的篩選。傳統(tǒng)的生物膜工藝是以活性炭、組合填料、彈性填料等作為微生物載體實(shí)現(xiàn)微生物的富集，但是這些載體微生物親和性差，微生物容易隨污泥一起流失，需要不定期投加。相對(duì)于天然生物載體材料，人工合成類的載體更具有多面性和可控性，實(shí)驗(yàn)篩選的人工合成類填料材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 生物填料參數(shù)對(duì)照

3) 試驗(yàn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。MABFT反應(yīng)器為有效體積50 L的長(zhǎng)方體，35 cm×35 cm×60 cm，內(nèi)部填充40%高-密度生物載體填料，填料型號(hào)NC-5PPI。試驗(yàn)開(kāi)始后，首先向反應(yīng)器內(nèi)投放2 g/L活性污泥，經(jīng)6 h后生化污泥流至后端獨(dú)立沉淀池，沉淀池底部污泥經(jīng)回流泵打入MABFT池，污泥回流比1∶1，MABFT反應(yīng)器內(nèi)DO控制在2.0～5.0 mg/L，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行15 d。

MBR反應(yīng)器體積與MABFT池一致，反應(yīng)器內(nèi)部裝有微濾膜組件，膜組件為中空纖維膜，MBR后不設(shè)置沉淀池，進(jìn)水條件與運(yùn)行條件與MABFT池一致；另外設(shè)置一組普通活性污泥反應(yīng)池作為對(duì)照組，池體體積與運(yùn)行條件與MABFT池保持一致。

3.2 生化工藝對(duì)模擬煤礦生活污水污染物的去除

3.2.1 生化工藝對(duì)COD的去除效果

從圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，MBR相對(duì)于MABFT池的出水COD濃度更低，MABFT出水平均COD約20 mg/L，MBR平均COD小于20 mg/L。主要原因可能是MBR與MABFT池內(nèi)微生物濃度相對(duì)活性污泥法較高，大量的微生物對(duì)葡萄糖的利用更為充分。同時(shí)MABFT反應(yīng)器在5 d以后總污泥濃度達(dá)到4 g/L以上，生物膜初步形成，生物膜內(nèi)部微生物具有兼氧和厭氧功能，能從多個(gè)途徑降解COD，因此出水COD相對(duì)較低。MBR反應(yīng)器由于微濾膜的過(guò)濾作用，截留了大分子有機(jī)物和一些微生物胞外聚合物(EPS)，因此出水COD更低，效果更好。

3.2.2 生化工藝對(duì)COD的去除效果

好氧生物處理的主要作用之一是去除污水中的COD(有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物)，試驗(yàn)中模擬煤礦生活污水中的COD主要為葡萄糖，易降解，COD濃度較低。

圖1 生物工藝去除COD效果

試驗(yàn)出水氨氮濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。6 d之前，各反應(yīng)器出水氨氮濃度逐步降低，而后趨于穩(wěn)定，主要原因是模擬煤礦生活污水中的進(jìn)水氨氮濃度較低，0～6 d微生物正處于適應(yīng)階段，此時(shí)系統(tǒng)中的硝化細(xì)菌活性不高，后期硝化細(xì)菌逐漸被馴化，硝化效果逐步提升直到穩(wěn)定。試驗(yàn)穩(wěn)定條件下，各反應(yīng)器最終出水平均氨氮濃度分別為：活性污泥法1.8 mg/L、MBR工藝1.1 mg/L、MABFT工藝0.9 mg/L。MBR和MABFT對(duì)氨氮的去除效果均優(yōu)于普通活性污泥法，其主要原因也在于這兩種工藝對(duì)微生物的截留和富集作用，硝化作用明顯。模擬廢水中添加的碳酸氫鈉為硝化細(xì)菌提供了一定的堿度，也有助于提升硝化效果。

4 多相泥膜耦合生物工藝現(xiàn)場(chǎng)中試研究

由以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，單一的好氧工藝無(wú)法對(duì)煤礦生活污水中COD、氨氮及TN起到均衡有效的去除效果，因此為保證包括TN的去除，依然要結(jié)合兼氧/好氧生化系統(tǒng)。因此，選擇多相泥膜耦合生物工藝進(jìn)行余吾礦區(qū)生活污水處理的中試研究。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件及工藝流程

1) 水樣來(lái)源及水質(zhì)。水樣取自余吾煤礦生活污水格柵井，pH=6.87，COD188.4 mg/L，SS為82 mg/L，總氮為31.2 mg/L，氨氮為23.6 mg/L，總磷為6.3 mg/L。

2) 中試工藝流程設(shè)計(jì)。生活污水現(xiàn)場(chǎng)中試流程如圖3所示。

4.2 中試處理裝置與材料配置

試驗(yàn)裝置由調(diào)節(jié)池、兼氧池、MABFT池和MBR池組成。材料配置如圖4所示。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行條件

生化池進(jìn)水水量：40 L/h；兼氧池溶解氧濃度：0.5～1.5 mg/L；好氧池內(nèi)溶解氧濃度：3～6 mg/L。兼氧池內(nèi)加入100 mg/L葡萄糖作為反硝化碳源；MBR池設(shè)置污泥回流，總回流比為1∶1；水質(zhì)測(cè)定頻率1次/天，數(shù)據(jù)取平均值。試驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖5。

圖2 生物工藝去除氮元素效果

圖3 現(xiàn)場(chǎng)中試流程

圖4 中試處理裝置與材料配置

圖5 試驗(yàn)工藝流程

4.4 現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)結(jié)果分析

4.4.1 多相泥膜耦合生物工藝對(duì)COD的去除

如圖6所示，煤礦區(qū)生活污水的COD濃度在150～ 220 mg/L之間。在調(diào)試期(1～10 d)內(nèi)，各生化池內(nèi)的COD濃度逐漸下降，兼氧池-MABFT池-MBR池內(nèi)COD濃度逐步被消耗，MABFT池內(nèi)的污泥總濃度達(dá)到8.3 g/L，10 d后平均出水COD=22.3 mg/L，去除率達(dá)88.5%。超過(guò)60%的COD在兼氧段被去除，說(shuō)明反硝化效果顯著。

圖6 COD濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化

4.4.2 多相泥膜耦合生物工藝對(duì)氮污染物的去除

試驗(yàn)中對(duì)氮污染物濃度去除的結(jié)果如圖7所示。受MBR池回流污泥中硝化菌的硝化作用與污泥回流對(duì)原水稀釋的影響，兼氧池的氨氮濃度維持在6～10 mg/L，兼氧池的部分氨氮在被去除。由于MABFT內(nèi)置的高密度填料具有富集微生物作用，氨氮的去除效率95%以上。

如圖8所示，出水的總氮濃度：兼氧池11.0 mg/L、MABFT池5.6 mg/L、MBR池4.7 mg/L，兼氧池內(nèi)氨氮占總氮的51.3%；由于曝氣充足，MABFT池和MBR池內(nèi)主要以硝態(tài)氮為主，大部分的氨氮均氧化為硝態(tài)氮[3-4]。由于MABFT中的填料內(nèi)部的缺氧環(huán)境有利于反硝化菌的生長(zhǎng)，使部分總氮被去除[5]。

分析表明，該工藝的總氮去除率達(dá)到近80%，顯著高于常規(guī)生化工藝。

圖7 氨氮濃度隨時(shí)間的變化

圖8 總氮組分

4.4.3 多相泥膜耦合生物工藝對(duì)總磷的去除

如圖9所示，煤礦區(qū)生活污水中的總磷濃度偏高(5～8 mg/L)，經(jīng)過(guò)兼氧-MABFT-MBR系統(tǒng)處理后，出水總磷濃度顯著下降，最低達(dá)0.7 mg/L，去除率達(dá)到89%，效果顯著。

4.5 多相泥膜耦合生物工藝的參數(shù)優(yōu)化

為了進(jìn)一步提升多相泥膜耦合生物工藝對(duì)煤礦生活污水中污染物的去除，應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，主要是通過(guò)改變生化系統(tǒng)的HRT和SRT。污泥水在系統(tǒng)中停留時(shí)間越長(zhǎng)，填料附著的微生物量則會(huì)越大，但是基于在實(shí)際工程中應(yīng)用考慮，為了節(jié)省能耗，需要尋找到最佳的停留時(shí)間，即污泥回流比。參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3。

圖9 總磷的去除變化

表3 出水平均指標(biāo)

表3數(shù)據(jù)表明，在較高的HRT和較大的回流比作用下，多相泥膜耦合生物系統(tǒng)對(duì)煤礦生活污水的處理效果顯著提高，試驗(yàn)出水水質(zhì)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)出水水質(zhì)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 在低濃度廢水條件下，MABFT池對(duì)微生物的富集作用最高，其次為MBR，普通活性污泥法在低濃度廢水中無(wú)法維持較高的生物量；對(duì)COD去除效果MBR優(yōu)于MABFT優(yōu)于普通活性污泥法；對(duì)N元素的去除效果則是MABFT優(yōu)于MBR優(yōu)于普通活性污泥法。因此，為了進(jìn)一步提高煤礦生活污水的出水水質(zhì)，結(jié)合MABFT和MBR工藝是一種更為可行的協(xié)同處理工藝。

2) MABFT池內(nèi)的填料有助于富集活性污泥，顯著提升總氮和總磷去除效果，分別達(dá)到95%和89%.

3) 以“兼氧-MABFT-MBR”為主的多相泥膜耦合生物工藝處理煤礦區(qū)生活污水取得了良好效果，出水滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。