膜生物反应器在电厂生活污水处理与污泥减量工程中的应用

葛 洪, 顾锦绣, 张坚明, 姚建强, 安 莹, 李宇杰, 戴世峰, 周 振

(1.上海电力股份有限公司吴泾热电厂, 上海 200241; 2.上海电力大学, 上海 201306; 3.上海天泽宇杰环境工程有限公司, 上海 200090)

上海吴泾热电厂除厕所冲水有相应化粪池处理设施外,其他生活污水直接排入厂生活污水管网,汇集在生活污水集水井,经泵排入市政纳管。生活污水没有相应的污水处理措施,不能保证环保合格排放,存在较大的环保风险;而且生活污水全部纳入市政管网,没有回收利用,造成水资源浪费和排水费用增加。随污水“零排放”要求的提出,针对厂区生活污水现状,吴泾热电厂生活污水改造项目势在必行。

吴泾热电厂服务职员约1 350人,生活污水量存在时空分布差异,拟利用原有生活污水集水井和生活污水管道系统的生活污水池对污水高峰流量进行储存,建设一套一体化缺氧/好氧-膜生物反应器(AO-MBR)工艺技术的生活污水回用设备。一期处理规模为100 m3/d,占地44 m2。污水经“AO-MBR+紫外消毒”工艺处理后进入工废池系统,出水水质满足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用 工业用水水质》“敞开式循环冷却水系统补充水”标准,作为工业用水和消防用水的补充[1]。污泥采用同步膜浓缩消化工艺(MSTD)进行减量化和稳定化处理。

1 设计规模和水质指标

据统计,吴泾热电厂生活污水排放量200～300 m3/d,考虑到厂内生活污水源头减量工作实施和职员退休等因素,生活污水回收改造项目拟分期建设。一期设计规模为100 m3/d,短时最大处理量可达125 m3/d。出水水质执行GB/T 19923—2005《城市污水再生利用 工业用水水质》“敞开式循环冷却水系统补充水”标准。设计进、出水水质化学需氧量(COD)、五日生化需氧(BOD5)、固体悬浮物浓度(SS)等指标,具体见表1。

表1 电厂生活污水的设计进水和出水水质

2 工艺比选

根据吴泾热电厂进出水水质情况以及污水处理系统稳定运行的要求,拟定了“厌氧/缺氧/好氧(AAO)+二沉池+混凝沉淀+消毒”[2]和“AO-MBR+消毒”工艺[3-5]两种常见的污水处理工艺。

AAO是一种传统的推流式前置反硝化工艺,特点是厌氧、缺氧和好氧三段功能明确,界限分明,可根据进水条件和出水要求,人为地创造和控制三段的运转条件[6]。只要碳源充足[COD/TKN(总凯氏氮)>12.5或BOD5/TKN>4]便可根据需要达到较高的脱氮率。其工艺耐冲击负荷能力强,运行管理简单,但传统AAO的出水水质很难直接达到一级A标准,必须增加深度处理工艺,且工艺日常运行的主要问题在于SS容易因污泥上浮而超标,因此增加了混凝沉淀环节。另外,AAO工艺还存在总磷达标难题,须辅助化学除磷。

AO生物脱氮工艺将传统活性污泥与生物硝化结合,取长补短,更有效去除水中的有机物。膜生物反应器(MBR)是将膜分离技术与生物处理单元相结合的水处理技术,反应系统由膜组件、出水系统、清洗系统等组成,以高效膜分离代替传统活性污泥法中的二沉池,省却了传统活性污泥法中剩余污泥的回流。MBR相较于传统工艺,具有以下优势[7]:高效地实现固液分离,分离效果好于传统的沉淀池,无需顾虑污泥膨胀问题,出水水质良好且稳定;由于膜的高效截留作用,出水SS≤1 mg/L,可使微生物完全截留在生物反应器内,实现反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离,使运行控制更加灵活稳定;能在高污泥浓度下运行,抗水质波动能力强,容积负荷高,占地面积小;长污泥龄有利于增殖缓慢的微生物(如硝化细菌)的截留和生长,系统硝化效率得以提高,同时有效地将分解难降解有机物的微生物滞留在反应器内,提高了难降解有机物的去除率;MBR可以在高容积负荷、低污泥负荷下运行,剩余污泥产量低,降低了污泥处理费用;建设周期短,施工费用低,易于标准化和设备化;易实现自动控制,操作管理方便;减少加氯消毒量,也可以提供高效率的消毒效果。MBR的投资现已与常规工艺相当,在现有工艺的升级改造上,投资甚至还低于常规工艺。为实现总磷达标,AO-MBR在必要情况下应辅以化学除磷。现将上述主体工艺进行综合对比,如表2所示。

表2 电厂生活污水处理主体工艺比选

从水质达标运行的稳定度、占地面积、施工难易程度及运行管理角度来看,“AO-MBR+消毒”工艺更适合吴泾热电厂生活污水处理。具体工艺流程如图1所示。

图1 吴泾热电厂生活污水的处理工艺流程

3 主要构筑物设计

3.1 格栅集水井

MBR系统对进水SS浓度有限制要求,为防止大量悬浮物进入MBR池导致膜污染加剧,需对原格栅集水井进行改造利旧。现新增1道粗格栅和1道细格栅,材质均为304不锈钢。粗格栅间隙20 mm,尺寸为675 mm×1 850 mm×20 mm;细格栅间隙5 mm,尺寸为675 mm×1 850 mm×20 mm。另增立式污水离心泵2台(1用1备),铸铁材质,单泵流量Q为12.5 m3/h,扬程H为16 m,功率N为1.1 kW。根据进水悬浮物的浓度,设计清捞周期为7 d。

3.2 一体化AO-MBR污水设备

一体化AO-MBR污水设备处理规模为100 m3/d,设备尺寸为8.0 m×2.8 m×3.0 m,碳钢防腐材质,装机功率10 kW;其基础尺寸为13.7 m×3.2 m×0.35 m,钢砼结构。处理构筑物包含AO-MBR池、MSTD池及设备机房。

3.2.1 AO-MBR池

缺氧池内主要实现反硝化作用。缺氧状态下,反硝化菌将硝化回流液中的硝氮和少量亚硝氮还原成氮气,实现生物脱氮。缺氧池内配置搅拌设备,使池内污泥保持悬浮状态,与进水及回流污泥充分混合。好氧MBR池内主要实现有机物的去除及硝化过程,平板膜生物反应器在微生物完成这一系列有机物降解及生物脱氮除磷后,实现泥水分离,确保出水水质。

AO-MBR池处理规模为100 m3/d。缺氧池尺寸为2.5 m×1.4 m×3.0 m,有效水深2.5 m;好氧MBR池尺寸为2.9 m×2.8 m×3.0 m,有效水深2.5 m。总水力停留时间为7 h,其中缺氧池2.1 h,好氧MBR池4.9 h;BOD5污泥负荷为0.045 kgBOD5/(kgMLSS·d);总氮负荷为0.02 kgTN/(kgMLSS·d);缺氧污泥浓度为5.6 g/L,好氧MBR池污泥浓度为10.1 g/L,污泥龄为40 d;硝化液回流比为100%;排泥量0.51 m3/d,污泥表观产率系数0.09 kgMLVSS/kgCOD,总污泥产量5.18 kgMLSS/d。设回流泵1台,流量Q为12 m3/h,扬程H为1 m,功率N为0.15 kW;排泥泵1台,流量Q为6 m3/h,扬程H为3 m,功率N为0.15 kW。工艺配置平板膜组件2组,元件结构和外形见图2和图3,型号为ZZ1500-120,单组尺寸为1 700 mm×600 mm×1 800 mm,平板膜面积336 m2,平板膜通量为15 L/(m2·h)。好氧MBR池采用鼓风曝气,回转式鼓风机安置在设备机房,单机流量Q为1.82 m3/min,扬程H为3 m,功率N为2.2 kW,尺寸为1 180 mm×400 mm×775 mm,铸铁为HT250材质。曝气管冲洗频率一天一次,至少两天一次,每次冲洗1～2 min即可。出水采用1台紫外消毒器消毒,流量Q为5～6 m3/h,功率N为0.1 kW,尺寸为75 mm×900 mm,304不锈钢材质。

图2 元件结构示意

图3 平板膜组件外形

3.2.2 MSTD池

MSTD以剩余活性污泥为处理对象,通过延长停留时间,强化污泥的内源消化作用,同时利用膜的物理截留作用,在污泥浓缩的同时同步实现污泥消化[8]。

MSTD池结构紧凑,占地面积小,容易实现自动化操作,也大大节省了基建费用和运行费用。排放的污泥含水率≤96%,大大减少了剩余污泥的体积,排放的污泥容量约为原污泥容量的25%。池体尺寸为2.5 m×1.4 m×3.0 m,有效水深2.5 m,有效容积8.7 m3,清运周期90 d/次。系统配置平板膜组件1组,型号为ZZ1000-40,单组尺寸为610 mm×600 mm×1 800 mm。

3.2.3 设备机房

设备机房中放置鼓风机、膜出水泵、自控设备、加药设备等。自控设备为PLC控制系统,碳钢防腐材质,尺寸1 000 mm×800 mm×250 mm,预留业主外接信号接口。配置MSTD膜出水泵2台,为自吸式离心泵,泵体材质铸铁,单泵流量Q为6 m3/h,扬程H为10 m,功率N为0.4 kW,尺寸为360 mm×180 mm×220 mm。

4 工艺运行效果

4.1 运行稳定性

在接种城镇污水处理厂脱水污泥后,经过30 d的调试和试运行,该系统进入稳定运行阶段。目前该系统已经稳定运行100余日,系统通量维持在设计的15 L/(m2·h),而跨膜压差始终维持在较低水平,远低于膜清洗设定的30 kPa。

4.2 污染物去除效果

经过30日的调试和试运行,一体化AO-MBR污水设备出水水质见表3。由表3可知,该系统具有很高的污染物去除效率,其中氨氮与总磷去除率高于95%,而COD和总氮去除率也接近90%。最终出水水质远优于设计要求的水质指标。此外,由于MSTD的实施,实现了系统污泥的大幅度减量,在稳定运行期间,无剩余污泥外排。

表3 一体化AO-MBR生活污水处理设备出水水质

4.3 工艺运行成本

该工艺运行过程中的主要运行费用包括电耗(进水、曝气、回流与消毒),化学除磷投加的除磷药剂,以及膜清洗过程中需要的次氯酸钠等。经测算,该项目运行成本约为0.722元/t,包括设备运行电耗0.700元/t,除磷药剂费0.021元/t,膜清洗药剂费用0.001元/t。

5 新冠肺炎疫情下的反思

2020年初,新型冠状病毒席卷了整个世界。结合此次疫情的严重性与防疫要求,在生活污水处理过程中,后续还应该进一步注重消毒环节设计运行与日常操作管理的标准化。一体化AO-MBR生活污水处理设备由于采用了高效微滤膜过滤技术,出水的微生物指标远优于国家标准。再辅以紫外消毒和氯片消毒技术,可以确保包括新型冠状病毒在内的细菌、病毒被完全杀菌后排放,从根本上切断生活污水方面的传播途径。

对于日常运行管理,提出如下防疫对策:对生活污水处理设备涉及区域进行封闭与管控,使用摄像头进行无死角监控,防止无关人员或者生物进入设备相关区域,以免发生二次感染疾病传播;对设备调试和维护人员予以全面保护,包括但不限于防护服、口罩、防毒面具、护目镜等相关防疫保护,以保证工作人员的身体健康,杜绝在设备维护、维修中产生不必要的粪口传播、接触传播、气溶胶传播等;定期对污水处理设施周围区域喷洒消毒药水,以保证相关设施周围具有良好的防疫情况。

6 结 语

“AO-MBR+紫外消毒”用于电厂生活污水处理,能够实现污染物的高效去除,出水稳定达到回用标准的要求,可以作为工业用水和消防用水的补充。该系统通过耦合同步膜浓缩消化工艺实现了污泥源头大幅度减量。

吴泾热电厂100 m3/d的生活污水处理系统改造工程表明,AO-MBR工艺具有出水水质好、占地面积小、污泥产率低、自动化程度高等优点。工程实施后出水水质符合回用的要求,减少了黄浦江新鲜水的取用量,提高了生活污水的回收利用率,大大减少了废水排放;该系统运行管理可实现全程自动化和远程监控,有效提高了电厂的水务管理水平。