工业污水处理厂MBR与人工湿地组合工艺运行效果的分析

李尧丞(四川四通欧美环境工程有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

随着国家环保政策越来越严格，对废水排放的要求越来越高，围绕省委“一干多支、五区协同”的区域发展战略、宜宾市国民经济和社会发展“十四五”规划以及2035年远景目标，立足区域发展定位，宜宾市行政区域界定生态环境问题为优先保护、重点监管、一般控制三种主要类型，共62个环境控制单元。对涉及水、大气、土壤、自然资源等方面的重点区域，全市有30个重点管控单元，其中，城镇重点单元11个，行业重点单元14个，环境因素重点单元5个[1]。重点范围涉及人口较为稠密的城镇规划区和工业聚集的产业聚集区，其中工业集中区是环保控制的重点区域。该工业集中区污水处理厂的主要工艺技术路线与设计参数仍沿用传统的市政污水处理理念，主要的污水处理工艺为水解酸化+改良型SBR+D型滤池，出水达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准，通过园区集中排污口排放，最后汇入长江。由于原工艺设计，化工废水引入园区污水处理厂，极大影响处理系统的稳定运行，按照规划环评要求，园区内所有企业的废水均必须进入园区进行深度处理达标后，才能向外排放。而随着园区内工业企业的入驻和正常投产的增多，污水处理难度加大，甚至无法达到更严格的污水排放规范标准。因此，有必要进一步进行提标改造。

1 污水处理厂现状

目前工业园区已引入企业八十余家，工业废水污染物和园区工业企业类型有很大关系。有7户工业污水排放企业的废水主要是特种化工行业废水、制药行业废水、造纸行业废水，其中化工废水、造纸废水均需达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》的一级标准，废水量约为6 000 m3/d, 其余企业达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》的三级标准后再进入污水处理厂处理，且该工业集中区污水处理厂所接纳的污水均不含重金属。

该工业园区污水处理厂于2011年4月建成并投入运行，占地面积66亩，主要处理工业集中区的工业污水，总处理规模为10 000 m3/d，排放标准执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂排放标准》的一级A标准。2018年对该项目进行提标改造，2019年9月建成投运，处理规模仍为10 000 m3/d，提标后削减COD 36.5 t/a，氨氮7.3 t/a。采用的主要处理工艺为A2/O+MBR+垂直流人工湿地，排放标准执行DB 51/2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染排放标准》。

2 提标改造工艺设计

2.1 提标改造设计进出水及指标分析

如表1所示，该标准对各污染物的去除要求都比较高。针对工业废水成分复杂、可生化性差、有机物难降解、色度高等问题，应选择具备较强去除效果的有机物并有脱氮除磷功能的高效污水深度处理的先进工艺。

表1 设计进出水水质指标

其中，各指标含义如下：

(1)COD。对普通城镇污水，预处理构筑物的完善和生化系统中不同工艺的组合，将使COD的去除率有较大幅度的提高，通常COD去除不存在问题。但是由于进水中大部分为工业污水，含大量难降解COD，仅采用常规生物处理难以达到上述排放标准，需设置针对难降解COD的处理工艺进行处理。

(2)NH3-H。为了达到出水要求，进水氨氮主要由硝化过程来完成去除，进行完全硝化，反应过程中需要完全反硝化辅助。采用完全反硝化设计和人工湿地深度处理，能够保证出水氨氮指标控制在3 mg/L以内[2]。

(3)TN。进水TN较高，总氮去除率要求高，其次化工废水含盐量高、色度高、生物难降解物质多，B/C低，可生化性差，需要进行充分反硝化，可通过合理碳源分配和控制工艺参数来完成，必要时外加碳源使其达标排放。

(4)TP。该工业污水总磷含量偏低，采用具有生物除磷功能的污水处理工艺并附加化学除磷，从而达到出水总磷含量小于0.5 mg/L的要求，但化学除磷的投加会使水中的金属磷酸盐增多，形成更多的有机污泥，污泥处理的难度也随之加大，故需设置深度处理工艺。

(5)BOD5。该项指标在采用生物脱氮除磷工艺时可以达到。这是因为自养型的亚硝酸菌具有很小的比增长速率(μN)，与去除碳源的异养型微生物相比要小一个数量级以上，因此需要硝化系统比单纯去除碳源BOD5的系统具有更长的泥龄或更低的污泥负荷，在此条件下，BOD5的去除率将有大幅度提高[3]。

2.2 提标改造工艺流程

如图1所示，本次技改主要新建了产水间、膜池、反冲洗池、膜离线清洗池、膜格栅、调节池、隔油池。将原有生化池进行改造，对改良SBR池进行分隔，改造成厌氧区、缺氧区、好氧区及MBR池区，保留原来预处理构筑物。

图1 污水处理厂提标改造工艺流程图

2.3 生化处理单元的提标改造

将原SBR生化池改造为A2O+MBR池，纵向排列，4组并联，在原池体内增加隔墙，内设推流器、污泥回流泵、盘式曝气器。好氧池后端新建膜池和膜离线清洗池，每个膜池里安装6套膜组，每套膜组件80片膜，每片膜面积为20 m2，共计约38 400 m2，采用PVDF材质中空纤维膜，孔径小于0.03 μm。

生物处理为三功能阶段，依次是缺氧区段、厌氧区段和好氧MBR区段。原水先流入厌氧段，污泥中的磷在此段得到充分释放；而后流入缺氧段，与好氧段回流的硝化液进行混合，进行反硝化脱氮反应，完成总氮的去除，再进入好氧段，通过生物硝化作用，去除污水中氨氮，最后污水流到膜池，通过膜分离实现好氧段中较高的污泥浓度，富集优势菌种，在MBR膜的截留下，污泥浓度可达到8～10 g/L，能去除大部分COD和氨氮等有机物。

2.4 深度处理单元的提标改造

为保障处理出水的所有指标均达标，在末端出水处采用下流式预埋微生物垂直流人工湿地。在湿地构筑物内从下往上依次放置砾石、大石、碎石、专业填料、砂、土，每铺设一层填料后，在该填料的表面放置固体专性菌种粉末(或颗粒)或放置包埋固定化的专性菌种填料。在砂、土内种植挺水植物，在运行过程中，预埋的干菌种遇水后开始复苏并繁殖，在不同层次分解不同的污染物。在中上层的硝化菌利用氧将水中的氨转化成硝酸或亚硝酸根，好氧菌将水中部分有机物分解成CO2、H2O，除去部分COD与BOD5。该层的聚磷菌吸收水中的磷形成有机体，最终与湿地填料中的钙、铁形成不溶性的磷酸钙、磷酸铁而积附于填料或植物的根间，去除水中大部分磷。在下层的反硝化菌则利用水中的碳元素或水生植物的死根作为营养，将硝酸或者亚硝酸根转化为氮气，从而除去水中的氮。此外，垂直流人工湿地具有缓冲容量大、硝化能力强、耗电低、运行费用低等特点。

2.5 提标改造工艺参数

本次对调节池进行改造，改造后原调节池前半段作为沉淀区，后半段仍作为调节池，改造后调节时间6 h、沉淀区停留时间6 h。

生化池主要设计参数为：污泥浓度为厌氧区2.5 g/L，缺氧区5.0 g/L，好氧区7.5 g/L，膜池10 g/L。回流比为膜池回流至好氧池300%，好氧池回流至一级缺氧池200%，二级缺氧池至厌氧池100%，设计泥龄20 d，生化池及膜池总停留时间26.3 h，厌氧区停留时间4.5 h，缺氧区停留时间6.5 h，好氧区停留时间12.7 h，膜池停留时间2.7 h，设计气水比(生化)6.9比1，污泥负荷0.11(kqB0D5/MLSS.d)。

人工湿地总有效面积13 000 m，根据现状用地分为13个单元。每个单元长10 m，宽25 m，湿地填料层深度1.55 m，设计表面水力负荷：0.7 m3/(m2·d)，水力停留时间为1.0 d。

3 提标改造运行效果分析

目前该工业集中区污水处理厂的现有工艺基本稳定运行，并按照实际测得的出水统计数据，分别对提标改造后2021年全年厂内生化段出水及湿地排放的尾水进行分析。

3.1 对COD的去除效果

如图2(a)所示，1—12月份进水COD月均值均低于设计值，进水波动较大，夏季进水浓度偏低，冬季进水浓度偏高，进水COD在123～332 mg/L之间，年平均值在215 mg/L，出水COD在15～29 mg/L之间，对COD的平均去除率为90%。生化处理段COD平均去除率为86%，人工湿地平均COD去除率为25%，出水COD均值为22 mg/L。

通过以上数据可以看出，A2O+MBR+垂直流人工湿地工艺组合能够有效去除生物处理段难以降解的COD，使得出水COD更为稳定。这主要是因为膜分离对生物有着一定程度的强化作用，同时微滤膜可以实现对大分子有机物的物理截留，再加上膜表面沉积层对溶解性有机物的去除，使得系统具有比较高的COD去除率。垂直流人工湿地对有机污染物具有较强的去除能力，不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用可以很快被截留而被微生物利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除[4]。

3.2 对氨氮的去除效果

如图2(b)所示，运行期间进水NH3-H在9～29 mg/L之间波动，出水NH3-H年均值为0.25 mg/L，去除率达到98.7%，生化处理段NH3-H平均去除率为97%，人工湿地平均NH3-H去除率为46%。

从数据上可以看出生化段脱氮效果好，冬季NH3-H去除率也很高。这是因为AAO+MBR工艺增加了生化处理系统内的污泥浓度，提高了在好氧区内的同步反硝化作用；同时MBR的截留作用避免了硝化细菌的流失，使得硝化细菌得以繁殖生长且不断积累，进一步增强了系统的生物脱氮能力[5]；另外，垂直流人工湿地通过物化循环、植物吸收和生物脱氮的多重途径实现脱氮，其好氧区内的硝化细菌与厌氧区内的反硝化细菌协同作用，达到了对氨氮的高效去除。

3.3 对总氮的去除效果

如图2(c)所示，进水TN月均值变化幅度较大，在15～39 mg/L之间，主要是受到园区化工企业不同阶段的废水排放，造成进水TN浓度偏高或偏低。出水TN在7.59～12.33 mg/L之间，年均值为9.42 mg/L，去除率为44%～80%之间，生化处理段TN平均去除率为56%，人工湿地平均TN去除率为15%。夏天总氮去除率低，这是因为雨季的到来使得进水浓度偏低，碳氮比不满足反硝化反应条件。

通过上述数据可以得出，该工艺对总氮的去除效果较为稳定。在MBR中，由于活性污泥浓度高、泥龄长，污泥的黏度也较大，氧气的扩散能力小，造成氧气的传递效果差，难扩散到絮体内部，在污泥絮体表面形成好氧区，而在絮体内部却可能形成缺氧区，甚至厌氧区。在MBR运行时，混合液不可能完全混合，可能出现死角，在整体好氧下出现局部缺氧甚至厌氧；同时，由于MBR的特殊构造，在膜丝上会有一定的活性污泥沉积，严重时形成滤饼层，造成滤饼层和膜丝间缺氧，在不同的区域分别形成适合硝化菌和反硝化菌生长的条件，实现同步硝化反硝化脱氮[6]。但人工湿地对化工废水总氮去除能力较为有限。

3.4 对总磷的去除效果

如图2(d)所 示，进 水TP浓 度 偏 低，在0.6～1.2 mg/L之间，原因是该工业园区大部分企业废水排放不涉及磷。出水TP在0.09～0.2 mg/L之间，年均值为0.14 mg/L，去除率为79%，生化处理段TP平均去除率为60%，人工湿地平均为TP去除率为50%。

图2 运行效果分析

通过以上数据可得出其除磷效果显著。其原因是MBR膜的过滤截留与吸附作用将除磷菌截留在膜池中，使其相对浓度增加，且膜表面的微生物污泥层为聚磷菌提供了厌氧环境，使得MBR对TP有较好的去除效果。另外，垂直流人工湿地还拥有特殊的填料构造和水流模型，可以利用填料、菌种、植被这种复合生态体系的物理、化学和生物上的协调作用，以达到对污水中磷元素的有效去除。垂直流人工湿地采用火山岩填料，而经研究表明以火山石为填料的单元对总磷的去除率最高，由于火山渣呈弱碱性，因此可溶性的无机磷易与火山石中的Al3+、Fe3+、Ca2+等发生吸附和沉淀反应，形成以羟基钙磷灰石为代表的稳定的固态磷酸盐[7]。

4 运行成本分析

该工业污水处理厂提标改造项目投入5 200 万元，项目总投资9 000 万元，直接单位运行成本为2.63 元/m3，运行费用主要包括能耗费用、药剂费用、污泥费用、人工费用、设备维护费用、在线运维费用、水质检测费用及人工湿地运行维护费用等。其中能耗费用占比30%，主要是提升泵、鼓风机、产水泵、回流泵等核心设备能耗较大，实际运行耗电量为748.3 kW·h，吨水运行电费为1.08 元/m3。MBR膜的运行维护尤为重要，MBR膜反洗药剂包括10%次氯酸钠、氢氧化钠、柠檬酸，单位药剂费用分别为0.045 元/m3、0.001 元/m3、0.145 元/m3。

5 结语

采用MBR+人工湿地工艺组合能使工业园区污水处理达标，且该工艺运行效果稳定，人工湿地具有良好的深度净化效果。该工业园区污水处理厂 对COD、NH3-N、TN和TP的 年 平 均 去 除 率分别达到90% 、98.7% 、62% 和79%；其中湿地对COD、NH3-N、TN和TP的年平均去除率分别为25%、46%、15%、50%，出水水质可稳定达到DB 51/2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染排放标准》。