煤矿区生活污水处理的多相泥膜耦合生物技术应用研究

张婉琴

(潞安化工集团 王庄煤矿，山西 长治 046031)

煤矿的开采及矿区居民的社会活动将产生大量的生活污水。据不完全统计，我国煤矿区每年生活污水排放量超过8亿m3。一方面大量的生活污水排放造成水体污染，另一方面企业用水矛盾突出。目前常用的煤矿区生活污水处理方法包括氧化沟、生物接触氧化、人工湿地等，但存在成本高、处理效果不佳的问题。因此，研发先进、高效的煤矿区生活污水处理技术与工艺，提升系统处理性能和出水品质，对实现煤矿区居民幸福指数的提升具有重要的意义。

1 煤矿区生活污水特征及处理技术趋势

1.1 煤矿区生活污水特征

文献[1]统计分析结果表明，我国主要产煤省区各煤矿的300余组监测结果中BOD5浓度为6.8～308.7 mg/L，其中，超过100 mg/L、150 mg/L和200 mg/L的分别占9.7%、3.3%和1.5%。监测数据表明，煤矿矿区生活污水的BOD5显著低于城市污水中的浓度。

1.2 矿区生活污水处理技术趋势分析

生物膜法对污染物浓度较低的煤矿生活污水来说，生物滤池更具有优势，但生物滤池对煤矿生活污水中的N、P去除效率偏低。目前，多相泥膜工艺联用是生物膜工艺的发展趋势，包括生物膜与MBR联用、生物膜与藻类联用等方式。

随着国家对环保要求的提高，在水资源日益短缺、工程效益优先的情况下，矿区生活污水处理技术发展趋势将向着高效、低能耗、适用、出水水质稳定的方向发展，同时对矿区低温、低浓度污水有较强的适用能力，能满足环境提标与中水回用的要求。

2 余吾煤矿矿区生活污水水质特征

根据余吾矿区生活污水处理站调查取样检测，调节池的生活污水，水质指标参数见表1。

表1 矿区生活污水水质指标

3 生化工艺处理煤矿生活污水的试验对比分析

3.1 生物试验方案设计

1) 试验水质确定。试验所用废水为人工模拟的煤矿区生活污水[2]，废水中COD=200 mg/L，氨氮=15 mg/L，总氮=25 mg/L，总磷=5 mg/L，微量元素营养液0.1%(体积分数)。

2) 生物载体填料的筛选。传统的生物膜工艺是以活性炭、组合填料、弹性填料等作为微生物载体实现微生物的富集，但是这些载体微生物亲和性差，微生物容易随污泥一起流失，需要不定期投加。相对于天然生物载体材料，人工合成类的载体更具有多面性和可控性，实验筛选的人工合成类填料材料参数见表2。

表2 生物填料参数对照

3) 试验反应器结构设计。MABFT反应器为有效体积50 L的长方体，35 cm×35 cm×60 cm，内部填充40%高-密度生物载体填料，填料型号NC-5PPI。试验开始后，首先向反应器内投放2 g/L活性污泥，经6 h后生化污泥流至后端独立沉淀池，沉淀池底部污泥经回流泵打入MABFT池，污泥回流比1∶1，MABFT反应器内DO控制在2.0～5.0 mg/L，反应器连续运行15 d。

MBR反应器体积与MABFT池一致，反应器内部装有微滤膜组件，膜组件为中空纤维膜，MBR后不设置沉淀池，进水条件与运行条件与MABFT池一致；另外设置一组普通活性污泥反应池作为对照组，池体体积与运行条件与MABFT池保持一致。

3.2 生化工艺对模拟煤矿生活污水污染物的去除

3.2.1 生化工艺对COD的去除效果

从图1中的数据可以看出，MBR相对于MABFT池的出水COD浓度更低，MABFT出水平均COD约20 mg/L，MBR平均COD小于20 mg/L。主要原因可能是MBR与MABFT池内微生物浓度相对活性污泥法较高，大量的微生物对葡萄糖的利用更为充分。同时MABFT反应器在5 d以后总污泥浓度达到4 g/L以上，生物膜初步形成，生物膜内部微生物具有兼氧和厌氧功能，能从多个途径降解COD，因此出水COD相对较低。MBR反应器由于微滤膜的过滤作用，截留了大分子有机物和一些微生物胞外聚合物(EPS)，因此出水COD更低，效果更好。

3.2.2 生化工艺对COD的去除效果

好氧生物处理的主要作用之一是去除污水中的COD(有机和无机污染物)，试验中模拟煤矿生活污水中的COD主要为葡萄糖，易降解，COD浓度较低。

图1 生物工艺去除COD效果

试验出水氨氮浓度随时间变化趋势见图2。6 d之前，各反应器出水氨氮浓度逐步降低，而后趋于稳定，主要原因是模拟煤矿生活污水中的进水氨氮浓度较低，0～6 d微生物正处于适应阶段，此时系统中的硝化细菌活性不高，后期硝化细菌逐渐被驯化，硝化效果逐步提升直到稳定。试验稳定条件下，各反应器最终出水平均氨氮浓度分别为：活性污泥法1.8 mg/L、MBR工艺1.1 mg/L、MABFT工艺0.9 mg/L。MBR和MABFT对氨氮的去除效果均优于普通活性污泥法，其主要原因也在于这两种工艺对微生物的截留和富集作用，硝化作用明显。模拟废水中添加的碳酸氢钠为硝化细菌提供了一定的碱度，也有助于提升硝化效果。

4 多相泥膜耦合生物工艺现场中试研究

由以上对比实验可以看出，单一的好氧工艺无法对煤矿生活污水中COD、氨氮及TN起到均衡有效的去除效果，因此为保证包括TN的去除，依然要结合兼氧/好氧生化系统。因此，选择多相泥膜耦合生物工艺进行余吾矿区生活污水处理的中试研究。

4.1 现场试验条件及工艺流程

1) 水样来源及水质。水样取自余吾煤矿生活污水格栅井，pH=6.87，COD188.4 mg/L，SS为82 mg/L，总氮为31.2 mg/L，氨氮为23.6 mg/L，总磷为6.3 mg/L。

2) 中试工艺流程设计。生活污水现场中试流程如图3所示。

4.2 中试处理装置与材料配置

试验装置由调节池、兼氧池、MABFT池和MBR池组成。材料配置如图4所示。

4.3 现场试验运行条件

生化池进水水量：40 L/h；兼氧池溶解氧浓度：0.5～1.5 mg/L；好氧池内溶解氧浓度：3～6 mg/L。兼氧池内加入100 mg/L葡萄糖作为反硝化碳源；MBR池设置污泥回流，总回流比为1∶1；水质测定频率1次/天，数据取平均值。试验工艺流程见图5。

图2 生物工艺去除氮元素效果

图3 现场中试流程

图4 中试处理装置与材料配置

图5 试验工艺流程

4.4 现场中试试验结果分析

4.4.1 多相泥膜耦合生物工艺对COD的去除

如图6所示，煤矿区生活污水的COD浓度在150～ 220 mg/L之间。在调试期(1～10 d)内，各生化池内的COD浓度逐渐下降，兼氧池-MABFT池-MBR池内COD浓度逐步被消耗，MABFT池内的污泥总浓度达到8.3 g/L，10 d后平均出水COD=22.3 mg/L，去除率达88.5%。超过60%的COD在兼氧段被去除，说明反硝化效果显著。

图6 COD浓度随运行时间变化

4.4.2 多相泥膜耦合生物工艺对氮污染物的去除

试验中对氮污染物浓度去除的结果如图7所示。受MBR池回流污泥中硝化菌的硝化作用与污泥回流对原水稀释的影响，兼氧池的氨氮浓度维持在6～10 mg/L，兼氧池的部分氨氮在被去除。由于MABFT内置的高密度填料具有富集微生物作用，氨氮的去除效率95%以上。

如图8所示，出水的总氮浓度：兼氧池11.0 mg/L、MABFT池5.6 mg/L、MBR池4.7 mg/L，兼氧池内氨氮占总氮的51.3%；由于曝气充足，MABFT池和MBR池内主要以硝态氮为主，大部分的氨氮均氧化为硝态氮[3-4]。由于MABFT中的填料内部的缺氧环境有利于反硝化菌的生长，使部分总氮被去除[5]。

分析表明，该工艺的总氮去除率达到近80%，显著高于常规生化工艺。

图7 氨氮浓度随时间的变化

图8 总氮组分

4.4.3 多相泥膜耦合生物工艺对总磷的去除

如图9所示，煤矿区生活污水中的总磷浓度偏高(5～8 mg/L)，经过兼氧-MABFT-MBR系统处理后，出水总磷浓度显著下降，最低达0.7 mg/L，去除率达到89%，效果显著。

4.5 多相泥膜耦合生物工艺的参数优化

为了进一步提升多相泥膜耦合生物工艺对煤矿生活污水中污染物的去除，应对日益严格的排放标准，对工艺的运行参数进行了进一步的优化，主要是通过改变生化系统的HRT和SRT。污泥水在系统中停留时间越长，填料附着的微生物量则会越大，但是基于在实际工程中应用考虑，为了节省能耗，需要寻找到最佳的停留时间，即污泥回流比。参数优化结果见表3。

图9 总磷的去除变化

表3 出水平均指标

表3数据表明，在较高的HRT和较大的回流比作用下，多相泥膜耦合生物系统对煤矿生活污水的处理效果显著提高，试验出水水质与相应标准对比见表4。

表4 试验出水水质与相应标准对比

5 结 语

1) 在低浓度废水条件下，MABFT池对微生物的富集作用最高，其次为MBR，普通活性污泥法在低浓度废水中无法维持较高的生物量；对COD去除效果MBR优于MABFT优于普通活性污泥法；对N元素的去除效果则是MABFT优于MBR优于普通活性污泥法。因此，为了进一步提高煤矿生活污水的出水水质，结合MABFT和MBR工艺是一种更为可行的协同处理工艺。

2) MABFT池内的填料有助于富集活性污泥，显著提升总氮和总磷去除效果，分别达到95%和89%.

3) 以“兼氧-MABFT-MBR”为主的多相泥膜耦合生物工艺处理煤矿区生活污水取得了良好效果，出水满足地表水Ⅳ类水质标准。