生物膜與活性污泥工藝在污水處理中的應用對比研究

陳娟

(江西藍鯨環保技術工程有限公司,江西 南昌 330000)

水是人類生產生活的重要基礎物質,隨著人口急劇增長,人類對水資源需求不斷加大,工業廢水排放量不斷增加,導致水環境污染加劇。城鎮污水處理廠具有處理量少、工業廢水含量高等特點,需要選擇適宜水質特點的處理工藝。淹沒式生物膜工藝是通過在污水處理池中布置比表面積相對較大的生物膜載體填料,將池中微生物的賦存環境由原本液、氣兩相形式轉變為固液氣三相態,有助于生物量的增加進行充分硝化反應,避免污泥膨脹降低負荷。同時微生物生態環境增加使污水流趨向于好氧型系統,厭氧生物的降解可以有效去除氮磷含量,生態系統環境的復雜性使其穩定性大幅提高,水質也得到了明顯改善。

1 淹沒式生物膜工藝特點

近年來水體富營養化加重,國家制定了嚴格的污水排放標準。隨著社會經濟的快速發展,人們對環境質量水平要求日益提高,新建城市污水廠需不斷提高處理能力。淹沒式生物膜法是近年來發展的污水好氧生物處理工藝,可大幅度提高反應池內的生物量,增加抗沖擊負荷能力,可實現污水脫氮除磷提升出水水質。SBF工藝原理是在污水生物處理反應池中放置生物膜載體固定填料,使懸浮生長微生物與附著生長微生物共存。生物膜通過較大比表面積吸附廢水中的有機物,微生物機制不斷增長繁殖,形成有機污染物-細菌-原生動物食物鏈。

淹沒式生物膜SBF工藝在20世紀80年代隨著新型填料出現,廣泛應用于垃圾滲濾液與工業廢水處理,采用人工曝氣類似于活性污泥法,相比常規活性污泥法具有曝氣池水力停留時間短、COD去除率高及運維費用低等優點。傳統污水處理工藝為活性污泥法,通過人工充氧方式對有機污染物進行降解,這種工藝對曝氣池及沉淀池的選型設計要求及成本投入相對較高,而淹沒式生物膜工藝與之對比具有顯著的應用優勢,淹沒式生物膜工藝具有微生物量多處理能力大,生物相多樣化等特點。主要包括以下幾個方面[1-5]:

1)通過生物膜構筑使污水處理系統中賦存了固相微生物,系統多樣化的同時提升了微生物含量,與活性污泥法相比可增加5～20倍,因此淹沒式生物膜工藝的污水水質處理能力更強,污泥產量也更低;

2)微生物的充分硝化反應降低了污泥膨脹,降低了污泥載荷提升了耐沖擊性,同時厭氧微生物的降解使有機污染物中氮磷含量大幅降低,水質得到了顯著改善,微生物種類的增多也提高了生態系統的穩定性,對水質水量變動沖擊的適應性大幅增強;

3)微生物氧利用率得到顯著提高,水池中上升氣泡在填料擾動過程中發生破裂,延長了氧接觸時間及利用面積,氧利用率顯著提高,同時動力消耗也比活性污泥法要低;

4)對污泥膨脹做到了有效控制,避免了污泥在水池中上浮流失,整體污水處理池的系統穩定性大幅增強,便于系統管理維護。

2 污水處理工藝設計

我國現有污水處理廠中80%采用活性污泥工藝,近幾年在污水處理新技術等方面取得可喜的科研成果,借助外貸城市污水處理工藝項目建設,引進許多國外新技術工藝,SBR法、A/O工藝等在我國污水處理廠中得到廣泛應用。中小城鎮污水具有水質水量不穩定等特點,受地域經濟發展狀況制約,從業人員技術管理水平較低,必須根據自身特點選擇適合的工藝?；钚晕勰喾ㄟm用于水質成分單一的污水,生物膜法適用于水質水量波動較大情況,城鎮污水處理適宜選擇淹沒式生物膜工藝[6-10]。

2.1 工藝流程

淹沒式生物膜反應池中劃分缺氧段與好氧段,厭氧段采用水力停留時間2 h,有機物成分降解完成硝化和反硝化過程,克服傳統活性污泥法污泥膨脹的缺點。結合給排水工程污水處理實例,某污水處理廠一期工程采用淹沒式生物膜處理技術,二期采用活性污泥處理技術,設計總污水處理量可達4萬m3/d,具體工序流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程示意圖

從圖1可以看出,進入處理廠的污水先經過粗格柵對一些大的漂浮物進行過濾,再經過提升泵房將污水提升至細格柵中進行二次過濾,兩種格柵均選用不銹鋼材質;污水進入曝氣沉砂池后,通過平流曝氣沉砂形式,去除污水中小的漂浮物浮渣、沙粒及石油烴類物質,隨后進入厭氧池;其中處理池中污水與回流污泥在厭氧池混合,并逐級進入缺氧池、好氧池,好氧池中的硝化混合液會向缺氧池回流,處理后污水進行水、泥分離,通過輻流式穿孔管淹沒出流排放。其中一部分污泥回流至厭氧池進行循環反應,保證生化池中的生物含量,另外的污泥則通過污泥泵泵送至脫水間外排至堆放場。一期反應池采用球形網格材質作為固相微生物填料,填料為聚乙烯多面空心球,球徑150 mm,曝氣設備均選用微孔管式曝氣器。

2.2 工藝參數設計

按照城鎮污水處理廠污染物排放相關標準,進行上述處理水池進出口水質參數設計[10-20],主要水質參數如表1所示。

表1 處理廠水池進出口水質要求

結合上述污水處理廠相關水質參數設計標準,對兩池淹沒式生物膜處理工藝、活性污泥工藝進行工藝參數設計,具體如表2所示[1-10]。

表2 兩池主要工藝參數設計

3 應用效果分析

在該污水處理廠中一期水池采用了厭氧-缺氧-淹沒式生物膜工藝,二期水池采用了厭氧-缺氧-活性污泥處理工藝,在污水處理系統均穩定運行狀態下,分別在各處理單元,包括厭氧池、缺氧池及好氧池進出口,布設取樣點,對進出口水質進行指標分析,通過檢測標準值包括CODCr、NH3-N等的含量,對兩種工藝下污水處理效果進行平均分析[20-25]。

3.1 CODCr去除效果分析

對比兩種處理工藝下污水各水池中CODCr含量變化,具體數據統計如表3所示。

表3 CODCr去除效果對照統計

系統穩定情況相同條件下測定淹沒式生物膜工藝與活性污泥工藝處理單元厭氧池,試驗期間以CODCr、PO43--P為污水處理評價指標。根據表中數據統計情況可以看出,在兩池采用不同污水處理工藝,并在15,22,30 ℃下各水池CODCr去除率存在顯著差異,總體上呈現出二期優于一期的效果,也即活性污泥處理工藝的去除效果更優。但總體來說兩種工藝的去除率都很高,總去除率均達到了95%以上,尤其是在厭氧池中兩者CODCr的去除率達到了72.8%以上。但分析好氧池去除效率可以發現,一期去除率要明顯高于二期,主要原因是填料的阻攔作用和生物膜增強了去除效果。

3.2 氨氮去除效果分析

對比兩種處理工藝下污水各水池中氨氮的含量變化,具體數據統計如表4所示[3]。

表4 氨氮去除效果對照統計

分析表4中氨氮含量的去除效果可以看出,二期厭氧池同樣高于一期,兩者均達到了91.5%以上,氨氮水出水濃度均符合一級A排放標準。但一期在好氧池中的去除率要明顯更高,這是因為生物膜池中水力停留時間和固體停留時間相分離,更利于微生物中硝化細菌的生長富集,使硝化效果大幅增強。

3.3 工藝運行和經濟效益分析

該給排水工程總計投資一期5 480萬元,包括管網布置1 899萬元及廠區工程3 581萬元,現已保持穩定運行6年多時間;二期投資1 678萬元,包括1 652萬元的廢水治理及26萬元的廠區生態綠化工程。項目運行期間每立方米污水成本0.41元,折舊成本0.16元/m3,即總處理成本0.57元/m3。淹沒式生物膜處理工藝與活性污泥處理工藝相對比,在處理能力上分別達到了1.5萬。2.0萬m3/d,同時在水力停留時間相同情況下,淹沒式生物膜處理工藝占地面積更小。因此,總體來說應用淹沒式生物膜處理工藝,由于填料對氣泡的阻隔、吸附一級破碎作用,使得污水處理池中氣泡的停留時間大幅延長,氣液相接觸面積增大,使氧氣的傳質效率大幅提升,污水處理能耗大幅降低,可節省近45%左右電能消耗[25-30]。

4 結語

淹沒式生物膜法作為一項新興污水好氧生物處理工藝,可以大幅提升反應池生物含量,降低污泥負荷率,有效去除污水中碳、磷氮含量,提升水質。本文以該工藝為研究對象,對其在給排水工程中的應用進行生產性研究,結合該工藝去除污染物特點及污水處理廠運行狀態評估,可以看出應用淹沒式生物膜污水處理工藝與活性污泥處理工藝相比,兩者去污效果相近,但淹沒式生物膜工藝運行成本更低,占地面積更小。