王樂(lè)陽(yáng),張瑞斌,潘卓兮

(1.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司,南京 210014;2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術(shù)研究中心,南京 210014)

農(nóng)村生活污水是造成農(nóng)村水環(huán)境污染的首要因素,是農(nóng)村人居環(huán)境治理的重要內(nèi)容之一,其主要來(lái)源于廚房污水、生活洗滌污水和廁所污水[1]。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化、集約化發(fā)展進(jìn)程加快,農(nóng)村人口逐步集中,同時(shí)農(nóng)村居民收入的提升也伴隨著衛(wèi)生廁所、洗衣機(jī)和淋浴設(shè)施的普及,導(dǎo)致農(nóng)村居民的用水量和污水排放量逐年增加。根據(jù)第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查主要數(shù)據(jù)顯示,截至2016年末,全國(guó)普查范圍內(nèi)47.7%的農(nóng)戶(hù)使用經(jīng)過(guò)凈化處理的自來(lái)水,36.2%的農(nóng)戶(hù)使用水沖式衛(wèi)生廁所,農(nóng)村人均生活用水量和污水排放量逐年遞增[2]。

為了緩解農(nóng)村生活污水對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的壓力,農(nóng)村生活污水處理設(shè)施逐漸在各地推廣普及。由于城市和工業(yè)污水處理技術(shù)存在投資大、能耗高、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題,不能將其簡(jiǎn)單套用到農(nóng)村生活污水處理中[3],同時(shí)傳統(tǒng)的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施維護(hù)巡檢周期較長(zhǎng),無(wú)法隨時(shí)掌握各污水處理節(jié)點(diǎn)水量、水位、水質(zhì)以及設(shè)備狀態(tài)等情況,且傳統(tǒng)污水廠鋼筋混凝土“工程建造”舊模式無(wú)法重復(fù)使用[4],設(shè)計(jì)及施工復(fù)雜、占地較多、周期較長(zhǎng),材料、機(jī)械使用量大,碳排放量高。當(dāng)前市場(chǎng)一體化污廢水處理裝置也存在著處理量小、運(yùn)輸量大,污水處理設(shè)施加工、安裝過(guò)程的碳排放量高,出水水質(zhì)經(jīng)常不達(dá)標(biāo),資源化利用困難等問(wèn)題[5]。因此,必須開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)單實(shí)用、節(jié)能低碳、處理效果好且適合農(nóng)村地區(qū)的污水處理設(shè)備。

1 設(shè)備工藝流程

智能裝配式AO-MBR設(shè)備(見(jiàn)圖1)采用生物接觸氧化處理工藝,分別設(shè)置緩釋碳源缺氧槽(缺氧區(qū),Anoxic)、固定填料氧化槽(好氧區(qū),Oxic)和好氧MBR沉淀槽(MBR區(qū))3個(gè)功能區(qū),并在缺氧區(qū)和好氧區(qū)內(nèi)部分別設(shè)置緩釋碳源填料和固定化菌藻填料/鋁污泥復(fù)合填料。缺氧區(qū)攪拌方式采用潛水?dāng)嚢杵鏖g歇攪拌,好氧區(qū)和MBR區(qū)曝氣采用漩渦風(fēng)機(jī)曝氣。

圖1 智能裝配式AO-MBR設(shè)備圖

如圖2所示,農(nóng)村生活污水首先通過(guò)粗細(xì)格柵進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行水質(zhì)水量調(diào)節(jié),混勻的污水通過(guò)提升泵提升至一體化設(shè)備緩釋碳源缺氧槽,在缺氧槽內(nèi)與硝化回流液進(jìn)行混合,利用進(jìn)水的有機(jī)物及緩釋碳源填料作為電子供體,在缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化脫氮,去除硝氮;缺氧槽的污水再進(jìn)入固定填料氧化槽,在氧化槽內(nèi)通入空氣,在好氧微生物作用下,去除污水有機(jī)物和氨氮,聚磷菌利用好氧條件下產(chǎn)生的動(dòng)力吸收過(guò)量的磷;污水通過(guò)MBR沉淀槽底部設(shè)置的斜板沉淀裝置進(jìn)行泥水初步分離后進(jìn)入好氧MBR沉淀槽,凈化后的水流入消毒池,紫外線(xiàn)消毒后出水達(dá)標(biāo)排放;部分污泥通過(guò)污泥泵回流至缺氧池,剩余污泥排放至儲(chǔ)泥池。

圖2 工藝流程圖

2 設(shè)備填料和裝置

2.1 設(shè)計(jì)水量及進(jìn)出水水質(zhì)

智能裝配式AO-MBR設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)模為170 t/d,設(shè)備要求的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示,出水水質(zhì)參照?qǐng)?zhí)行江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/ 3462—2020)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 填料制備

2.2.1 原材料準(zhǔn)備

1)將取自污水處理廠二沉池的活性污泥自然沉降后,得到含水率約為60%的污泥,將其加入自配的培養(yǎng)液中曝氣,每12 h停止曝氣2 h,每3 d換一次培養(yǎng)液,培養(yǎng)完成后,在離心半徑為13.5 cm、轉(zhuǎn)速為3 500 r/min下,離心15 min以獲得濃縮液,置于0～4 ℃冰箱中保存。

2)蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoi)藻粉購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所,其由生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的蛋白核小球藻噴霧干燥獲得。將藻粉置于60 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重,備用。

3)鋁污泥取自給水廠,鋼渣為煉鋼廠廢棄物,沸石為廠家購(gòu)買(mǎi),其中鋁污泥的主要成分為Al2O3,質(zhì)量濃度為38.62%～45.84%,鋼渣的主要成分為Fe2O3(20.42%～26.36%)、CaO(33.23%～42.58%)和MgO(4.89%～8.06%),沸石的主要成分為鋁硅酸鹽礦物,其SiO2含量高于65%。

2.2.2 固定化菌藻填料的制備

海藻酸鈉與80 ℃的去離子水以質(zhì)量比1∶20混合均勻,待室溫時(shí)加入一定質(zhì)量的藻粉和活性污泥濃縮液,攪拌均勻。用蠕動(dòng)泵和內(nèi)徑為2 mm的軟管將菌藻混合液在距離CaCl2和BaCl2固化液面20 cm處有序滴下,制備直徑約為3 mm的固定化菌藻膠球,冷藏備用。其中,固化液中CaCl2和BaCl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%。經(jīng)測(cè)定,固定化菌藻膠球孔隙率達(dá)到38.5%～42.3%,細(xì)菌濃度達(dá)3.52×104cfu/mm3。

2.2.3 鋁污泥復(fù)合填料的制備

鋁污泥復(fù)合填料由質(zhì)量份為40～50份的沸石、40～50份的鋼渣和50～60份的鋁污泥組成,沸石和鋼渣加入粘結(jié)劑攪拌均勻后放入造粒機(jī)得到顆粒物,將脫水后的鋁污泥包裹在顆粒物表面,形成鋁污泥殼,在105～120 ℃下烘干2～3 h以去除水分,經(jīng)烘干后放入500～600 ℃無(wú)氧焙燒爐中焙燒6～8 h得到表面鈍化且?guī)в写罅靠紫兜那驙钿X污泥-鋼渣-沸石復(fù)合填料。經(jīng)測(cè)定,鋁污泥復(fù)合填料體積密度為1.35±0.16 g/cm3、孔隙率為0.36～0.49、比表面積為31.1～48.0 m2/g、電導(dǎo)率為0.030 2～0.032 6 S/m、Al2O3含量為29.62%～34.65%、Fe2O3含量為3.25%～4.02%。

2.2.4 緩釋碳源填料的制備

緩釋碳源填料以天然玉米芯為主要原料,浸沒(méi)在1%～2%體積濃度的堿性雙氧水中,在90 ℃～100 ℃恒溫中經(jīng)水浴2～3 h改性制作而成。制備的改性玉米芯結(jié)構(gòu)松散、表面積增大且具有多孔性,粒徑為8～12 mm,密度為0.3～0.6 g/cm3。

2.3 主要裝置情況

如圖3所示,智能裝配式AO-MBR設(shè)備主體裝置主要由池體、自主研發(fā)的生物填料、風(fēng)機(jī)、在線(xiàn)儀表、加藥裝置、控制系統(tǒng)及其各類(lèi)管道組成,設(shè)備長(zhǎng)、寬、高分別為11.0 m、3.0 m和3.0 m,有效水深為2.60 m。池體采用模塊化的高強(qiáng)度、抗沖擊箱體板和標(biāo)準(zhǔn)化模塊間螺栓機(jī)械錨固拼接方式,池體內(nèi)外均進(jìn)行噴漆防腐處理,頂部蓋板為可拆卸式,池體內(nèi)部主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 智能裝配式AO-MBR設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

圖3 智能裝配式AO-MBR設(shè)備主體裝置示意圖

智能裝配式AO-MBR設(shè)備終端運(yùn)行通過(guò)PLC自動(dòng)運(yùn)行和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制,有自動(dòng)和手動(dòng)2種模式。自控程序設(shè)置完成后,根據(jù)處理水量及膜產(chǎn)水通量等參數(shù),可在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)備的開(kāi)關(guān)及相關(guān)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)的調(diào)整,終端無(wú)需專(zhuān)人值守,系統(tǒng)操作方便,安全可靠。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 處理效果分析

試驗(yàn)在江蘇省南京市江寧區(qū)某農(nóng)村進(jìn)行,進(jìn)水為周邊居民的生活污水,試驗(yàn)期間設(shè)備運(yùn)行良好,每7 d進(jìn)行2次采樣和水質(zhì)檢測(cè),采樣時(shí)間為上午10時(shí),連續(xù)采樣一個(gè)月,進(jìn)、出水分別在調(diào)節(jié)池和消毒池出口取樣,污水處理結(jié)果如表3所示。由表3可知,經(jīng)過(guò)智能裝配式AO-MBR設(shè)備的處理,COD最高出水指標(biāo)為28.6 mg/L,NH3-N出水濃度保持在1.3 mg/L以下,TN出水濃度保持在1.5 mg/L以下,TP出水保持在0.3 mg/L以下,水質(zhì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)表明該設(shè)備出水效果良好,出水水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/ 3462—2020)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)A標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

表3 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì) mg/L

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

3.2.1 設(shè)備成本

本設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化模塊全面適配各種地形條件下的工程現(xiàn)場(chǎng),可調(diào)整模塊大小和數(shù)量,節(jié)省鋼筋、混凝土、砂石、模板、施工機(jī)械等,大幅度降低污水處理設(shè)施加工、安裝過(guò)程的碳排放,同時(shí)裝配式系統(tǒng)可以針對(duì)不同水質(zhì)使用不同環(huán)境友好型微生物菌團(tuán),提高微生物菌的健壯強(qiáng)度及繁殖能力。填料原材料鋁污泥、鋼渣和玉米芯分別是水廠、鋼廠和農(nóng)業(yè)廢棄物,藻粉和污泥亦來(lái)源廣闊,因此自主研發(fā)的固定化菌藻填料、鋁污泥復(fù)合填料和緩釋碳源填料的綜合制備單價(jià)只需450元/m3,價(jià)格便宜的同時(shí)脫氮除磷性能大幅提高,具有極大的性?xún)r(jià)比。好氧MBR沉淀槽底部設(shè)置的斜板沉淀裝置,減少了進(jìn)入MBR膜組件的污泥量,解決了MBR膜組件易堵塞問(wèn)題,使MBR膜組件的使用壽命延長(zhǎng)了2～3倍。相較于其他農(nóng)村污水處理設(shè)備,就相同工藝、相同處理規(guī)模的一體化設(shè)備成本進(jìn)行對(duì)比分析,在相同條件下,本設(shè)備成本較常規(guī)設(shè)備低15%～25%。

3.2.2 運(yùn)維成本

智能裝配式AO-MBR設(shè)備運(yùn)行無(wú)水耗、維護(hù)簡(jiǎn)單,運(yùn)維成本主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)和折舊費(fèi)等。電費(fèi)主要是為污水提升、污泥回流和曝氣等產(chǎn)生的動(dòng)力耗費(fèi),本設(shè)備使用特定波形結(jié)構(gòu)箱體側(cè)板,使流體呈紊流流態(tài),能夠提高混合效率,同時(shí)通過(guò)在功能池內(nèi)部設(shè)計(jì)多次翻騰及折流結(jié)構(gòu),降低流態(tài)惰性,提高布水及出水均勻性,有效降低動(dòng)力耗費(fèi)。由于緩釋碳源材料能夠穩(wěn)定提供反硝化反應(yīng)所需的碳源,因此在設(shè)備運(yùn)行期間無(wú)需額外添加碳源和除磷劑等藥劑,此時(shí)藥劑費(fèi)用主要為膜清洗造成的。人工費(fèi)用主要為每次清洗MBR膜產(chǎn)生,按MBR膜清洗次數(shù)計(jì)算。由于本設(shè)備好氧MBR沉淀槽底部設(shè)置斜板沉淀裝置,減少了進(jìn)入MBR膜組件的污泥量,解決了MBR膜組件易堵塞問(wèn)題,故恢復(fù)性清洗由常規(guī)設(shè)備的三個(gè)月清洗一次變成六個(gè)月清洗一次,清洗時(shí)采用藥劑為3 000 mg/L的NaClO溶液和3 000 mg/L的檸檬酸溶液。綜上所述,本設(shè)備的日常運(yùn)維費(fèi)約為0.97元/t污水(見(jiàn)表4)。

表4 智能裝配式AO-MBR設(shè)備運(yùn)維分析表

3.3 推廣價(jià)值

何曉芳等[6]采用PTFE平板膜組件MBR與A2O(厭氧-缺氧-好氧工藝)相結(jié)合的一體化設(shè)備,將之應(yīng)用于浙江省水源保護(hù)地農(nóng)村生活污水的終端處理,出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定符合一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),部分指標(biāo)能夠達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),該工程設(shè)備的日常運(yùn)維費(fèi)約為1.17元/t污水。楊紅梅等[7]針對(duì)四川省金堂縣流量小、氨氮高、水質(zhì)變化大的農(nóng)村生活污水,采用一體化設(shè)備并運(yùn)用智慧化云端物聯(lián)網(wǎng)對(duì)其處理,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),直接運(yùn)行成本2.74 元/t污水。夏斌等[8]采用生物接觸氧化工藝的一體化設(shè)備處理農(nóng)村生活污水,出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)行費(fèi)用1.06元/t污水。智能裝配式AO-MBR設(shè)備處理后的出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),而日常運(yùn)維費(fèi)用僅為0.97元/t污水,低于常規(guī)一體化設(shè)備的日常運(yùn)行費(fèi)用,具有良好的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

智能裝配式AO-MBR設(shè)備采用工廠化“智造”預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化模塊,全面適配各種地形條件下的工程現(xiàn)場(chǎng),占地面積小,安裝便捷,配合PLC自動(dòng)控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制,無(wú)需專(zhuān)人值守,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,出水效果好,適用于農(nóng)村分散點(diǎn)位廢水處理。

1)設(shè)備出水穩(wěn)定,COD最高出水指標(biāo)為28.6 mg/L,NH3-N出水濃度保持在1.3 mg/L以下,TN出水濃度保持在1.5 mg/L以下,TP出水濃度保持在0.3 mg/L以下,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

2)工廠化“智造”預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化模塊、自主研發(fā)的生物填料和斜板沉淀裝置使得本設(shè)備在設(shè)備成本、運(yùn)維成本等方面均有一定優(yōu)勢(shì),設(shè)備成本較常規(guī)設(shè)備低15%～25%,運(yùn)維成本僅為0.97元/t污水,節(jié)能減碳效果好。