膜生物反應器(membrane bio-reactor,MBR)具有占地面積小、出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn),然而高能耗成為了 MBR 工藝在水處理領(lǐng)域進(jìn)一步研究和應用的最大瓶頸。 據統計,我國城市污水處理廠(chǎng)的平均電耗為 0. 29 kWh·m - 3,其中 MBR 工藝單位能耗是 0. 6 ~ 0. 9 kWh·m - 3,遠高于傳統生物處理工藝(0. 2 ~ 0. 3 kWh·m - 3) ,能耗水平與歐美等發(fā)達國家相比差距較大。 特別是處理低濃度有機物廢水時(shí)能耗問(wèn)題尤為突出,如何找到降低能耗、物耗的途徑是當前的迫切需要。
缺氧-厭氧-好氧膜生物反應器( anoxic-anaerobic-anoxic membrane bio-reactor,3AMBR)是具有高效脫氮除磷性能的新型 MBR 組合工藝。 該工藝具有出水水質(zhì)好、運行穩定、污泥產(chǎn)量小等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)系統存在運行成本過(guò)高的問(wèn)題。 李捷等認為,3AMBR 工藝的能耗主要來(lái)源于降低膜污染、提高脫氮除磷效果而采取的強曝氣和內循環(huán)的動(dòng)力消耗。
基于 3AMBR 實(shí)際運行中存在的高能耗問(wèn)題,本研究開(kāi)展中試實(shí)驗,嘗試從改變進(jìn)水、曝氣及內回流比的方式對 3AMBR 工藝的優(yōu)化運行進(jìn)行了研究,以期在無(wú)外加碳源的條件下,達到強化脫氮效率、節能降耗的目的,并研究可用于工程實(shí)際的工藝節能改造方案。
1 實(shí)驗材料及方法
1. 1 實(shí)驗進(jìn)水
中試裝置搭建于昆明第四污水廠(chǎng)內,進(jìn)水為經(jīng)污水廠(chǎng)三道格柵處理后的生活污水和污泥脫水原液,實(shí)驗期間進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表 1。 實(shí)驗進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大,其中 C / N(質(zhì)量比)為 5. 40,根據傳統脫氮理論,進(jìn)水碳源稍顯不足,屬于低 C / N 值生活污水,脫氮難度較大。
表 1 進(jìn)水水質(zhì)
1. 2 實(shí)驗裝置
中試裝置箱體采用鋼板焊接制備,設備有效容積為 L × W × H = 3. 9 m × 2 m × 2 m,設計污水處理量為1 m3·h - 1,采用昆明第四污水處理廠(chǎng)現有運行工藝,工藝流程為厭氧-缺氧-好氧-變化池-膜池(圖 1) ,該工藝對好氧池進(jìn)行了分區,好氧區前段(好氧 1 段)充分利用膜池回流的 DO,可減少曝氣器布置密度,后段(好氧 2 段)有機物濃度較低,減少曝氣器布置密度,為后續處理單元爭取更多碳源,同時(shí)可減少好氧停留時(shí)間、增加變化池停留時(shí)間,提高總氮去除效率。 各池體間用開(kāi)孔鋼板分隔。 膜組器采用簾式聚偏氟乙烯( polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纖維膜,膜孔徑≤0. 1 μm。
1. 3 中試裝置運行工況
中試裝置的污泥齡為 15 d,膜池約為 7 g·L - 1,好氧池與變化池約為 6 g·L - 1,厭氧池與缺氧池約為5 g·L - 1。 總水力停留時(shí)間( hydraulic retention time,HRT)為 14. 04 h(其中:厭氧區 1. 08 h、缺氧區 7. 02h、好氧區 4. 32 h、膜區 1. 62 h) 。 該工藝設置了 3 個(gè)混合液回流:膜池至好氧池( R1 ) 、好氧池至缺氧池(R2 ) 、變化池至厭氧池(R3 ) 。 產(chǎn)水由自吸泵間歇抽吸出水,抽停時(shí)間比為 9 min / 1 min,每周進(jìn)行一次維護性清洗( enhanced flux maintenance,EFM) 。 進(jìn)水量、回流量與曝氣量主要通過(guò)電磁閥(2W- 250-25) 、液體電磁流量計(BTLD-20016 1110)與氣體流量計控制。
本研究?jì)?yōu)選了 4 套實(shí)驗方案,其中方案 1 模擬昆明市第四污水處理廠(chǎng)處理工藝流程。 其他方案與方案 1 相比,主要調整如下:方案 2,完全停止好氧池曝氣,加大 R1 回流,主要考察膜池富余溶解氧利用替代曝氣的效果;方案 3,降低好氧池首段曝氣量,主要考察降低曝氣量的影響;方案 4,改變進(jìn)水方式,考察多點(diǎn)進(jìn)水運行工況的效果。 各方案運行的具體變量對比如表 2 所示。
表 2 3AMBR 中試實(shí)驗方案變量對比
1. 4 分析項目及方法
COD:《重鉻酸鉀法》 ( GB 11914-1989) ;TN:《過(guò)硫酸鉀氧化分光光度法》 ( GB I1894-1989 ) ;NH3 -N:《氨氮的測定-納氏試劑分光光度法》 ( HJ 535-2009 ) ;NO3 -N: 《硝酸鹽氮的測定-酚二磺酸分光光度法》(GB / T 7480-1989) ;TP:《鉬銻抗分光光度法》 (GB 11893-1989) ;DO:采用 HACH HQ-40-d 便攜式溶氧儀測量;MLSS:采用 HACH TSS 便攜式污泥濃度計測量;ORP:采用 HACH HQ-11-d ORP 計測量;pH:采用HACH pH 計測量;濁度:采用 HACH 2100N 濁度儀測量。
2 結果與討論
2. 1 實(shí)驗期間各方案水質(zhì)結果分析
中試 MBR 系統自 2014 年 5—12 月,進(jìn)行了 200 d 左右的中試實(shí)驗,在去除了切換調試期后,穩定期長(cháng)達 100 d(其中方案1 為70 d,方案2 為10 d,方案3 為10 d,方案4 為10 d) ,在此期間出水水質(zhì)良好,主要水質(zhì)主要指標監測結果見(jiàn)圖 2。 出水在改變運行參數后略有波動(dòng),總體來(lái)說(shuō)各方案 COD 出水均低于 30mg·L - 1,去除率可達 83. 10% ;出水 TN、NH3 -N、TP 的質(zhì)量濃度平均值分別 7. 09、0. 92 和 0. 33 mg·L - 1,去除率均值為 63. 06% 、81. 59% 、97. 05% ,優(yōu)于絕大多數傳統處理工藝,滿(mǎn)足城鎮污水處理廠(chǎng)一級 A 排放標準的要求(COD≤50 mg·L - 1,NH3 -N≤10 mg·L - 1,TP≤0. 5 mg·L - 1) 。 各污染物除 TP 采用生物 + 化學(xué)法外,其余皆采用生物法去除。
2. 1. 1 DO 值
由表 3 監測結果可知,受節能措施的影響,各反應池水體 DO 值均出現了不同程度的改變:方案 2 雖然完全停止了曝氣,但好氧 1 段仍保持了接近原來(lái)一半的 DO 水平(0. 23 mg·L - 1) ,說(shuō)明膜池液回流確實(shí)起到了補充溶解氧的作用;方案 3 則停止好氧 1 曝氣,該池 DO 值進(jìn)一步降低到約方案 1 的 1 / 4 水平(0. 13 mg·L - 1) ,膜池以外的各池 DO 水平非常接近,梯度不明顯;多點(diǎn)進(jìn)水對 DO 值也產(chǎn)生了一定程度的影響,尤其是 2 個(gè)好氧池和變化池形成了更好的 DO 值濃度梯度。
表 3 3AMBR 中試各單元溶解氧
2. 1. 2 有機污染物
各方案在運行期間均達到了較好的 COD 去除效果,去除率分別為 86. 23% 、 87. 47% 、 84. 79% 、89. 65% 。 從沿程污染物濃度變化情況(圖 3)可知,由于受到生化降解及回流液稀釋的作用,各方案 COD濃度在厭氧池下降幅度較大,可達到 81. 28% 以上,后續處理單元對 COD 也有少量的去除作用。 改變運行參數后(方案 2、方案 3 及方案 4) ,各單元 COD 去除率均略有下降,但與對照組相比差異并不顯著(zhù),不影響出水達標(均低于 30 mg·L - 1) 。 這表明,不同供氧方式及進(jìn)水方式對 COD 處理效果的影響不大。 當改變供氧方式時(shí)(方案 2 或方案 3)好氧池溶解氧均值低于 0. 25 mg·L - 1,與厭氧池、缺氧池 DO 梯度變小, MBR 工藝中有機物的去除主要通過(guò)生化降解,而該套工藝中由于膜系統的存在具有極好的泥水分離效果,污泥濃度高(5 ~ 8 g·L - 1) ,保證了 COD 的良好去除率。 當采用多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)(方案 4) ,對碳源進(jìn)行了重新分配,但未見(jiàn)缺氧池與變化池 COD 值出現明顯上升,主要原因是污泥濃度較高,有機物在反應器前段快速被消耗,而本次實(shí)驗的采樣點(diǎn)則位于處理構筑物的末端。
2. 1. 3 含氮污染物
TN 在各方案中均呈持續下降的趨勢,這主要是系統沿程實(shí)現了同步硝化反硝化作用的結果,各方案NH3 -N 和 NO3 -N 值沿程變化呈負相關(guān)性(圖 3( c) ,( d) ) ,兩者之間存在明顯的轉化跡象,這也與國內外其他研究結果相似。
改造后的方案脫氮效率皆明顯提高。 方案 2 的污水進(jìn)入系統后隨著(zhù) NH3 -N 濃度的持續下降,NO3 -N很好地穩定在 2. 50 mg·L - 1左右,表明系統硝化/反硝化過(guò)程進(jìn)行良好,其中好氧 2 段至變化池末端發(fā)生二次反硝化作用,分析原因主要是好氧 2 段與變化池中溶氧值(0. 09 mg·L - 1)較低,反硝化菌的活性高;最低的出水 TN 出水濃度證明:增加回流較其他手段更有利于氮的去除。
方案 3 降低曝氣量后,仍存在較高的 COD 和 NH3 -N 去除率,可能是存在兼型厭氧菌在低 DO 條件下利用有機碳源進(jìn)行反硝化作用。 但同時(shí),NH3 -N 要高于方案 2 和方案 3,TN 去除率不高,這是因為反硝化菌活性不高,亞硝酸還原酶的合成受到抑制,導致反硝化過(guò)程中亞硝酸鹽的積累,這也在孫家君等、周丹丹等的研究中也發(fā)現相似的規律。
方案 4 采用分段進(jìn)水的方式,雖然變化趨勢與方案 1 接近,并且也出現了較高的 NO3 -N 累積,但由于較為均勻地分配了氮負荷與碳源,硝化/反硝化過(guò)程得以更好地進(jìn)行,其中好氧 2 段至變化池末端,NO3 -N呈現明顯下降趨勢,出現二次反硝化作用,但與方案 2 對比,結合溶氧值與 COD 變化趨勢可知,主要是因為多點(diǎn)進(jìn)水為處理流程末端反應池提供了充足的碳源,所以沿程各項氮素指標均優(yōu)于方案 1,并最終達到了更好的脫氮效果。 結果表明,多點(diǎn)進(jìn)水可合理分配碳源,降低反應器前端負荷,從而提高脫氮效率。
2. 1. 4 含磷污染物
中試裝置除磷采用生物法 + 化學(xué)除磷,在昆明市第四污水處理廠(chǎng)超細格柵之后投加鐵鹽(硫酸鐵) ,由圖 3( c)可知,在厭氧池末端已實(shí)現了 TP 的有效去除,出水水質(zhì)均能達到 GB 18918-2002 一級 A 標的要求。 由張嚴嚴等、李捷等與隋軍等前期在昆明第四污水處理廠(chǎng)所做研究可知,生物法 + 化學(xué)除磷法即使在 COD / TP < 20 時(shí)也可達到較好的除磷效果,且方法穩定可靠。 本實(shí)驗中各方案除磷效果略有差別,主要是由于進(jìn)水水質(zhì)變化造成。
2. 2 能效分析與討論
污水處理過(guò)程中的能耗主要是指電耗,據研究其中鼓風(fēng)機、泵等設備的電耗通常占到總體直接能耗的60% ~ 90% 。 中試裝置預處理、出水消毒系統、污泥系統的耗電量參考污水廠(chǎng)的耗電量,由于中試裝置的曝氣設備直接接自昆明市第四污水處理廠(chǎng)的曝氣鼓風(fēng)機,因此采用曝氣流量占鼓風(fēng)機總流量的百分比來(lái)估算耗電量。 中試實(shí)驗用到的其他用電設備主要有:單相潛水泵(0. 75 kW,0. 37 kW) ,離心泵(0. 37kW,僅供出水、反沖洗用) ,為了在相同標準下比較,這些設備均按污水廠(chǎng)的能耗水平分別進(jìn)行了折算,具體見(jiàn)表 4。
表 4 MBR 中試裝置各方案能耗統計表
從污水廠(chǎng)的能耗分布看,曝氣和吹掃電耗合計達 0. 383 kWh·m - 3,占全廠(chǎng)總電耗的 62. 89% ,是節能降耗的關(guān)鍵。 受規模效應等的影響,中試裝置與污水處理廠(chǎng)的能耗比高達7. 65(折算后為2. 26) 。 折算結果顯示,方案 2、3 均實(shí)現了能耗的明顯降低,并且保證了良好的出水水質(zhì),說(shuō)明減少曝氣是可行的節能途徑;其中,增加回流、完全停止曝氣的方案 2 獲得了最低的能耗,并且表現出了最佳的脫氮能力,回流起到了代替曝氣、甚至更好的效果,當然這一結論是在中試特定的條件下獲得的。 方案 4 采用多點(diǎn)進(jìn)水,能耗雖基本沒(méi)有變化,但優(yōu)化了碳源配置,降低了好氧段首端的有機負荷,提高了脫氮效率,對出水水質(zhì)有明顯的改善作用,從而提高了污水處理的能效。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論及建議
本研究以實(shí)際城市污水為對象,構建中試系統,進(jìn)行了長(cháng)達200 余天的現場(chǎng)實(shí)驗,結論如下:1)減少曝氣是切實(shí)可行的節能途徑,即使好氧池在低溶氧(DO < 0. 3 mg·L - 1)狀態(tài)下運行,仍可保證系統出水的穩定達標排放;2)增加膜池回流比,可充分利用膜池富余溶解氧,起到部分或完全替代好氧池曝氣的效果,并可同時(shí)實(shí)現脫氮效能;3)多點(diǎn)進(jìn)水在降低反應器前端污染負荷的同時(shí),通過(guò)合理分配碳源改善了缺氧池的反硝化性能,進(jìn)而提高了系統的整體處理能力,從而明顯提升了能效。
本實(shí)驗的 3 種優(yōu)化方案都是較行之有效的節能參考,運行中的污水處理廠(chǎng)可采用類(lèi)似方案 1 的方式,通過(guò)適當降低曝氣強度達到節能;而對于新建或改造中的污水處理廠(chǎng),建議設置多點(diǎn)進(jìn)水,并輔以各單元回流量和曝氣量靈活調節的選擇,以實(shí)現污水處理能效的最大化。
