膜生物反應(yīng)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,然而高能耗成為了 MBR 工藝在水處理領(lǐng)域進一步研究和應(yīng)用的最大瓶頸。 據(jù)統(tǒng)計,我國城市污水處理廠的平均電耗為 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(tǒng)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能耗問題尤為突出,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(yīng)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(wěn)定、污泥產(chǎn)量小等優(yōu)點,但同時系統(tǒng)存在運行成本過高的問題。 李捷等認為,3AMBR 工藝的能耗主要來源于降低膜污染、提高脫氮除磷效果而采取的強曝氣和內(nèi)循環(huán)的動力消耗。
基于 3AMBR 實際運行中存在的高能耗問題,本研究開展中試實驗,嘗試從改變進水、曝氣及內(nèi)回流比的方式對 3AMBR 工藝的優(yōu)化運行進行了研究,以期在無外加碳源的條件下,達到強化脫氮效率、節(jié)能降耗的目的,并研究可用于工程實際的工藝節(jié)能改造方案。
1 實驗材料及方法
1. 1 實驗進水
中試裝置搭建于昆明第四污水廠內(nèi),進水為經(jīng)污水廠三道格柵處理后的生活污水和污泥脫水原液,實驗期間進水水質(zhì)見表 1。 實驗進水水質(zhì)波動較大,其中 C / N(質(zhì)量比)為 5. 40,根據(jù)傳統(tǒng)脫氮理論,進水碳源稍顯不足,屬于低 C / N 值生活污水,脫氮難度較大。
表 1 進水水質(zhì)
1. 2 實驗裝置
中試裝置箱體采用鋼板焊接制備,設(shè)備有效容積為 L × W × H = 3. 9 m × 2 m × 2 m,設(shè)計污水處理量為1 m3·h - 1,采用昆明第四污水處理廠現(xiàn)有運行工藝,工藝流程為厭氧-缺氧-好氧-變化池-膜池(圖 1) ,該工藝對好氧池進行了分區(qū),好氧區(qū)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(xù)處理單元爭取更多碳源,同時可減少好氧停留時間、增加變化池停留時間,提高總氮去除效率。 各池體間用開孔鋼板分隔。 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。 總水力停留時間( hydraulic retention time,HRT)為 14. 04 h(其中:厭氧區(qū) 1. 08 h、缺氧區(qū) 7. 02h、好氧區(qū) 4. 32 h、膜區(qū) 1. 62 h) 。 該工藝設(shè)置了 3 個混合液回流: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,抽停時間比為 9 min / 1 min,每周進行一次維護性清洗( enhanced flux maintenance,EFM) 。 進水量、回流量與曝氣量主要通過電磁閥(2W- 250-25) 、液體電磁流量計(BTLD-20016 1110)與氣體流量計控制。
本研究優(yōu)選了 4 套實驗方案,其中方案 1 模擬昆明市第四污水處理廠處理工藝流程。 其他方案與方案 1 相比,主要調(diào)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,改變進水方式,考察多點進水運行工況的效果。 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(jié)果與討論
2. 1 實驗期間各方案水質(zhì)結(jié)果分析
中試 MBR 系統(tǒng)自 2014 年 5—12 月,進行了 200 d 左右的中試實驗,在去除了切換調(diào)試期后,穩(wěn)定期長達 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(jiān)測結(jié)果見圖 2。 出水在改變運行參數(shù)后略有波動,總體來說各方案 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(shù)傳統(tǒng)處理工藝,滿足城鎮(zhèn)污水處理廠一級 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 + 化學法外,其余皆采用生物法去除。
2. 1. 1 DO 值
由表 3 監(jiān)測結(jié)果可知,受節(jié)能措施的影響,各反應(yīng)池水體 DO 值均出現(xiàn)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一半的 DO 水平(0. 23 mg·L - 1) ,說明膜池液回流確實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;多點進水對 DO 值也產(chǎn)生了一定程度的影響,尤其是 2 個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(xù)處理單元對 COD 也有少量的去除作用。 改變運行參數(shù)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,不影響出水達標(均低于 30 mg·L - 1) 。 這表明,不同供氧方式及進水方式對 COD 處理效果的影響不大。 當改變供氧方式時(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生化降解,而該套工藝中由于膜系統(tǒng)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。 當采用多點進水時(方案 4) ,對碳源進行了重新分配,但未見缺氧池與變化池 COD 值出現(xiàn)明顯上升,主要原因是污泥濃度較高,有機物在反應(yīng)器前段快速被消耗,而本次實驗的采樣點則位于處理構(gòu)筑物的末端。
2. 1. 3 含氮污染物
TN 在各方案中均呈持續(xù)下降的趨勢,這主要是系統(tǒng)沿程實現(xiàn)了同步硝化反硝化作用的結(jié)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(zhuǎn)化跡象,這也與國內(nèi)外其他研究結(jié)果相似。
改造后的方案脫氮效率皆明顯提高。 方案 2 的污水進入系統(tǒng)后隨著 NH3 -N 濃度的持續(xù)下降,NO3 -N很好地穩(wěn)定在 2. 50 mg·L - 1左右,表明系統(tǒng)硝化/反硝化過程進行良好,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行反硝化作用。 但同時,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(dǎo)致反硝化過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(xiàn)相似的規(guī)律。
方案 4 采用分段進水的方式,雖然變化趨勢與方案 1 接近,并且也出現(xiàn)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/反硝化過程得以更好地進行,其中好氧 2 段至變化池末端,NO3 -N呈現(xiàn)明顯下降趨勢,出現(xiàn)二次反硝化作用,但與方案 2 對比,結(jié)合溶氧值與 COD 變化趨勢可知,主要是因為多點進水為處理流程末端反應(yīng)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(jié)果表明,多點進水可合理分配碳源,降低反應(yīng)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 + 化學除磷,在昆明市第四污水處理廠超細格柵之后投加鐵鹽(硫酸鐵) ,由圖 3( c)可知,在厭氧池末端已實現(xiàn)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所做研究可知,生物法 + 化學除磷法即使在 COD / TP < 20 時也可達到較好的除磷效果,且方法穩(wěn)定可靠。 本實驗中各方案除磷效果略有差別,主要是由于進水水質(zhì)變化造成。
2. 2 能效分析與討論
污水處理過程中的能耗主要是指電耗,據(jù)研究其中鼓風機、泵等設(shè)備的電耗通常占到總體直接能耗的60% ~ 90% 。 中試裝置預(yù)處理、出水消毒系統(tǒng)、污泥系統(tǒng)的耗電量參考污水廠的耗電量,由于中試裝置的曝氣設(shè)備直接接自昆明市第四污水處理廠的曝氣鼓風機,因此采用曝氣流量占鼓風機總流量的百分比來估算耗電量。 中試實驗用到的其他用電設(shè)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(shè)備均按污水廠的能耗水平分別進行了折算,具體見表 4。
表 4 MBR 中試裝置各方案能耗統(tǒng)計表
從污水廠的能耗分布看,曝氣和吹掃電耗合計達 0. 383 kWh·m - 3,占全廠總電耗的 62. 89% ,是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。 受規(guī)模效應(yīng)等的影響,中試裝置與污水處理廠的能耗比高達7. 65(折算后為2. 26) 。 折算結(jié)果顯示,方案 2、3 均實現(xiàn)了能耗的明顯降低,并且保證了良好的出水水質(zhì),說明減少曝氣是可行的節(jié)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(xiàn)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(jié)論是在中試特定的條件下獲得的。 方案 4 采用多點進水,能耗雖基本沒有變化,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。具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論及建議
本研究以實際城市污水為對象,構(gòu)建中試系統(tǒng),進行了長達200 余天的現(xiàn)場實驗,結(jié)論如下:1)減少曝氣是切實可行的節(jié)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(tǒng)出水的穩(wěn)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,并可同時實現(xiàn)脫氮效能;3)多點進水在降低反應(yīng)器前端污染負荷的同時,通過合理分配碳源改善了缺氧池的反硝化性能,進而提高了系統(tǒng)的整體處理能力,從而明顯提升了能效。
本實驗的 3 種優(yōu)化方案都是較行之有效的節(jié)能參考,運行中的污水處理廠可采用類似方案 1 的方式,通過適當降低曝氣強度達到節(jié)能;而對于新建或改造中的污水處理廠,建議設(shè)置多點進水,并輔以各單元回流量和曝氣量靈活調(diào)節(jié)的選擇,以實現(xiàn)污水處理能效的最大化。
