智能装配式设备对农村污水低碳处理效果分析

王乐阳,张瑞斌,潘卓兮

(1.江苏龙腾工程设计股份有限公司,南京 210014;2.江苏省雨污水资源化利用工程技术研究中心,南京 210014)

农村生活污水是造成农村水环境污染的首要因素,是农村人居环境治理的重要内容之一,其主要来源于厨房污水、生活洗涤污水和厕所污水[1]。随着农业规模化、集约化发展进程加快,农村人口逐步集中,同时农村居民收入的提升也伴随着卫生厕所、洗衣机和淋浴设施的普及,导致农村居民的用水量和污水排放量逐年增加。根据第三次全国农业普查主要数据显示,截至2016年末,全国普查范围内47.7%的农户使用经过净化处理的自来水,36.2%的农户使用水冲式卫生厕所,农村人均生活用水量和污水排放量逐年递增[2]。

为了缓解农村生活污水对生态环境造成的压力,农村生活污水处理设施逐渐在各地推广普及。由于城市和工业污水处理技术存在投资大、能耗高、运行费用高等问题,不能将其简单套用到农村生活污水处理中[3],同时传统的农村生活污水处理设施维护巡检周期较长,无法随时掌握各污水处理节点水量、水位、水质以及设备状态等情况,且传统污水厂钢筋混凝土“工程建造”旧模式无法重复使用[4],设计及施工复杂、占地较多、周期较长,材料、机械使用量大,碳排放量高。当前市场一体化污废水处理装置也存在着处理量小、运输量大,污水处理设施加工、安装过程的碳排放量高,出水水质经常不达标,资源化利用困难等问题[5]。因此,必须开发一套简单实用、节能低碳、处理效果好且适合农村地区的污水处理设备。

1 设备工艺流程

智能装配式AO-MBR设备(见图1)采用生物接触氧化处理工艺,分别设置缓释碳源缺氧槽(缺氧区,Anoxic)、固定填料氧化槽(好氧区,Oxic)和好氧MBR沉淀槽(MBR区)3个功能区,并在缺氧区和好氧区内部分别设置缓释碳源填料和固定化菌藻填料/铝污泥复合填料。缺氧区搅拌方式采用潜水搅拌器间歇搅拌,好氧区和MBR区曝气采用漩涡风机曝气。

图1 智能装配式AO-MBR设备图

如图2所示,农村生活污水首先通过粗细格栅进入调节池进行水质水量调节,混匀的污水通过提升泵提升至一体化设备缓释碳源缺氧槽,在缺氧槽内与硝化回流液进行混合,利用进水的有机物及缓释碳源填料作为电子供体,在缺氧区进行反硝化脱氮,去除硝氮;缺氧槽的污水再进入固定填料氧化槽,在氧化槽内通入空气,在好氧微生物作用下,去除污水有机物和氨氮,聚磷菌利用好氧条件下产生的动力吸收过量的磷;污水通过MBR沉淀槽底部设置的斜板沉淀装置进行泥水初步分离后进入好氧MBR沉淀槽,净化后的水流入消毒池,紫外线消毒后出水达标排放;部分污泥通过污泥泵回流至缺氧池,剩余污泥排放至储泥池。

图2 工艺流程图

2 设备填料和装置

2.1 设计水量及进出水水质

智能装配式AO-MBR设备设计规模为170 t/d,设备要求的设计进出水水质如表1所示,出水水质参照执行江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 32/ 3462—2020)一级标准A标准。

2.2 填料制备

2.2.1 原材料准备

1)将取自污水处理厂二沉池的活性污泥自然沉降后,得到含水率约为60%的污泥,将其加入自配的培养液中曝气,每12 h停止曝气2 h,每3 d换一次培养液,培养完成后,在离心半径为13.5 cm、转速为3 500 r/min下,离心15 min以获得浓缩液,置于0～4 ℃冰箱中保存。

2)蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoi)藻粉购自中国科学院武汉水生生物研究所,其由生长至对数生长期的蛋白核小球藻喷雾干燥获得。将藻粉置于60 ℃烘箱内烘至恒重,备用。

3)铝污泥取自给水厂,钢渣为炼钢厂废弃物,沸石为厂家购买,其中铝污泥的主要成分为Al2O3,质量浓度为38.62%～45.84%,钢渣的主要成分为Fe2O3(20.42%～26.36%)、CaO(33.23%～42.58%)和MgO(4.89%～8.06%),沸石的主要成分为铝硅酸盐矿物,其SiO2含量高于65%。

2.2.2 固定化菌藻填料的制备

海藻酸钠与80 ℃的去离子水以质量比1∶20混合均匀,待室温时加入一定质量的藻粉和活性污泥浓缩液,搅拌均匀。用蠕动泵和内径为2 mm的软管将菌藻混合液在距离CaCl2和BaCl2固化液面20 cm处有序滴下,制备直径约为3 mm的固定化菌藻胶球,冷藏备用。其中,固化液中CaCl2和BaCl2的质量分数均为2%。经测定,固定化菌藻胶球孔隙率达到38.5%～42.3%,细菌浓度达3.52×104cfu/mm3。

2.2.3 铝污泥复合填料的制备

铝污泥复合填料由质量份为40～50份的沸石、40～50份的钢渣和50～60份的铝污泥组成,沸石和钢渣加入粘结剂搅拌均匀后放入造粒机得到颗粒物,将脱水后的铝污泥包裹在颗粒物表面,形成铝污泥壳,在105～120 ℃下烘干2～3 h以去除水分,经烘干后放入500～600 ℃无氧焙烧炉中焙烧6～8 h得到表面钝化且带有大量孔隙的球状铝污泥-钢渣-沸石复合填料。经测定,铝污泥复合填料体积密度为1.35±0.16 g/cm3、孔隙率为0.36～0.49、比表面积为31.1～48.0 m2/g、电导率为0.030 2～0.032 6 S/m、Al2O3含量为29.62%～34.65%、Fe2O3含量为3.25%～4.02%。

2.2.4 缓释碳源填料的制备

缓释碳源填料以天然玉米芯为主要原料,浸没在1%～2%体积浓度的碱性双氧水中,在90 ℃～100 ℃恒温中经水浴2～3 h改性制作而成。制备的改性玉米芯结构松散、表面积增大且具有多孔性,粒径为8～12 mm,密度为0.3～0.6 g/cm3。

2.3 主要装置情况

如图3所示,智能装配式AO-MBR设备主体装置主要由池体、自主研发的生物填料、风机、在线仪表、加药装置、控制系统及其各类管道组成,设备长、宽、高分别为11.0 m、3.0 m和3.0 m,有效水深为2.60 m。池体采用模块化的高强度、抗冲击箱体板和标准化模块间螺栓机械锚固拼接方式,池体内外均进行喷漆防腐处理,顶部盖板为可拆卸式,池体内部主要技术参数如表2所示。

表2 智能装配式AO-MBR设备主要技术参数

图3 智能装配式AO-MBR设备主体装置示意图

智能装配式AO-MBR设备终端运行通过PLC自动运行和物联网云平台的远程控制,有自动和手动2种模式。自控程序设置完成后,根据处理水量及膜产水通量等参数,可在物联网云平台实现一体化设备的开关及相关运行时间参数的调整,终端无需专人值守,系统操作方便,安全可靠。

3 实际应用案例

3.1 处理效果分析

试验在江苏省南京市江宁区某农村进行,进水为周边居民的生活污水,试验期间设备运行良好,每7 d进行2次采样和水质检测,采样时间为上午10时,连续采样一个月,进、出水分别在调节池和消毒池出口取样,污水处理结果如表3所示。由表3可知,经过智能装配式AO-MBR设备的处理,COD最高出水指标为28.6 mg/L,NH3-N出水浓度保持在1.3 mg/L以下,TN出水浓度保持在1.5 mg/L以下,TP出水保持在0.3 mg/L以下,水质运行监测表明该设备出水效果良好,出水水质远远优于江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 32/ 3462—2020)一级标准A标准,稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水标准。

表3 实际进出水水质 mg/L

3.2 经济指标分析

3.2.1 设备成本

本设备的标准化模块全面适配各种地形条件下的工程现场,可调整模块大小和数量,节省钢筋、混凝土、砂石、模板、施工机械等,大幅度降低污水处理设施加工、安装过程的碳排放,同时装配式系统可以针对不同水质使用不同环境友好型微生物菌团,提高微生物菌的健壮强度及繁殖能力。填料原材料铝污泥、钢渣和玉米芯分别是水厂、钢厂和农业废弃物,藻粉和污泥亦来源广阔,因此自主研发的固定化菌藻填料、铝污泥复合填料和缓释碳源填料的综合制备单价只需450元/m3,价格便宜的同时脱氮除磷性能大幅提高,具有极大的性价比。好氧MBR沉淀槽底部设置的斜板沉淀装置,减少了进入MBR膜组件的污泥量,解决了MBR膜组件易堵塞问题,使MBR膜组件的使用寿命延长了2～3倍。相较于其他农村污水处理设备,就相同工艺、相同处理规模的一体化设备成本进行对比分析,在相同条件下,本设备成本较常规设备低15%～25%。

3.2.2 运维成本

智能装配式AO-MBR设备运行无水耗、维护简单,运维成本主要包括电费、药剂费、人工费、维修费和折旧费等。电费主要是为污水提升、污泥回流和曝气等产生的动力耗费,本设备使用特定波形结构箱体侧板,使流体呈紊流流态,能够提高混合效率,同时通过在功能池内部设计多次翻腾及折流结构,降低流态惰性,提高布水及出水均匀性,有效降低动力耗费。由于缓释碳源材料能够稳定提供反硝化反应所需的碳源,因此在设备运行期间无需额外添加碳源和除磷剂等药剂,此时药剂费用主要为膜清洗造成的。人工费用主要为每次清洗MBR膜产生,按MBR膜清洗次数计算。由于本设备好氧MBR沉淀槽底部设置斜板沉淀装置,减少了进入MBR膜组件的污泥量,解决了MBR膜组件易堵塞问题,故恢复性清洗由常规设备的三个月清洗一次变成六个月清洗一次,清洗时采用药剂为3 000 mg/L的NaClO溶液和3 000 mg/L的柠檬酸溶液。综上所述,本设备的日常运维费约为0.97元/t污水(见表4)。

表4 智能装配式AO-MBR设备运维分析表

3.3 推广价值

何晓芳等[6]采用PTFE平板膜组件MBR与A2O(厌氧-缺氧-好氧工艺)相结合的一体化设备,将之应用于浙江省水源保护地农村生活污水的终端处理,出水水质能够稳定符合一级A标准,部分指标能够达到地表水Ⅳ类标准,该工程设备的日常运维费约为1.17元/t污水。杨红梅等[7]针对四川省金堂县流量小、氨氮高、水质变化大的农村生活污水,采用一体化设备并运用智慧化云端物联网对其处理,出水水质稳定达到一级A标准,直接运行成本2.74 元/t污水。夏斌等[8]采用生物接触氧化工艺的一体化设备处理农村生活污水,出水水质达到一级A标准,运行费用1.06元/t污水。智能装配式AO-MBR设备处理后的出水水质能够稳定达到地表水Ⅳ类标准,而日常运维费用仅为0.97元/t污水,低于常规一体化设备的日常运行费用,具有良好的发展前景和推广价值。

4 结语

智能装配式AO-MBR设备采用工厂化“智造”预制的标准化模块,全面适配各种地形条件下的工程现场,占地面积小,安装便捷,配合PLC自动控制系统,可实现远程监控及控制,无需专人值守,设备运行稳定,出水效果好,适用于农村分散点位废水处理。

1)设备出水稳定,COD最高出水指标为28.6 mg/L,NH3-N出水浓度保持在1.3 mg/L以下,TN出水浓度保持在1.5 mg/L以下,TP出水浓度保持在0.3 mg/L以下,出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水标准。

2)工厂化“智造”预制的标准化模块、自主研发的生物填料和斜板沉淀装置使得本设备在设备成本、运维成本等方面均有一定优势,设备成本较常规设备低15%～25%,运维成本仅为0.97元/t污水,节能减碳效果好。