張婉琴

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

煤作為最為原始的石化燃料，是替代石油生產(chǎn)能源燃料及高價(jià)值化學(xué)品的最佳選擇之一。目前，雖然煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中比例有所下降，但仍然占一次能源消耗的65%以上，其中，西部的煤炭資源占全國(guó)總量的60%以上。煤礦的開采及礦區(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)，2015年，我國(guó)煤礦礦區(qū)生活污水排放量超過8億m3。煤礦礦區(qū)生活污水具有典型的煤礦行業(yè)特點(diǎn)，礦區(qū)生活污水的特點(diǎn)在于沖洗水較多，污水水質(zhì)水量變化大，污染物(BOD5)濃度偏低，懸浮物濃度高。

而生活污水作為煤礦區(qū)三大水污染來源(礦井水、生活污水及煤化工廢水)，不少礦區(qū)生活污水只經(jīng)簡(jiǎn)單或常規(guī)二級(jí)工藝處理后直接排放，其排放水質(zhì)中仍含有相當(dāng)數(shù)量的COD、氮和磷，由此導(dǎo)致的接納水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日益尖銳。我國(guó)煤礦大多位于缺水的北方地區(qū)，由于煤礦行業(yè)特點(diǎn)和地理位置，煤礦企業(yè)既是用水大戶，同時(shí)又是缺水嚴(yán)重的部門。在礦區(qū)，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，同時(shí)近年國(guó)家或地方密集出臺(tái)新的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)管與處罰力度，污染入刑，環(huán)境征稅，極大地加重了煤礦企業(yè)環(huán)保壓力。因此，基于新形勢(shì)下，研究和開發(fā)先進(jìn)、高效的水污染關(guān)鍵控制技術(shù)及裝備，提升系統(tǒng)處理性能和出水品質(zhì)，將處理后的生活污水加以利用，實(shí)現(xiàn)污水資源化、改善用水矛盾、減少礦區(qū)環(huán)境污染、減輕環(huán)境征稅壓力、提高居民生活質(zhì)量，具有十分重要的意義。

基于上述，本研究擬采用多相泥膜耦合生物技術(shù)，通過多種類型的微生物菌群途徑形成具有有機(jī)負(fù)荷高、耐沖擊能力強(qiáng)、微生物濃度高、占地小、投資省、出水穩(wěn)定、操作靈活等特點(diǎn)的新型煤礦生活污水生物深度處理關(guān)鍵技術(shù)，將有效解決礦區(qū)生活污水常規(guī)處理中的不足之處，同時(shí)能夠適用于礦區(qū)低濃度生活污水的處理，最終出水滿足或優(yōu)于生產(chǎn)及雜用水要求，較好地為實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 不同生化工藝對(duì)比研究

1.1 不同生化工藝特點(diǎn)

傳統(tǒng)活性污泥法：傳統(tǒng)的好氧處理難以耐受污染物濃度過高的廢水，通常應(yīng)用于低濃度的有機(jī)廢水處理(COD<1 000 mg/L)，或作為厭氧處理的后段工藝。這種傳統(tǒng)的好氧活性污泥法最大的缺點(diǎn)之一就是在于由于活性污泥以絮體形式存在，污泥濃度普遍不高(約2～4 g/L)，污泥絮體的沉降速率約在7～10 m/h，很難將廢水與污泥徹底分離，泥水沉降速度慢，污泥脫水困難，通常出水帶有懸浮污泥絮體，因此污泥的沉降速度直接決定泥水分離效果。此外，絮狀污泥繁殖過程中容易使得絲狀菌滋生，分泌過量的胞外聚合物，導(dǎo)致污泥膨脹，污泥產(chǎn)生大量泡沫，使得處理效果下降。

膜生物反應(yīng)器(Membrane Biological Reactor，MBR)：這是一種結(jié)合了膜過濾與生物降解的廢水處理工藝，可以將反應(yīng)器內(nèi)的固體污染物、污泥、致病菌，甚至是大分子污染物截留，只允許水和小分子物質(zhì)通過，在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了固液分離，出水水質(zhì)好。污泥停留時(shí)間長(zhǎng)，能夠維持一個(gè)較高的污泥濃度(通常可達(dá)6～8 g/L，最高可達(dá)12 g/L)，使得污泥負(fù)荷降低，另外，較長(zhǎng)的污泥停留時(shí)間還可使微生物通過自身的內(nèi)源呼吸減少污泥產(chǎn)量[1]。

MABFT：改進(jìn)型高密度曝氣生物流化床，該工藝屬于生物膜與普通活性污泥法的耦合工藝，內(nèi)置的高親和性生物填料能形成較厚的生物膜，與懸浮的活性污泥同時(shí)利用不同的途徑降解廢水中的污染物。好氧處理的關(guān)鍵在于好氧微生物，微生物的濃度和活性，包括微生物的種群豐度決定了整個(gè)處理系統(tǒng)的優(yōu)劣。目前，大部分的好氧生物處理工藝中的污泥濃度并不高，通常在1～2 g/L，對(duì)生活污水中微量的污染物的處理顯得十分吃力。MABFT是一種具有生物增濃效果的生化工藝，其中的高密度生物載體填料能有效保留活性污泥，并維持微生物量在一個(gè)較高的水平。

1.2 不同生化工藝對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用廢水為人工模擬的煤礦生活污水，使用試劑包括葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀、磷酸二氫鈉、碳酸氫鈉，每升廢水中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))。

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。運(yùn)行開始向反應(yīng)器內(nèi)投加生活污水廠活性污泥，污泥初始量為2 g/L，反應(yīng)器水利停留時(shí)間6 h，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)器內(nèi)部裝有微濾膜組件，膜組件為中空纖維膜，膜材質(zhì)為PVDF(聚偏氟乙烯)，膜孔徑0.1 μm，膜面積5 m2，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。

1.3 微生物富集對(duì)比分析

MABFT池內(nèi)的總污泥濃度與普通活性污泥法的微生物累積情況如圖1所示。在連續(xù)15 d的運(yùn)行過程中，MBR池、MABFT池和普通活性污泥池內(nèi)的污泥總濃度均呈上升趨勢(shì)，0 d、5 d、10 d和15 d時(shí)，MABFT池內(nèi)總污泥濃度分別達(dá)到2.0 g/L、4.4 g/L、5.8 g/L和6.3 g/L，普通活性污泥池中的污泥濃度最高僅為3.6 g/L，僅為MABFT的生物增濃效果的一半。

圖1 不同反應(yīng)器運(yùn)行過程中總污泥濃度的變化圖

微生物的增殖主要是活性污泥以污水中的有機(jī)物為碳源，其他無機(jī)物為生長(zhǎng)元素，通過自身的細(xì)胞復(fù)制實(shí)現(xiàn)的。MABFT池內(nèi)由于填充有高密度生物載體填料，顆粒態(tài)填料直接投加入生化反應(yīng)器內(nèi)部，填充比也為30%，填料由于密度小，填充初期浮于反應(yīng)器上部，隨著時(shí)間延長(zhǎng)和掛膜量的增加，填料逐漸下沉，并隨著曝氣作用在反應(yīng)器內(nèi)部呈流化態(tài)。該填料對(duì)活性污泥具有較強(qiáng)的親和性，能夠使得微生物附著在填料上生長(zhǎng)，微生物分泌的胞外聚合物通過電荷作用相互吸附，不易流失，能夠盡可能多地將活性污泥保留在反應(yīng)器內(nèi)，這樣，其產(chǎn)生的剩余污泥量也相對(duì)較少。顆粒式填料空隙直徑大，活性污泥更容易進(jìn)入到填料內(nèi)部，形成較為密實(shí)的菌膠團(tuán)，生物膜厚度大，因此微生物附著的量更大；同時(shí)，呈流化態(tài)的顆粒式填料大大增加了與微生物的接觸效率，增加了微生物附著生長(zhǎng)的可能。大量研究表明，生物膜的最大優(yōu)勢(shì)是能夠提升固體表面上的微生物活性[2]。而生物膜的活性更大程度上取決于所形成膜的厚度，生物膜越厚，其生物活性越高[3]。

1.4 對(duì)COD的去除效果對(duì)比

好氧生物處理的主要作用之一是去除污水中的COD(有機(jī)和無機(jī)污染物)，本試驗(yàn)中，模擬煤礦生活污水中的COD 主要為葡萄糖，為生物易降解物質(zhì)，因此各反應(yīng)器出水的COD濃度均較低。如圖2所示，普通活性污泥法出水COD最高，且MABFT的平均COD約20 mg/L，MBR則小于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。郭海林等人利用MBR處理農(nóng)村生活污水時(shí)，其對(duì)污水COD的去除率超過95%[4].

圖2 不同好氧工藝對(duì)污水COD的去除圖

1.5 對(duì)氮污染物的去除對(duì)比

由于硝化過程是在好氧條件下完成的，且傳統(tǒng)的硝化菌為自養(yǎng)菌，通常自養(yǎng)菌對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)元素的競(jìng)爭(zhēng)不如異養(yǎng)菌，因此，該過程容易受到水中有機(jī)物濃度(基質(zhì))的影響，有機(jī)物濃度過高，則會(huì)抑制硝化菌的生長(zhǎng)，即C/N越高，硝化效率越低，好氧微生物越活躍。目前，有不少學(xué)者研究好氧異養(yǎng)型硝化菌，以有機(jī)物為電子供體，希望減少硝化菌的營(yíng)養(yǎng)物抑制作用。而傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝能夠處理一些常規(guī)的廢水，具有較好的脫氮效果，但是很難應(yīng)對(duì)高氨氮的化工廢水。

模擬煤礦生活污水中的含氮污染物主要有氨氮和硝態(tài)氮，其中氨氮的去除主要是通過好氧微生物(硝化菌)在有氧條件下將其氧化成硝態(tài)氮或者亞硝態(tài)氮。

圖3(a)為各反應(yīng)器中出水氨氮隨時(shí)間的變化情況，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)微生物有截留和富集作用，使得硝化細(xì)菌不易流失，更容易發(fā)揮硝化作用。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。

在一般情況下，TN的脫除主要發(fā)生在厭氧和兼氧條件下的反硝化作用，好氧工藝對(duì)廢水中總氮幾乎沒有去除作用。但是從圖3(b)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，在不同的好氧生物反應(yīng)器中，微生物對(duì)模擬廢水中的TN均有不同程度的去除。其中以MABFT反應(yīng)器的脫氮效果最好，運(yùn)行后期出水總氮濃度約15 mg/L左右，普通活性污泥反應(yīng)器出水總氮約為20 mg/L，單獨(dú)MABFT、MBR及普通活性污泥法三者的總氮去除率分別為40%、28%和20%.

圖3 各好氧生化反應(yīng)器對(duì)污水中氮元素的去除圖

MABFT池之所以能有較好的TN去除效果，主要原因在于廢水中的有機(jī)物大部分被好氧菌利用，因此供給生物膜內(nèi)的反硝化菌碳源不足，導(dǎo)致其對(duì)TN的去除效率并不高。另外MBR池和普通活性污泥池的TN去除效果可能是由于部分硝酸鹽被微生物利用合成細(xì)胞物質(zhì)，MBR池內(nèi)的微生物濃度相對(duì)普通活性污泥池較高，因此，TN去除效果稍好。

在實(shí)驗(yàn)條件下，通過模擬水樣，對(duì)比普通活性污泥法、MBR工藝和MABFT試驗(yàn)工藝，我們發(fā)現(xiàn)：在低濃度廢水條件下，對(duì)微生物的富集作用MABFT>MBR>普通活性污泥法；對(duì)COD去除效果上，MBR>MABFT>普通活性污泥法；對(duì)N元素的去除效果方面，則是MABFT>MBR>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 中試樣品、流程及裝置

2.1 水樣來源及水質(zhì)

試驗(yàn)水樣取自余吾煤礦生活污水格柵井(調(diào)節(jié)池前端)，具體水質(zhì)如下：pH=6.87，COD188.4 mg/L，氨氮23.6 mg/L，總氮31.2 mg/L，總磷6.3 mg/L，SS 82 mg/L(水質(zhì)數(shù)據(jù)為試驗(yàn)期間取樣測(cè)定的平均值)。

2.2 中試工藝流程

生活污水現(xiàn)場(chǎng)中試流程如圖4所示。

圖4 生活污水現(xiàn)場(chǎng)中試流程圖

流程簡(jiǎn)述：污水由現(xiàn)有生活污水處理站內(nèi)格柵井經(jīng)泵打入中試處理系統(tǒng)調(diào)節(jié)池，通過提升泵打入兼氧反硝化池完成反硝化總氮脫除，出水自流依次進(jìn)入高密度曝氣生物增濃池、膜生物反應(yīng)器，經(jīng)生物強(qiáng)化處理后的出水膜的過濾下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)出水。

2.3 處理裝置與材料配置

試驗(yàn)采用包括調(diào)節(jié)池、兼氧池、MABFT池和MBR池組成的一體化裝置，如圖5所示。生活污水儲(chǔ)存在調(diào)節(jié)池，經(jīng)泵打入兼氧池，兼氧池泥水混合物流入MABFT池，最后污水經(jīng)MBR池處理后達(dá)標(biāo)排放。

圖5 生活污水現(xiàn)場(chǎng)中試驗(yàn)裝置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 多相泥膜耦合生物工藝對(duì)COD的去除

煤礦生活污水中的COD來源主要為食堂清洗廢水和生活沖洗水，同時(shí)伴隨少量的礦井有機(jī)污染物，這些污染物一部分被兼氧池內(nèi)的反硝化菌作為脫氮的碳源消耗，一部分被MABFT池和MBR池內(nèi)的好氧菌用于細(xì)菌的自身繁殖[5]。從圖6中的數(shù)據(jù)可以看出，煤礦生活污水的COD濃度范圍在150～220 mg/L，各生化池內(nèi)的COD濃度在調(diào)試期(1～10 d)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%，裴菲等人采用同步生物氧化工藝處理煤礦生活污水時(shí)對(duì)其COD的去除率也僅為80%[6].其中，MBR池主要是通過膜過濾作用深度去除MABFT池中微生物無法去除的污染物。同時(shí)數(shù)據(jù)表明，超過60%的COD是在兼氧段去除的，說明反硝化效果顯著。

圖6 各生化反應(yīng)池內(nèi)COD濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化圖

3.2 多相泥膜耦合生物工藝對(duì)氮污染物的去除效果

煤礦生活污水中的氨氮主要在好氧段的去除，氧氣充足條件下硝化菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，各生化反應(yīng)池內(nèi)氨氮濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化結(jié)果如圖7所示。兼氧池的氨氮濃度維持在6～10 mg/L，再經(jīng)MABFT處理后氨氮濃度均維持在1.0 mg/L左右，去除率達(dá)95%以上。通過對(duì)各池內(nèi)的不同氮元素形態(tài)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖8所示。兼氧池、MABFT池、MBR池出水的總氮濃度分別為11.0 mg/L、5.6 mg/L和4.7 mg/L，兼氧池內(nèi)氨氮占總氮的51.3%，主要是來自進(jìn)水，而MABFT池和MBR池內(nèi)主要以硝態(tài)氮為主。

圖7 各生化反應(yīng)池內(nèi)氨氮濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化圖

圖8 各生化反應(yīng)池內(nèi)總氮組分圖

3.3 多相泥膜耦合生物工藝對(duì)總磷的去除

目前，《工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的鍋爐補(bǔ)給水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總磷的排放標(biāo)準(zhǔn)為不超過1.0 mg/L，地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。本系統(tǒng)對(duì)煤礦生活污水進(jìn)行生物除磷，效果如圖9所示。煤礦生活污水中的總磷濃度偏高，基本在5～8 mg/L波動(dòng)，經(jīng)過多相泥膜耦合生物工藝處理后，去除率達(dá)到89%，效果顯著。

圖9 進(jìn)出水總磷隨運(yùn)行時(shí)間的變化圖

3.4 多相泥膜耦合生物工藝的參數(shù)優(yōu)化研究

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)，我們對(duì)工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，主要是通過改變生化系統(tǒng)的HRT和SRT。污水在系統(tǒng)中停留時(shí)間越長(zhǎng)，微生物接觸污染物的時(shí)間也越充分，更有利于除去污染物；同時(shí)污泥在系統(tǒng)中的停留時(shí)間長(zhǎng)短，將直接影響其與填料的接觸時(shí)間，理論上，污泥停留時(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)果如表1所示。

以上數(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，出水滿足地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)于《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)和《工業(yè)用水水質(zhì)》鍋爐補(bǔ)給水(表2)。

表1 多相泥膜耦合工藝不同運(yùn)行參數(shù)下處理煤礦生活污水的出水平均指標(biāo)

表2 出水水質(zhì)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 在低濃度廢水條件下，對(duì)微生物的富集作用MABFT>MBR>普通活性污泥法；對(duì)COD去除效果上，MBR>MABFT>普通活性污泥法；對(duì)N元素的去除效果方面，則是MABFT>MBR>普通活性污泥法。

2) 多相泥膜耦合工藝對(duì)煤礦生活污水效果比單一技術(shù)效果好，污水中多項(xiàng)污染物指標(biāo)均有明顯下降，出水中COD<30 mg/L，NH3-N<1.5 mg/L，TN<5.0 mg/L，TP<1.0 mg/L，達(dá)到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。