张晓峰,谢 鸿
(广西博环环境咨询服务有限公司,南宁 530000)
随着城市建设规模不断拓展和城市人口逐年增加,城市内产生的粪污量越来越大,科学高效的粪污处理工作对保障城市整洁和功能正常发挥,促进生态环境可持续发展具有重要作用,成为城市建设不容忽视,刻不容缓的重大问题。城市粪污的处理处置可分为欧美、日本和发展中国家模式,欧美模式是以城市排水管网和污水处理厂作为粪便收运和处理基础的,即污水粪便合并处理的高成本模式;日本模式是除污水粪便合并处理之外,还采用车辆收运集中处理和现场净化池分散处理相结合的粪便单独处理的中成本模式;而发展中国家模式则是多样化的粪便处理系统的低成本模式[1]。根据我国城市的发展的特点,市政排水管网负荷大,且污水处理厂抗冲击负荷能力不高的情况下,我们应建造针对性处理粪污的无害化处理站,提质增效地处理城市粪污。
城市粪污具有产生量大,水质稳定的特点,需要处理工艺具有高效处理、占地面积小、处理费用低的特点。无害化处理中心粪便水经过该中心收集,简单过滤处理后,进入本项目处理,处理之后出水用于中心生产、绿化、冲洗地面用水。本项目工艺采用了格栅和混凝继续进行固液分离后,污水通过厌氧+接触氧化+滤膜机+反渗透工艺进行深度处理,并且在运营期间不断对工艺进行技术性优化改进,最终达到成本低,出水水质稳定达标,处理周期短的优点,为国内城市粪污处理厂的建设提供技术参考。
本项目进水为粪便上清液,具有成分复杂,有机物浓度较高的特点,具有良好的可生化性,除此之外,粪便上清液还具有氨氮浓度高的特点。考虑到厂区内可供设备使用的空地面积有限,拟采用效率高、占地少的接触氧化工艺。同时出水水质要求达到指定要求,需去除COD、氨氮并脱色,拟采用活性炭吸附深度处理工艺。本项目接收粪便上清液按时按点,所以水量变化不大,粪便上清液的接收量约为800 t/d。本项目设计处理能力为1000 m3/d,最大处理能力1200 m3/d。
进水水质情况图下表。
表 进水水质Tab. Inlet water quality (mg/L)
水质指标COD采用重铬酸钾法测定,氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定。
本项目对负责粪水处理处置,设计的主体工艺为絮凝(板框压滤处理)、KIC接触氧化(生化处理)、气浮、滤膜机(粉末活性炭)和反渗透膜处理工艺。工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程图Fig.1 process flow diagram
污水先进调节池,调节水量水质后污水间歇性进入搅拌罐。搅拌罐内按一定比例加入熟石灰、硫酸亚铁药剂作为混凝剂,经搅拌混凝反应后进入板框压滤机进行固液分离,得到较清的水体。板框压滤机出水进入厌氧池5,厌氧池出水进入KIC接触氧化池,KIC一体机内有大量微生物附着在生物带上形成生物膜,进行新陈代谢,将可生化的污染物去除。生化池出水进入气浮机,同时添加次氯酸钠药剂去除氨氮,水中的悬浮固体形成浮渣被去除。气浮出水进入滤膜机,利用滤膜机内的粉末活性炭对对水体中的污染物进行吸附、截留,废活性炭进入板框压滤机进行压滤。滤膜机出水进入反渗透膜系统,深度净化水体,反渗透产生的浓水回流到板框进行固液分离,反渗透出水进入回用水池。
本工艺各阶段出水COD情况如图2所示,进水COD为9822.9 mg/L。粪水经过混凝-板框固液分离系统后,因为大部分附着在悬浮物上的有机物被去除,COD下降到7760.1 mg/L,下降了20.1%。粪水经过厌氧池后,COD下降到4553.8 mg/L,随后粪水进入KIC接触氧化池,有机物在好氧微生物的吞噬消耗下,出水COD下降到1369.2 mg/L。粪水进入滤膜机,滤膜机中主要靠粉末活性炭对粪水进行物理吸附,由于粪水中具有大量的大分子有机物,活性炭难以吸附,所以COD下降到302.2 mg/L,迫使粪水还需要进行反渗透深度处理,深度处理后出水COD为69.8 mg/L。
注:1:原水;2:混凝-板框出水;3:厌氧出水;4:KIC接触氧化出水;5:滤膜机出水;6:反渗透出水
本工艺各阶段出水氨氮情况如图2所示,进水氨氮浓度为894.3 mg/L,经过混凝板框固液分离后氨氮下降到760.2 mg/L,去除效果不高。粪水经过厌氧处理后氨氮下降到322.1 mg/L,粪水经过KIC接触氧化池后氨氮浓度为202.3 mg/L。滤膜机也只能去除少部分氨氮,滤膜机出水氨氮为124.8 mg/L。反渗透深度处理后氨氮浓度下降到26.1 mg/L。
本项目的主体工艺为絮凝沉淀(板框压滤处理)、KIC接触氧化处理、气浮、滤膜机和反渗透膜处理工艺,同时配套除臭系统。原水经过粗格栅去除大部分的杂质,进入调节池;调节池内的原水通过提升泵进入加药系统的搅拌罐中。在搅拌罐中添加硫酸亚铁和石灰,此时溶液中的硫酸亚铁与石灰中的氢氧根离子生成氢氧化亚铁,产生絮凝作用。絮凝混合溶液经气动隔膜泵进入板框压滤机。絮凝混合溶液在板框压滤机的作用下泥水分离,泥饼外运。该工艺可去除总磷与部分COD等指标,之后液体溶液进入应急池。应急池中溶液进入生化池,在处理量较大时起缓冲作用,平时作为压滤机和生化池的过渡设施。在生化池中,通过微生物的新陈代谢作用来处理废水中的污染物质,主要去除COD,总氮,总磷等指标;生化之后进入气浮机。在气浮机系统中,通过溶气系统在水中产生大量的微细气泡,使空气以高度分散的微小气泡形式附着在悬浮物颗粒上,造成密度小于水的状态利用浮力原理使其浮在水面,从而实现固-液分离[2];同时加入去氨氮药剂(次氯酸钠),去除水中氨氮[3];之后出水进入滤膜机。滤膜机主要通过在滤柱上形成的炭层,将污水中的有机物去除,此时COD已大幅度降低,之后进入反渗透系统。反渗透工作原理是在高于溶液渗透压的作用下,依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来,反渗透膜的膜孔径非常小,因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等,使得出水达到地表水标准[4]。
KIC生化处理:在生化池中,生化池采用生化效率较高的接触氧化工艺,分为缺氧段和好氧段,好氧处理是在曝气的作用下利用好氧微生物的新陈代谢活动去除废水中的污染物[5];厌氧处理是在隔绝氧气的情况下利用厌氧微生物的新陈代谢作用去除废水中的污染物[6],中间采用水泵进行回流。废水经生物处理后,能够絮凝和去除废水中不可自然沉淀的胶体状固体物;稳定和去除废水中的有机物;去除营养元素氮和磷等指标;生化之后进入气浮机。
缺氧池前置于好氧池,通过好氧池混合液回流至缺氧池进行反硝化。在缺氧池中,反硝化菌利用污水中的有机物作碳源,将回流混合液中带入的大量NO3-N还原为N2释放至空气,达到脱氮的目的,并能降解部分有机物。
好氧池采用生物膜和活性污泥相结合的方式,接触氧化池是整个污水处理站的核心部分,利用微生物菌群降解去除污水中的污染物质,达到预期的水质净化目标,通过微生物的协同作用,经过硝化和反硝化过程,实现去碳脱氮功能。
池内后段设有曝气系统、以及填料,池体分为两部分,其中前端主要以去除COD为主,约占总体积的2/3左右,后端则以去除氨氮为主(在此阶段COD以基本去除,微生物将主要利用氨氮进行反应)。
接触氧化池同时存在悬浮状态的活性污泥以及附着在填料上的生物膜。悬浮状态的活性污泥连同污水以混合液的形式将在下一处理单元-气浮单元进行泥水分离;而附着在填料上由于新陈代谢老化的生物膜会被流经池中的污水和微孔曝气气流冲刷而脱落,从而始终保持生物膜活性。这部分脱落的生物膜比重较重,一般不能随水流带出进入气浮单元而会在生物池底部沉淀,因此需定时将其排放。
滤膜机:滤膜机主要通过在滤柱上形成的炭层,该碳层是经过高温生成的活性炭具有发达的内部空隙,当污水经过活性炭层时,污水中的污染物质在活性炭发达的空隙内,通过范德华力等的作用,被镶嵌在活性炭内部,从而达到去除污染物的目的将污水中的有机物去除,此时COD已大幅度降低,之后进入反渗透系统。本工艺的主要仪器设备是过滤离心泵:Q=30 m3/h,H=20 m,N=2.2 KW;液位控制器:LT802;活性炭过滤罐:直径=2.0m。
从上述分析可知,原工艺能有效的处理城市粪污,出水水质稳定,但进入滤膜机和反渗透系统的污染物浓度偏高,使得滤膜机中活性炭的消耗量与反渗透膜的消耗量过高,所以对本工艺进行一定的改良,增加AAO水质净化工艺,工艺流程图如图3所示。好氧池回流部分混合液到缺氧池,粪水在缺氧池内进行反硝化反应,沉淀池污泥回流厌氧池,保持AO系统内的微生物量[7-8]。
图3 改良后工艺流程图Fig.3 Flow chart of improved process
通过实际的检验和调试,本文针对粪便混合液高COD、悬浮物多、水质不稳定的特点设计的粪便污水处理工艺及设备,在实际应用的经验下对工艺进行改进。利用混凝-厌氧-KIC接触氧化-滤膜机-反渗透工艺处理粪水,出水水质稳定,且氨氮与COD均下降到100mg/L以下。废水经过处理后可回用于项目场地的养护,清洁等。本工艺在同行类似项目上具有较好的推广价值。
本城市粪污处理工艺经优化后,可延长反渗透膜的使用寿命,降低膜的消耗成本,且出水水质更稳定。如今城市粪污处理的市场价格大约在25元/吨,本工艺在实际运行当中,处理成本约为15元/吨,大幅度降低了粪污处理的成本,经济效益十分显著。