賈旭超,盛德洋,賀珊珊,*,萬年紅,余 軍,簡思鳳

(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.東莞市水務(wù)集團(tuán)有限公司,廣東東莞 523000)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民對美好生活的愿望越來越迫切。2015年,我國發(fā)布《水污染防治行動計劃》,要求到2030年,全國七大重點流域水質(zhì)優(yōu)良比例總體達(dá)到75%以上,城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。廣東省于2018年發(fā)布《關(guān)于全面攻堅劣V類國考斷面行動的命令》,要求在2020年基本消除劣V類水體。保護(hù)地表水體,對微污染水體進(jìn)行治理,符合我國國家政策需求。

地表水體主要污染物為氨氮、總磷(TP)等,而氨氮是常規(guī)工藝難以去除的污染物[1]。針對氨氮處理,目前采用的工藝有曝氣生物濾池、生物接觸氧化法、移動床生物膜反應(yīng)器(moving bed bio-film reactor,MBBR)等[2]。其中MBBR工藝作為近年來新興的工藝廣受關(guān)注[3]。周正興等[4]采用MBBR工藝對水源水中化學(xué)需氧量(COD)和氨氮進(jìn)行處理,氨氮、CODMn去除率分別為57.43%、20.27%。熊水應(yīng)等[5]討論了MBBR工藝處理微污染原水的影響因素,結(jié)果表明,去除率與溫度呈線性正相關(guān)關(guān)系,并總結(jié)設(shè)計中應(yīng)注意懸浮填料粒徑和密度、曝氣系統(tǒng)的選擇、空氣管路的布置等因素的影響。周家中等[6]介紹了國內(nèi)外共10個工程案例的純膜MBBR工藝在微污染水、工業(yè)廢水、市政污水、高氨氮廢水處理中的應(yīng)用情況。但MBBR工藝用于河道水質(zhì)處理的案例還較少,其在大型水質(zhì)凈化廠運行經(jīng)驗也缺乏總結(jié)。

本研究針對廣東某大型水質(zhì)凈化廠降氨氮項目(規(guī)模為260萬m3/d),討論了MBBR工藝對河道微污染原水的處理效果,通過中試研究分析影響該工藝氨氮去除性能的因素,提出調(diào)試及運行的改進(jìn)措施,為類似微污染水處理項目的工藝選擇和調(diào)試運行提供參考。

1 項目概況

1.1 項目背景

廣東某水質(zhì)凈化廠于2002年建成并投入運行,處理規(guī)模為260萬m3/d,實際運行規(guī)?？蛇_(dá)280萬m3/d,主要定位于解決東莞運河河道黑臭問題。將污染河水抽取后,采用一級混凝沉淀工藝,削減水體懸浮物(SS)、有機(jī)物和TP等污染物。隨著環(huán)保要求提高,該廠下游的運河國考斷面面臨不達(dá)標(biāo)問題,因此,擬利用該廠進(jìn)一步提標(biāo)處理河水。2018年—2019年的斷面水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)顯示,主要超標(biāo)污染物為氨氮(長期超標(biāo)2倍有余),故本次提標(biāo)改造工程的重點為去除河水中的氨氮,以滿足河道斷面考核要求。

1.2 工藝設(shè)計

該水質(zhì)凈化廠原處理工藝為“粗/細(xì)格柵+平流沉砂池+絮凝反應(yīng)池+平流沉淀池”。本項目將原平流沉淀池末端45 m范圍改造為純膜MBBR工藝段,并新增進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、懸浮填料及配套在線監(jiān)測系統(tǒng)等。根據(jù)課題組前期研究成果[7],選取符合要求的懸浮填料進(jìn)行改造。根據(jù)廠區(qū)情況,純膜MBBR區(qū)停留時間僅為0.9 h。懸浮填料為高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì),其密度為0.94～0.97 g/cm3,填充率均為40%。純膜MBBR區(qū)設(shè)計硝化負(fù)荷大于0.174 kg氨氮/(m3·d),末端有效水深為3.5 m,采用側(cè)進(jìn)側(cè)出微動力混合池型,有利于降低水平流速,使懸浮填料流化均勻[8]。曝氣方式采用微孔與穿孔管聯(lián)用曝氣,為懸浮填料提供流化動力并實現(xiàn)充氧。改造后的工藝流程如圖1所示。

圖1 改造后的工藝流程Fig.1 Process Flow after Reconstruction

2 純膜MBBR工藝硝化性能的影響因素

本研究首先通過中試考察了水溫、氣水比、水力停留時間及填料填充率等運行條件對去除效果的影響。中試規(guī)模為1 m3/h,每格平面尺寸L×B×X=2 000 mm×600 mm×1 800 mm,有效水深為1.5 m,采用不銹鋼制成,進(jìn)出水設(shè)置隔網(wǎng),底部布置穿孔曝氣管。中試進(jìn)水采用工程MBBR池進(jìn)水,采用工程同樣的懸浮填料,材質(zhì)為聚乙烯(PE),單位尺寸為φ20 mm×10 mm,比表面積為800 m2/m3。試驗裝置如圖2所示。

注:尺寸單位為mm,標(biāo)高單位為m。圖2 試驗裝置Fig.2 Experiment Device

2.1 水溫

圖3是不同水溫情況下填料對氨氮的去除效果。2020年9月—2021年1月試驗平均水溫分別為31.3、26.9、24.6、19.7、17.1 ℃。當(dāng)溫度從31.3 ℃降低到24.6 ℃時,出水氨氮平均質(zhì)量濃度由0.17 mg/L降低至0.03 mg/L,去除率從93.86%升高至99.02%,主要是溫度過高會導(dǎo)致硝化細(xì)菌的酶蛋白部分失活,影響硝化作用;隨著溫度從24.6 ℃持續(xù)降低至17.1 ℃,出水氨氮平均質(zhì)量濃度升高至0.34 mg/L,去除率下降約9.77%,這是因為水溫降低,硝化細(xì)菌的酶活性降低,生物降解受到一定的抑制[9]。試驗結(jié)果表明,硝化細(xì)菌處在25 ℃左右水溫時,其對氨氮的去除效果最佳。

圖3 溫度對氨氮去除效果的影響Fig.3 Effect of Temperatures on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

2.2 氣水比

由圖4可知,當(dāng)氣水比從0.75∶1升高至1.50∶1時,出水氨氮平均質(zhì)量濃度由0.75 mg/L降低至0.08 mg/L,平均去除率由79.53%增加至94.56%;當(dāng)氣水比從1.50∶1增加至2.00∶1時,出水氨氮平均質(zhì)量濃度從0.08 mg/L升高至0.29 mg/L,平均去除率從94.56%降低至91.76%?？梢钥闯?隨著氣水比的提高,純膜MBBR池對氨氮的去除率先增加后減少,最優(yōu)氣水比為1.50∶1。但當(dāng)氣水比為0.75∶1時,出水氨氮質(zhì)量濃度多數(shù)在0.30～0.63 mg/L,且懸浮填料的流化效果穩(wěn)定。這說明在保證溶解氧充足的情況下,低氣水比也可滿足純膜MBBR池對氨氮去除的要求。結(jié)合氨氮去除效果、水體擾動程度及節(jié)能降耗等因素,可以考慮在氨氮進(jìn)水濃度較低時適當(dāng)減少氣水比,此時依然能滿足出水要求。

圖4 氣水比對氨氮去除效果的影響Fig.4 Effect of Air-Water Ratios on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

2.3 水力停留時間

如圖5所示,當(dāng)水力停留時間從81 min降低到54 min時,平均出水質(zhì)量濃度從0.07 mg/L升高至0.17 mg/L,平均去除率從97.24%降低到94.00%,出水均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這是因為水力停留時間越長,水力負(fù)荷越小,污染物與生物膜接觸就越充分,有利于氨氮被硝化。根據(jù)試驗結(jié)果及工程水量要求,水力停留時間選取54 min較為適合,但其水力負(fù)荷為66.67 m3/(m3·d),是凈化廠實際值的6倍,且出水氨氮濃度遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),因此,可繼續(xù)適當(dāng)縮短水力停留時間。

圖5 水力停留時間對氨氮去除效果的影響Fig.5 Effect of Hydraulic Retention Time on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

2.4 填料填充率

由圖6可知,當(dāng)填充率從30%增加到40%時,出水氨氮平均質(zhì)量濃度從0.28 mg/L降低至0.07 mg/L,平均去除率由91.00%增加至97.79%;當(dāng)填充率從40%增加到50%時,出水氨氮質(zhì)量濃度由0.07 mg/L升高至0.34 mg/L,去除率降低了8.56%?？梢钥闯?隨著填充率的增加,氨氮的去除效果先提高后降低。主要原因是填料為微生物提供生長的載體,填充率增加,附著在填料表面的硝化菌數(shù)量也相應(yīng)增加,從而能更好地進(jìn)行硝化作用。但增加懸浮填料填充率的同時,還應(yīng)保證具有良好的流化狀態(tài),當(dāng)填充率過大時,流化程度降低,處理效果也會受到影響。試驗結(jié)果表明,填料的最佳填充率為40%。

圖6 填充率對氨氮去除效果的影響Fig.6 Effect of Filling Ratios on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

3 調(diào)試及運行經(jīng)驗總結(jié)

(1)水質(zhì)凈化廠進(jìn)水氨氮濃度偏高時,出水氨氮濃度也隨之升高,這導(dǎo)致出水有超標(biāo)的風(fēng)險,可在一定的范圍內(nèi)通過增加曝氣量進(jìn)行調(diào)節(jié),規(guī)避該風(fēng)險。同時,建議MBBR工藝建立自動水質(zhì)檢測系統(tǒng)及曝氣系統(tǒng),對進(jìn)水氨氮數(shù)據(jù)進(jìn)行精確把控,每日定時進(jìn)行水質(zhì)巡查,當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度增大時,及時通過曝氣量的調(diào)節(jié)以確保出水達(dá)標(biāo)。

(2)廠區(qū)停水檢修7 d,恢復(fù)通水后MBBR系統(tǒng)對氨氮的去除效果顯著降低,且恢復(fù)周期較長(一般為8～10 d),主要是因為部分生物膜在停水狀況下死亡脫落,填料上新附著的生物膜抗沖擊負(fù)荷能力較弱,高水量不利于其生長成熟[10]。停水檢修時,可采取每日對填料進(jìn)行適當(dāng)?shù)膰娏芤员３治⑸锘钚?。此?恢復(fù)通水時,應(yīng)先采取低負(fù)荷水量進(jìn)水,促進(jìn)生物掛膜,再根據(jù)出水水質(zhì)情況逐步增大進(jìn)水閘門開啟度,直至系統(tǒng)正常運行。

(3)純膜MBBR生物池在運行過程中,維持流化性能,保證懸浮填料不在末端堆積尤為重要。且大型水質(zhì)凈化廠沉淀池與生物膜池共建,堆積后易形成填料在整個沉淀池漂浮,影響沉淀性能同時影響系統(tǒng)的硝化性能。在運行時,尤其需要加強(qiáng)對MBBR生物池水位的巡視和觀測,當(dāng)攔網(wǎng)液位差為30～60 mm以上時,應(yīng)及時提高曝氣量促進(jìn)填料流化;當(dāng)液位差大于60 mm以上時,應(yīng)迅速開啟末端攔網(wǎng)處的應(yīng)急吹掃管進(jìn)行沖刷,提高填料的流化程度,促進(jìn)液位恢復(fù)正常。按照水池排布單組逐個進(jìn)行檢修,保證水量均勻分配,減少水流沖擊填料。定期使用高壓水槍清洗篩網(wǎng),并適當(dāng)增加篩網(wǎng)高度。

(4)該水質(zhì)凈化廠自全面投產(chǎn)運行1年后,發(fā)現(xiàn)MBBR生物池的進(jìn)出水渠、攔截網(wǎng)及填料中出現(xiàn)淡水殼菜滋生現(xiàn)象,對填料的流化狀態(tài)和廠區(qū)的最優(yōu)運行工況造成一定的影響。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)及進(jìn)行小試試驗后,可采取一些解決措施:投加次氯酸鈉、高錳酸鉀等藥劑對淡水殼菜進(jìn)行殺滅或通過加大曝氣量沖刷淡水殼菜使其脫落,并進(jìn)一步提高對氨氮的去除效果。但是,對于這些措施是否適用于工程實際運行情況,仍需進(jìn)一步探究。

(5)當(dāng)含油廢水排入運河后,油層覆蓋水面,阻礙空氣向水中擴(kuò)散,導(dǎo)致溶解氧減少,使水體變臭,水生生物死亡。應(yīng)在前端設(shè)置隔油池或在沉淀池進(jìn)水處安裝撇油裝置,將含油廢水截流、收集處理,減少環(huán)境危害,保證后續(xù)生物膜法的去除效率;并通過加大曝氣量,有效提升水體的溶解氧水平,加強(qiáng)MBBR區(qū)域水體的流動性。

4 改造后工程運行效果

廣東某水質(zhì)凈化廠通水調(diào)試后,向MBBR生物池分批投加懸浮填料,5 d后表面已附著生物膜,30 d后生物膜已完全覆蓋,3個月后系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài),生物膜厚度均勻,微生物以后生動物為主,懸浮填料流化狀態(tài)良好,氨氮去除率達(dá)到84%以上。

本次研究收集并整理了該廠的運行數(shù)據(jù),統(tǒng)計出純膜MBBR生物池每月的進(jìn)出水質(zhì)情況(月平均值),考察進(jìn)出水CODMn、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮、TP、SS的情況。該廠純膜MBBR工藝段運行參數(shù)如下:水溫為17～29 ℃、氣水比為1.30∶1～1.70∶1、水力停留時間為0.8～0.9 h、填料填充率為40%、pH值為6.7～7.4。

4.1 CODMn和BOD5的去除效果

由圖7可知,MBBR系統(tǒng)進(jìn)水CODMn質(zhì)量濃度為14～48 mg/L,平均值為25 mg/L,出水CODMn質(zhì)量濃度為11～30 mg/L,平均值為19 mg/L,去除率為0.00～63.33%,平均值為24.11%。MBBR系統(tǒng)進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度為1.0～9.9 mg/L,平均值為4.2 mg/L,出水BOD5質(zhì)量濃度為0.8～7.5 mg/L,平均值為2.7 mg/L,去除率為0.00～70.49%,平均值為35.03%。與國內(nèi)報道[4-6]相比,本研究去除率相對較高。

4.2 氨氮和TP的去除效果

改造前(2020年1月—7月)的進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為3.39 mg/L,出水氨氮平均質(zhì)量濃度為2.98 mg/L,平均去除率僅為12.09%,系統(tǒng)對氨氮幾乎沒有去除能力;進(jìn)水TP平均質(zhì)量濃度為0.286 mg/L,出水TP平均質(zhì)量濃度為0.196 mg/L,平均去除率為31.47%。從8月開始對沉淀池進(jìn)行改造,投加懸浮填料后其表面迅速生長、富集硝化菌生物膜,使系統(tǒng)的硝化性能得到明顯提升,經(jīng)3個月的運行調(diào)試后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。改造后(2020年11月—12月)的進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為3.17 mg/L,出水氨氮平均質(zhì)量濃度為0.47 mg/L,平均去除率達(dá)到85.17%(圖8),與中試結(jié)果相比較低。但氨氮去除率較改造前提高了73.08%,出水氨氮滿足GB 3838—2002的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)改造后系統(tǒng)進(jìn)出水TP平均質(zhì)量濃度分別為0.238 mg/L和0.104 mg/L,平均去除率從31.47%增加至56.30%,出水TP質(zhì)量濃度保持在0.100 mg/L左右,優(yōu)于設(shè)計要求。本工程主要聚焦于氨氮的去除效果,通過分析2021年及2022年的運行數(shù)據(jù),得出進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度分別為2.49 mg/L和1.92 mg/L,出水氨氮平均質(zhì)量濃度分別為0.30 mg/L和0.34 mg/L,平均去除率分別為87.95%和82.29%,對氨氮的去除效果趨于穩(wěn)定。

4.3 系統(tǒng)對SS的去除效果

改造前(2020年1月—7月)系統(tǒng)對SS的平均去除率為43%。由圖9可知,改造后(2020年11月—12月),SS出水平均質(zhì)量濃度為8 mg/L,平均去除率為57.15%,說明MBBR工藝對SS有一定的攔截作用,使得SS的去除效果得到一定的提高。

圖9 SS的去除效果(2020年)Fig.9 Removal Efficiency of SS (2020)

5 結(jié)論

(1)穩(wěn)定運行期間,廠區(qū)出水CODMn、BOD5、氨氮、TP和SS的平均質(zhì)量濃度分別為19、2.7、0.47、0.104 mg/L和8 mg/L,平均去除率分別為24.11%、35.03%、85.17%、56.30%和57.15%,滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)由試驗結(jié)果分析得出,MBBR最佳運行條件如下:水溫為25 ℃、氣水比為1.50∶1、水力停留時間為54 min、懸浮填料填充率為40%。該條件下,氨氮去除率可達(dá)97.79%,綜合考慮去除效果、水體擾動程度及節(jié)能降耗等因素,在進(jìn)水濃度較低時,可采用低氣水比運行。

(3)該廠純膜MBBR工藝段運行參數(shù)如下:水溫為17～29 ℃、氣水比為1.30∶1～1.70∶1、水力停留時間為0.8～0.9 h、填料填充率為40%、pH值為6.7～7.4,與試驗結(jié)果基本吻合。

(4)水質(zhì)凈化廠出水氨氮濃度偏高時,可在一定的范圍內(nèi)通過增加曝氣量進(jìn)行調(diào)節(jié),規(guī)避該風(fēng)險;停水檢修后恢復(fù)通水時,應(yīng)先采取低負(fù)荷水量進(jìn)水,促進(jìn)生物掛膜,再根據(jù)出水水質(zhì)情況逐步增大進(jìn)水閘門開啟度,直至系統(tǒng)正常運行。

為解決系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的填料堆積、篩網(wǎng)堵塞及填料流失等問題,可通過加大曝氣量、啟用應(yīng)急吹掃管、保證配水均勻和使用高壓水槍清洗篩網(wǎng)等措施,保障系統(tǒng)硝化性能穩(wěn)定發(fā)揮,使出水氨氮滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);可通過投加次氯酸鈉、高錳酸鉀等藥劑對淡水殼菜進(jìn)行殺滅或通過加大曝氣量沖刷淡水殼菜使其脫落,進(jìn)一步提高對氨氮的去除效果;通過加大曝氣量,有效提升水體的溶解氧水平,加強(qiáng)MBBR區(qū)域水體的流動性,并將含油廢水截流、收集處理,減少環(huán)境危害。