膜生物反应器(membrane bio-reactor,MBR)具有占地面积小、出水水质好、污泥产率低等优点,然而高能耗成为了 MBR 工艺在水处理领域进一步研究和应用的最大瓶颈。 据统计,我国城市污水处理厂的平均电耗为 0. 29 kWh·m - 3,其中 MBR 工艺单位能耗是 0. 6 ~ 0. 9 kWh·m - 3,远高于传统生物处理工艺(0. 2 ~ 0. 3 kWh·m - 3) ,能耗水平与欧美等发达国家相比差距较大。 特别是处理低浓度有机物废水时能耗问题尤为突出,如何找到降低能耗、物耗的途径是当前的迫切需要。
缺氧-厌氧-好氧膜生物反应器( anoxic-anaerobic-anoxic membrane bio-reactor,3AMBR)是具有高效脱氮除磷性能的新型 MBR 组合工艺。 该工艺具有出水水质好、运行稳定、污泥产量小等优点,但同时系统存在运行成本过高的问题。 李捷等认为,3AMBR 工艺的能耗主要来源于降低膜污染、提高脱氮除磷效果而采取的强曝气和内循环的动力消耗。
基于 3AMBR 实际运行中存在的高能耗问题,本研究开展中试实验,尝试从改变进水、曝气及内回流比的方式对 3AMBR 工艺的优化运行进行了研究,以期在无外加碳源的条件下,达到强化脱氮效率、节能降耗的目的,并研究可用于工程实际的工艺节能改造方案。
1 实验材料及方法
1. 1 实验进水
中试装置搭建于昆明第四污水厂内,进水为经污水厂三道格栅处理后的生活污水和污泥脱水原液,实验期间进水水质见表 1。 实验进水水质波动较大,其中 C / N(质量比)为 5. 40,根据传统脱氮理论,进水碳源稍显不足,属于低 C / N 值生活污水,脱氮难度较大。
表 1 进水水质
1. 2 实验装置
中试装置箱体采用钢板焊接制备,设备有效容积为 L × W × H = 3. 9 m × 2 m × 2 m,设计污水处理量为1 m3·h - 1,采用昆明第四污水处理厂现有运行工艺,工艺流程为厌氧-缺氧-好氧-变化池-膜池(图 1) ,该工艺对好氧池进行了分区,好氧区前段(好氧 1 段)充分利用膜池回流的 DO,可减少曝气器布置密度,后段(好氧 2 段)有机物浓度较低,减少曝气器布置密度,为后续处理单元争取更多碳源,同时可减少好氧停留时间、增加变化池停留时间,提高总氮去除效率。 各池体间用开孔钢板分隔。 膜组器采用帘式聚偏氟乙烯( polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纤维膜,膜孔径≤0. 1 μm。
1. 3 中试装置运行工况
中试装置的污泥龄为 15 d,膜池约为 7 g·L - 1,好氧池与变化池约为 6 g·L - 1,厌氧池与缺氧池约为5 g·L - 1。 总水力停留时间( hydraulic retention time,HRT)为 14. 04 h(其中:厌氧区 1. 08 h、缺氧区 7. 02h、好氧区 4. 32 h、膜区 1. 62 h) 。 该工艺设置了 3 个混合液回流:膜池至好氧池( R1 ) 、好氧池至缺氧池(R2 ) 、变化池至厌氧池(R3 ) 。 产水由自吸泵间歇抽吸出水,抽停时间比为 9 min / 1 min,每周进行一次维护性清洗( enhanced flux maintenance,EFM) 。 进水量、回流量与曝气量主要通过电磁阀(2W- 250-25) 、液体电磁流量计(BTLD-20016 1110)与气体流量计控制。
本研究优选了 4 套实验方案,其中方案 1 模拟昆明市第四污水处理厂处理工艺流程。 其他方案与方案 1 相比,主要调整如下:方案 2,完全停止好氧池曝气,加大 R1 回流,主要考察膜池富余溶解氧利用替代曝气的效果;方案 3,降低好氧池首段曝气量,主要考察降低曝气量的影响;方案 4,改变进水方式,考察多点进水运行工况的效果。 各方案运行的具体变量对比如表 2 所示。
表 2 3AMBR 中试实验方案变量对比
1. 4 分析项目及方法
COD:《重铬酸钾法》 ( GB 11914-1989) ;TN:《过硫酸钾氧化分光光度法》 ( GB I1894-1989 ) ;NH3 -N:《氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法》 ( HJ 535-2009 ) ;NO3 -N: 《硝酸盐氮的测定-酚二磺酸分光光度法》(GB / T 7480-1989) ;TP:《钼锑抗分光光度法》 (GB 11893-1989) ;DO:采用 HACH HQ-40-d 便携式溶氧仪测量;MLSS:采用 HACH TSS 便携式污泥浓度计测量;ORP:采用 HACH HQ-11-d ORP 计测量;pH:采用HACH pH 计测量;浊度:采用 HACH 2100N 浊度仪测量。
2 结果与讨论
2. 1 实验期间各方案水质结果分析
中试 MBR 系统自 2014 年 5—12 月,进行了 200 d 左右的中试实验,在去除了切换调试期后,稳定期长达 100 d(其中方案1 为70 d,方案2 为10 d,方案3 为10 d,方案4 为10 d) ,在此期间出水水质良好,主要水质主要指标监测结果见图 2。 出水在改变运行参数后略有波动,总体来说各方案 COD 出水均低于 30mg·L - 1,去除率可达 83. 10% ;出水 TN、NH3 -N、TP 的质量浓度平均值分别 7. 09、0. 92 和 0. 33 mg·L - 1,去除率均值为 63. 06% 、81. 59% 、97. 05% ,优于绝大多数传统处理工艺,满足城镇污水处理厂一级 A 排放标准的要求(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 + 化学法外,其余皆采用生物法去除。
2. 1. 1 DO 值
由表 3 监测结果可知,受节能措施的影响,各反应池水体 DO 值均出现了不同程度的改变:方案 2 虽然完全停止了曝气,但好氧 1 段仍保持了接近原来一半的 DO 水平(0. 23 mg·L - 1) ,说明膜池液回流确实起到了补充溶解氧的作用;方案 3 则停止好氧 1 曝气,该池 DO 值进一步降低到约方案 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,梯度不明显;多点进水对 DO 值也产生了一定程度的影响,尤其是 2 个好氧池和变化池形成了更好的 DO 值浓度梯度。
表 3 3AMBR 中试各单元溶解氧
2. 1. 2 有机污染物
各方案在运行期间均达到了较好的 COD 去除效果,去除率分别为 86. 23% 、 87. 47% 、 84. 79% 、89. 65% 。 从沿程污染物浓度变化情况(图 3)可知,由于受到生化降解及回流液稀释的作用,各方案 COD浓度在厌氧池下降幅度较大,可达到 81. 28% 以上,后续处理单元对 COD 也有少量的去除作用。 改变运行参数后(方案 2、方案 3 及方案 4) ,各单元 COD 去除率均略有下降,但与对照组相比差异并不显著,不影响出水达标(均低于 30 mg·L - 1) 。 这表明,不同供氧方式及进水方式对 COD 处理效果的影响不大。 当改变供氧方式时(方案 2 或方案 3)好氧池溶解氧均值低于 0. 25 mg·L - 1,与厌氧池、缺氧池 DO 梯度变小, MBR 工艺中有机物的去除主要通过生化降解,而该套工艺中由于膜系统的存在具有极好的泥水分离效果,污泥浓度高(5 ~ 8 g·L - 1) ,保证了 COD 的良好去除率。 当采用多点进水时(方案 4) ,对碳源进行了重新分配,但未见缺氧池与变化池 COD 值出现明显上升,主要原因是污泥浓度较高,有机物在反应器前段快速被消耗,而本次实验的采样点则位于处理构筑物的末端。
2. 1. 3 含氮污染物
TN 在各方案中均呈持续下降的趋势,这主要是系统沿程实现了同步硝化反硝化作用的结果,各方案NH3 -N 和 NO3 -N 值沿程变化呈负相关性(图 3( c) ,( d) ) ,两者之间存在明显的转化迹象,这也与国内外其他研究结果相似。
改造后的方案脱氮效率皆明显提高。 方案 2 的污水进入系统后随着 NH3 -N 浓度的持续下降,NO3 -N很好地稳定在 2. 50 mg·L - 1左右,表明系统硝化/反硝化过程进行良好,其中好氧 2 段至变化池末端发生二次反硝化作用,分析原因主要是好氧 2 段与变化池中溶氧值(0. 09 mg·L - 1)较低,反硝化菌的活性高;最低的出水 TN 出水浓度证明:增加回流较其他手段更有利于氮的去除。
方案 3 降低曝气量后,仍存在较高的 COD 和 NH3 -N 去除率,可能是存在兼型厌氧菌在低 DO 条件下利用有机碳源进行反硝化作用。 但同时,NH3 -N 要高于方案 2 和方案 3,TN 去除率不高,这是因为反硝化菌活性不高,亚硝酸还原酶的合成受到抑制,导致反硝化过程中亚硝酸盐的积累,这也在孙家君等、周丹丹等的研究中也发现相似的规律。
方案 4 采用分段进水的方式,虽然变化趋势与方案 1 接近,并且也出现了较高的 NO3 -N 累积,但由于较为均匀地分配了氮负荷与碳源,硝化/反硝化过程得以更好地进行,其中好氧 2 段至变化池末端,NO3 -N呈现明显下降趋势,出现二次反硝化作用,但与方案 2 对比,结合溶氧值与 COD 变化趋势可知,主要是因为多点进水为处理流程末端反应池提供了充足的碳源,所以沿程各项氮素指标均优于方案 1,并最终达到了更好的脱氮效果。 结果表明,多点进水可合理分配碳源,降低反应器前端负荷,从而提高脱氮效率。
2. 1. 4 含磷污染物
中试装置除磷采用生物法 + 化学除磷,在昆明市第四污水处理厂超细格栅之后投加铁盐(硫酸铁) ,由图 3( c)可知,在厌氧池末端已实现了 TP 的有效去除,出水水质均能达到 GB 18918-2002 一级 A 标的要求。 由张严严等、李捷等与隋军等前期在昆明第四污水处理厂所做研究可知,生物法 + 化学除磷法即使在 COD / TP < 20 时也可达到较好的除磷效果,且方法稳定可靠。 本实验中各方案除磷效果略有差别,主要是由于进水水质变化造成。
2. 2 能效分析与讨论
污水处理过程中的能耗主要是指电耗,据研究其中鼓风机、泵等设备的电耗通常占到总体直接能耗的60% ~ 90% 。 中试装置预处理、出水消毒系统、污泥系统的耗电量参考污水厂的耗电量,由于中试装置的曝气设备直接接自昆明市第四污水处理厂的曝气鼓风机,因此采用曝气流量占鼓风机总流量的百分比来估算耗电量。 中试实验用到的其他用电设备主要有:单相潜水泵(0. 75 kW,0. 37 kW) ,离心泵(0. 37kW,仅供出水、反冲洗用) ,为了在相同标准下比较,这些设备均按污水厂的能耗水平分别进行了折算,具体见表 4。
表 4 MBR 中试装置各方案能耗统计表
从污水厂的能耗分布看,曝气和吹扫电耗合计达 0. 383 kWh·m - 3,占全厂总电耗的 62. 89% ,是节能降耗的关键。 受规模效应等的影响,中试装置与污水处理厂的能耗比高达7. 65(折算后为2. 26) 。 折算结果显示,方案 2、3 均实现了能耗的明显降低,并且保证了良好的出水水质,说明减少曝气是可行的节能途径;其中,增加回流、完全停止曝气的方案 2 获得了最低的能耗,并且表现出了最佳的脱氮能力,回流起到了代替曝气、甚至更好的效果,当然这一结论是在中试特定的条件下获得的。 方案 4 采用多点进水,能耗虽基本没有变化,但优化了碳源配置,降低了好氧段首端的有机负荷,提高了脱氮效率,对出水水质有明显的改善作用,从而提高了污水处理的能效。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论及建议
本研究以实际城市污水为对象,构建中试系统,进行了长达200 余天的现场实验,结论如下:1)减少曝气是切实可行的节能途径,即使好氧池在低溶氧(DO < 0. 3 mg·L - 1)状态下运行,仍可保证系统出水的稳定达标排放;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气的效果,并可同时实现脱氮效能;3)多点进水在降低反应器前端污染负荷的同时,通过合理分配碳源改善了缺氧池的反硝化性能,进而提高了系统的整体处理能力,从而明显提升了能效。
本实验的 3 种优化方案都是较行之有效的节能参考,运行中的污水处理厂可采用类似方案 1 的方式,通过适当降低曝气强度达到节能;而对于新建或改造中的污水处理厂,建议设置多点进水,并辅以各单元回流量和曝气量灵活调节的选择,以实现污水处理能效的最大化。
