生物膜与活性污泥工艺在污水处理中的应用对比研究

陈娟

(江西蓝鲸环保技术工程有限公司,江西 南昌 330000)

水是人类生产生活的重要基础物质,随着人口急剧增长,人类对水资源需求不断加大,工业废水排放量不断增加,导致水环境污染加剧。城镇污水处理厂具有处理量少、工业废水含量高等特点,需要选择适宜水质特点的处理工艺。淹没式生物膜工艺是通过在污水处理池中布置比表面积相对较大的生物膜载体填料,将池中微生物的赋存环境由原本液、气两相形式转变为固液气三相态,有助于生物量的增加进行充分硝化反应,避免污泥膨胀降低负荷。同时微生物生态环境增加使污水流趋向于好氧型系统,厌氧生物的降解可以有效去除氮磷含量,生态系统环境的复杂性使其稳定性大幅提高,水质也得到了明显改善。

1 淹没式生物膜工艺特点

近年来水体富营养化加重,国家制定了严格的污水排放标准。随着社会经济的快速发展,人们对环境质量水平要求日益提高,新建城市污水厂需不断提高处理能力。淹没式生物膜法是近年来发展的污水好氧生物处理工艺,可大幅度提高反应池内的生物量,增加抗冲击负荷能力,可实现污水脱氮除磷提升出水水质。SBF工艺原理是在污水生物处理反应池中放置生物膜载体固定填料,使悬浮生长微生物与附着生长微生物共存。生物膜通过较大比表面积吸附废水中的有机物,微生物机制不断增长繁殖,形成有机污染物-细菌-原生动物食物链。

淹没式生物膜SBF工艺在20世纪80年代随着新型填料出现,广泛应用于垃圾渗滤液与工业废水处理,采用人工曝气类似于活性污泥法,相比常规活性污泥法具有曝气池水力停留时间短、COD去除率高及运维费用低等优点。传统污水处理工艺为活性污泥法,通过人工充氧方式对有机污染物进行降解,这种工艺对曝气池及沉淀池的选型设计要求及成本投入相对较高,而淹没式生物膜工艺与之对比具有显著的应用优势,淹没式生物膜工艺具有微生物量多处理能力大,生物相多样化等特点。主要包括以下几个方面[1-5]:

1)通过生物膜构筑使污水处理系统中赋存了固相微生物,系统多样化的同时提升了微生物含量,与活性污泥法相比可增加5～20倍,因此淹没式生物膜工艺的污水水质处理能力更强,污泥产量也更低;

2)微生物的充分硝化反应降低了污泥膨胀,降低了污泥载荷提升了耐冲击性,同时厌氧微生物的降解使有机污染物中氮磷含量大幅降低,水质得到了显著改善,微生物种类的增多也提高了生态系统的稳定性,对水质水量变动冲击的适应性大幅增强;

3)微生物氧利用率得到显著提高,水池中上升气泡在填料扰动过程中发生破裂,延长了氧接触时间及利用面积,氧利用率显著提高,同时动力消耗也比活性污泥法要低;

4)对污泥膨胀做到了有效控制,避免了污泥在水池中上浮流失,整体污水处理池的系统稳定性大幅增强,便于系统管理维护。

2 污水处理工艺设计

我国现有污水处理厂中80%采用活性污泥工艺,近几年在污水处理新技术等方面取得可喜的科研成果,借助外贷城市污水处理工艺项目建设,引进许多国外新技术工艺,SBR法、A/O工艺等在我国污水处理厂中得到广泛应用。中小城镇污水具有水质水量不稳定等特点,受地域经济发展状况制约,从业人员技术管理水平较低,必须根据自身特点选择适合的工艺。活性污泥法适用于水质成分单一的污水,生物膜法适用于水质水量波动较大情况,城镇污水处理适宜选择淹没式生物膜工艺[6-10]。

2.1 工艺流程

淹没式生物膜反应池中划分缺氧段与好氧段,厌氧段采用水力停留时间2 h,有机物成分降解完成硝化和反硝化过程,克服传统活性污泥法污泥膨胀的缺点。结合给排水工程污水处理实例,某污水处理厂一期工程采用淹没式生物膜处理技术,二期采用活性污泥处理技术,设计总污水处理量可达4万m3/d,具体工序流程如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程示意图

从图1可以看出,进入处理厂的污水先经过粗格栅对一些大的漂浮物进行过滤,再经过提升泵房将污水提升至细格栅中进行二次过滤,两种格栅均选用不锈钢材质;污水进入曝气沉砂池后,通过平流曝气沉砂形式,去除污水中小的漂浮物浮渣、沙粒及石油烃类物质,随后进入厌氧池;其中处理池中污水与回流污泥在厌氧池混合,并逐级进入缺氧池、好氧池,好氧池中的硝化混合液会向缺氧池回流,处理后污水进行水、泥分离,通过辐流式穿孔管淹没出流排放。其中一部分污泥回流至厌氧池进行循环反应,保证生化池中的生物含量,另外的污泥则通过污泥泵泵送至脱水间外排至堆放场。一期反应池采用球形网格材质作为固相微生物填料,填料为聚乙烯多面空心球,球径150 mm,曝气设备均选用微孔管式曝气器。

2.2 工艺参数设计

按照城镇污水处理厂污染物排放相关标准,进行上述处理水池进出口水质参数设计[10-20],主要水质参数如表1所示。

表1 处理厂水池进出口水质要求

结合上述污水处理厂相关水质参数设计标准,对两池淹没式生物膜处理工艺、活性污泥工艺进行工艺参数设计,具体如表2所示[1-10]。

表2 两池主要工艺参数设计

3 应用效果分析

在该污水处理厂中一期水池采用了厌氧-缺氧-淹没式生物膜工艺,二期水池采用了厌氧-缺氧-活性污泥处理工艺,在污水处理系统均稳定运行状态下,分别在各处理单元,包括厌氧池、缺氧池及好氧池进出口,布设取样点,对进出口水质进行指标分析,通过检测标准值包括CODCr、NH3-N等的含量,对两种工艺下污水处理效果进行平均分析[20-25]。

3.1 CODCr去除效果分析

对比两种处理工艺下污水各水池中CODCr含量变化,具体数据统计如表3所示。

表3 CODCr去除效果对照统计

系统稳定情况相同条件下测定淹没式生物膜工艺与活性污泥工艺处理单元厌氧池,试验期间以CODCr、PO43--P为污水处理评价指标。根据表中数据统计情况可以看出,在两池采用不同污水处理工艺,并在15,22,30 ℃下各水池CODCr去除率存在显著差异,总体上呈现出二期优于一期的效果,也即活性污泥处理工艺的去除效果更优。但总体来说两种工艺的去除率都很高,总去除率均达到了95%以上,尤其是在厌氧池中两者CODCr的去除率达到了72.8%以上。但分析好氧池去除效率可以发现,一期去除率要明显高于二期,主要原因是填料的阻拦作用和生物膜增强了去除效果。

3.2 氨氮去除效果分析

对比两种处理工艺下污水各水池中氨氮的含量变化,具体数据统计如表4所示[3]。

表4 氨氮去除效果对照统计

分析表4中氨氮含量的去除效果可以看出,二期厌氧池同样高于一期,两者均达到了91.5%以上,氨氮水出水浓度均符合一级A排放标准。但一期在好氧池中的去除率要明显更高,这是因为生物膜池中水力停留时间和固体停留时间相分离,更利于微生物中硝化细菌的生长富集,使硝化效果大幅增强。

3.3 工艺运行和经济效益分析

该给排水工程总计投资一期5 480万元,包括管网布置1 899万元及厂区工程3 581万元,现已保持稳定运行6年多时间;二期投资1 678万元,包括1 652万元的废水治理及26万元的厂区生态绿化工程。项目运行期间每立方米污水成本0.41元,折旧成本0.16元/m3,即总处理成本0.57元/m3。淹没式生物膜处理工艺与活性污泥处理工艺相对比,在处理能力上分别达到了1.5万。2.0万m3/d,同时在水力停留时间相同情况下,淹没式生物膜处理工艺占地面积更小。因此,总体来说应用淹没式生物膜处理工艺,由于填料对气泡的阻隔、吸附一级破碎作用,使得污水处理池中气泡的停留时间大幅延长,气液相接触面积增大,使氧气的传质效率大幅提升,污水处理能耗大幅降低,可节省近45%左右电能消耗[25-30]。

4 结语

淹没式生物膜法作为一项新兴污水好氧生物处理工艺,可以大幅提升反应池生物含量,降低污泥负荷率,有效去除污水中碳、磷氮含量,提升水质。本文以该工艺为研究对象,对其在给排水工程中的应用进行生产性研究,结合该工艺去除污染物特点及污水处理厂运行状态评估,可以看出应用淹没式生物膜污水处理工艺与活性污泥处理工艺相比,两者去污效果相近,但淹没式生物膜工艺运行成本更低,占地面积更小。