污水处理 还乡间绿水青山

文|吴志超

污水处理 还乡间绿水青山

文|吴志超

项目成果：村镇污水HI—MBR分级处理工艺及装备

课题单位：同济大学 上海子征环保科技有限公司

随着国家经济的发展，城市聚集效应日益突出，城市的高房价和产业的外迁等因素都使得外来人口更多的居住在乡镇地区，使得本就缺乏或薄弱的排水系统和水环境不堪重负，水污染及丧失使用功能的劣Ⅴ类水体比比皆是。

我国村镇污水处理现状

表1 污水处理工艺主要指标去除率与成本分析

以下为2009年9月至2011年3月19个月内上海郊区88套代表性农村生活污水处理系统的进水平均数据。

表2 上海农村生活污水进水平均数据

为了解决村镇生活水污染问题，各地政府高度重视，投入巨资，但效果不尽如人意。现有村镇污水处理技术装备主要是把城市污水、工业废水处理及国外分散污水处理技术装备直接引用，没有进行适用性深度研发。

事实上，村镇污水处理的工艺装备受制于区域水环境容量、水资源情况、冬季水温气温特征、经济发达程度、人员素养、建设主体责任心、可用土地面积、环保企业技术水平、纳管质量、管理人员素质及有否长期监督、问责情况等多方面因素，需要不同形式、不同层次、不同标准的系统技术装备管理解决方案。上海水务局为了总结多年新农村污水处理技术路线问题，曾委托华东师范大学进行了第三方评估，根据评估研究论文的测算结果如表1、表2所示。

根据表2以及表1中的数据计算出五种工艺出水水质特征（按最低去除率）（毫克/升），如图1～4所示（注：黄线为2级处理标准，红线为一级B处理标准）。

由上表可以发现，现有常规处理工艺只能达到国家二级排放标准，投资的环境效益很差，水环境中重要的氮磷污染物去除率低。

图1 五种污水处理工艺出水总磷对比

图2 五种污水处理工艺出水氨氮对比

村镇污水处理技术方向

图3 五种污水处理工艺出水BOD5对比

图4 五种污水处理工艺出水COD对比

如前所述，现有污水处理技术主要分为三类。

第一类是以活性污泥或生物膜为主的污水厂工艺，其需要足够水深、面积的二沉池来实现固液分离，并需要不间断的专业化管理，村镇污水处理显然不适合。

第二类是以土壤渗滤、湿地为主的工艺，其对氮磷等主要靠吸附吸收等处理，需要结合一些生态、工程措施，实现氮磷的可持续处理，否则一旦填料饱和，其污染物去除能力将消失，该类技术的吨水占地面积很大，冬季运行效果也差，在经济发达占地受限，或者冬季水温很低的区域无法使用。

第三类是上述两类的组合工艺，希望减少占地面积，简化管理。上海、苏州等地的工艺主要以第三类为主，但实践证明，效果不尽如人意，原因在于预处理主要去除悬浮性、颗粒性污染物，无法有效去除氨氮，对后续的土壤渗滤、湿地处理只能提供运行稳定性，无法大幅度减少占地面积。

在村镇污水处理核心工艺上，本研发团队以污染物去除率高、占地面积小、出水水质稳定可靠的膜生物反应器（简称MBR）为研发对象，针对其投资高、膜污染清洗周期短、能耗高的难题开展技术攻关，通过平板膜配方、膜元件、膜组件的系统创新研究，成功开发了高性能平板膜配方，成套化了膜元件与膜组件，实现了平板膜MBR的低投资、低能耗、长期稳定运行，突破了阻碍平板膜MBR在村镇污水处理中应用的能耗、成本、膜污染三大瓶颈，达到了成套化、工业化、规模化应用水平。

在村镇污水处理普遍存在的除磷难题上，研发团队创新性采用自来水厂脱水污泥进行改性处理生产出高效吸附磷的材料，既充分利用自来水处理中投加的铝盐，又确保发挥其作用，实现了高效除磷的同时，污泥处理处置也安全方便。最后，为了适应量大面广的村镇污水简单化长效管理的需求，研发团队充分发挥了膜处理的高品质出水优势，构建了价廉物美的物联网管理平台，实现了低成本的在线监管，并最终形成了HI-MBR的系列核心技术体系。

适用范围及技术成就

HI-MBR适用于规模为30～500立方米/天新农村污水处理、分散式污水处理等。具有出水效果好、占地面积小、剩余活性污泥量基本消纳、膜清洗周期长、免离线清洗、运行维护简便、运行费用低等一系列优点。

HI-MBR村镇污水分散处理整体解决方案在技术、经济、环境效益、后续政府监管的便利性等方面，远远领先其他MBR供货商。

本成果取得的技术成就主要有：

核心平板膜配方研制

针对村镇分散污水处理面临的长期免维护管理需求，从铸膜液挥发时间、凝胶浴温度、铸膜厚度、铸膜速度对平板膜成膜性能影响入手，开展制膜条件的优化研究。通过不同聚合物分子量对膜形态结构、成膜性能、成膜亲水性能、及对膜临界通量及污染性能的影响研究，改进优化膜配方。最终获得了适用于村镇分散污水处理的，在各种污泥、曝气强度、进水条件、操作参数等条件下能够稳定运行的膜配方及制膜条件。与国内其他平板膜生物反应器供货商相比，生产的平板膜不仅更加符合农村污水处理需求，质量更皮实，同时，生产成本也更低。

膜元件和组件的优化

通过不同材质衬板、不同出水方式、不同封装技术、不同衬网等系统研究，以价廉性能稳定为评估手段，优化了膜元件；通过不同厚度膜元件、膜元件净间距、曝气管和膜底相对距离、曝气强度、曝气管布置方式、曝气管清洗方式、膜组件水力模拟等系统研究，获得了性能稳定的平板膜组件；通过各种零件的模具化设计生产，既降低了后续生产成本，也确保了稳定的质量。通过上述研究，满足了村镇分散污水处理对平板膜元件、膜组件的低成本、寿命长、高质量，同时成本低的要求。

平板膜曝气能耗的降低

通过以临界通量为核心的评价体系构建，系统考察了进水水质、污泥负荷、容积负荷、污泥浓度、曝气强度、衬板、衬网、导流网、装填密度、曝气管布置方式、曝气管开孔方式、温度等对平板膜临界通量的影响。在此基础上，以低曝气强度为目标，探寻高而稳定的临界通量所需环境条件的控制。通过上述研究，极大降低了平板膜清洗的能耗，相比课题立项时的国际品牌平板膜组件，膜曝气清洗所需气量降低50%以上，破解了膜生物反应器能耗高的难题，满足了村镇分散污水处理的能耗难题。

生物污泥MSTD处理处置

污水处理中生物污泥的产生是不可避免的，如何减少排泥，甚至在一定较长时间内不排泥是村镇分散污水处理必须要解决的难题。首先从产泥源头入手，依靠平板膜MBR的低污泥负荷设计，延时曝气消化污泥，极大减少后续需要处理的剩余污泥量；其次，采用平板膜浓缩技术，对于排放进入污泥同步浓缩消化池的污泥进行深度浓缩，最终污泥浓度可达到40～50克/升，膜出水直接和MBR出水混合排放，污泥体积得到极大减少；同时，利用污泥水解消化技术，实现污泥的低氧消化，进一步从固体总量上减少污泥；最终，结合MSTD工艺特有的水蚯蚓富集现象，对残余污泥进行蚕食，实现长期不排泥（实际工程已2～3年没有排泥）。

创新的化学除磷及污泥处理处置

以一级排放标准考核村镇分散污水处理设备的TP浓度时，化学除磷是必备的手段。化学除磷产生的化学污泥一般需要脱水，而在村镇污水处理中配备脱水机显然是不现实的，今后的运维成本将非常高。团队在原有污水污泥平板膜MBR处理一体化工艺技术上，特别开发了在膜出水后的高效滤料吸附反应除磷技术及装备，出水除磷可以达到一级A甚至更高要求。同时，该吸附材料具有孔隙，不仅吸附容量大，还容易自然干燥，无需脱水设备。其次，吸附材料采用环保无毒物质制作，重金属、有毒有害物质完全符合最严格的农田利用标准，含水率也低于65%，既可农用，也可方便填埋。

廉价的专业化设计支持

平板膜MBR自身就具有占地面积少、集约化程度高的特点。实践中，村镇分散污水处理规模各异性差别大，投资又要求低，专业化设计面临单体规模小，设计成本极高的难点，不进行专业化设计又面临投资成本大、能耗高的问题。针对上述难题，开发了专业化的设计软件，能够对30～500立方米/天规模的设备进行快速专业化设计，不仅节约了投资，也减少了占地，更方便了后续的设备维护。

物联网管理模式

HI-MBR工艺的出水水质好、处理效果稳定，无需专业化管理就能稳定达标。只要鼓风机、抽吸泵运行正常，出水有机物、氮、SS浓度达标就能得到保障；膜压力在设计范围内，出水水量就能得到保障；除磷装置累计运行时间在控制范围内，除磷就能确保。HI-MBR就是为免去频繁的现场管理而设计的，通过对鼓风机、抽吸泵、膜压力、时间继电器的监控就可实现简单的物联网管理，当设备出现故障时就可进行定向维护，不需要投资高、维护繁琐的在线污染物浓度监控仪表。正因为实现了物联网定向管理，人均的管理设备数量可以达到50台（套）以上，人工费得到最大程度的降低。

研发团队已经在实际新农村污水处理工程中推广平板膜MBR设备超过100套，最新研发成果HI-MBR设备实际投运超过1年多，运行稳定，在此基础上，升级改造及新建HI-MBR超过10套。

HI-MBR工程案例照片