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膜生物反應器與人工濕地工藝深度處理生活污水

 

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    1水質設計標準

    隨著人民生活水平提高，生活污水量不斷增多，同時由于水資源日益短缺及人們環保意識不斷增強，生活污水處理及回用在提高污水再利用、節約水資源和降低水環境污染等方面顯得尤為重要。

    國內某高爾夫球場項目施工人員生活污水未經處理直接排放，嚴重影響周邊人們的生活和污染了周圍的環境;與此同時，高爾夫球場每天灌溉需要大量用水，而項目區域內高爾夫球場澆灌用水極度緊張。

    為有效解決生活污水排放和球場澆灌用水緊張的問題，在工人生活區構筑污水處理系統，處理后的出水用于補給湖水，不僅實現了廢水零排放、降低環境污染風險，而且還節約了有限的水資源，體現了國家提倡的節約、環保的循環經濟理念。

    1．1污水處理規模

    本系統污水主要為工人生活區的生活污水，根據業主提供資料，參考《廣東省用水定額》和《室外排水設計規范》(GB50014-2006)，確定設計規模為100m3/d，總變化系數Kz=2．30。

    1．2水質設計

    參考相關生活污水水質，對污水處理系統的進水水質的主要指標設計見表1［1］。

    生活污水進行深度凈化處理后，出水水質要求達到《中華人民共和國地表水環境質量標準》(GB3838-2002)V類水質標準，出水水質的主要指標見表2。

    2方案設計與工程實施

    2．1現場水質分析

    本工程位于工人生活區附近，與普通生活小區生活污水相比，水量變化較大;隨著水體富營養化越來越嚴重，本工程設計出水用于補給湖水，因此，在常規降解CODcr和BOD5的同時，更應注重對N和P污染物的去除。

    2．2工藝選擇

    本工程污水來水變化較大，應設計調節池;在去除CODcr和BOD5的同時，對N和P污染物去除，采用A/O(脫氮的缺氧－好氧)工藝［2］;為降低占地面積，減少污泥產量，同時保證出水水質，采用膜生物反應器(membranebioreactor，MBR)工藝［3］;除磷一般有生物除磷和化學除磷［4］，單獨采用生物除磷工藝，難以達到出水含磷濃度低于0．4mg/L的排放要求，可采用化學法進一步除磷(作為輔助除磷);為保障出水水質，同時出于景觀效果考慮，后面增設人工濕地［5］。

    2．3工藝流程

    根據本項目水質目標，從保障出水效果、便于自動化運行、節約投資和運行維護費用等方面考慮，主體采用“膜生物反應器+人工濕地”組合工藝，具體工藝流程如圖1。

    

    首先通過格柵對污水中大顆粒污染物進行攔截;接著在調節池進行水質水量調節;經調節后的污水由提升泵提升到缺氧池;然后進入接觸氧化池和MBR池，缺氧池與接觸氧化池及MBR池構成A/O工藝［2］，同時輔以化學除磷技術;最后進入濕地進行深度處理。

    2．4主要構筑物及設備

    本工程前處理主要構筑物為格柵槽(位于調節池內)、調節池、缺氧池、接觸氧化池、MBR池、污泥池、清水池及設備間，采用地下鋼混結構，占地面積80m2左右;人工濕地采用磚混結構，占地面積為300m2，頂部與地面平行。

    2．4．1格柵槽與調節池

    主要作用:攔截污水中大顆粒污染物，調節進水水質水量，確保系統進水均勻。

    水力停留時間(HRT):9．0h。

    主要設備與參數:提升泵(Q=7m3/h，H=10m，N=0．75kW)2臺，液位計控制提升泵啟閉。

    2．4．2缺氧池

    主要作用:與接觸氧化池和MBR池構成反硝化生物脫氮系統，反硝化菌利用污水中的有機物作碳源，將MBR池回流液帶入的NO3-和NO2-還原為N2，達到脫氮效果［2］。

    水力停留時間(HRT):2．1h。

    主要設備與參數:混合攪拌器(N=15kW)1臺。

    2．4．3接觸氧化池和MBR池

    主要作用:高效降解COD，N，P等污染物，降低出水懸浮物。

    水力停留時間(HRT):接觸氧化池HRT=12．2h;MBR池HRT=3．0h。

    主要設備與參數:回流泵(Q=7m3/h，H=10m，N=0．75kW)2臺;污泥泵(Q=7m3/h，H=10m，N=0．75kW)2臺;簾式中空纖維膜反應裝置1套(不銹鋼支架1套，膜組件材質為PVDF，公稱膜孔徑0．05μm，設計通量10～20L/m2?h)。

    2．4．4設備間

    主要作用:安裝鼓風機、產水泵、反沖洗泵、化學除磷及反沖洗裝置等設備。

    主要設備與參數:羅茨鼓風機(Q=1．66m3/min，N=2．2kW)3臺;產水泵(采用浮球液位計控制其啟閉)2臺;反沖洗泵1臺;化學除磷及反沖洗裝置各1套。

    2．4．5人工濕地

    主要作用:采用復合垂直流人工濕地技術［5］，深度去除COD，N，P等污染物，進一步降低出水懸浮物。

    水力停留時間(HRT):24．0h。

    填料與植物:填料選擇不同粒徑的碎石和陶粒，有效厚度為80cm;植物選擇美人蕉、梭魚草、鳶尾、菖蒲和再力花5種植物，種植間距為25cm×25cm。

    2．5土建工程

    本系統前處理土建工程大多屬于特種結構，對裂縫寬度、抗滲性等控制嚴格，采用C25的防水混凝土，抗滲標號S6，外表面并作防腐處理;人工濕地底部采用鋼筋混凝土和復合土工膜雙重防滲。

    2．6電氣控制

    外部輸配電電纜、控制電纜采用地下電纜溝敷設方式;采用PLC系統進行自動化控制，主要控制調節池的提升泵、攪拌器和浮球液位計，缺氧池的攪拌器，MBR池的回流泵、浮球液位計和污泥泵，設備間內的鼓風機、產水泵和反沖洗泵等設備。

    3處理效果及效益分析

    3．1處理效果

    系統處理后經當地環境檢測部門檢測的水質指標見表3，處理效果如下:

    

    (1)由表3可見，該處理系統出水滿足設計要求，水質達到《中華人民共和國地表水環境質量標準》(GB3838-2002)V類水質標準;

    (2)本系統前處理部分采用地埋式設計，同時對濕地植物搭配方面進行景觀優化，提高了系統的整體景觀效果，實現了與周圍景觀相協調;

    (3)本系統采用MBR技術，省去了二沉池與消毒池，有效保留活性污泥生物體，降低了剩余污泥量，減少了污泥處理成本;

    (4)本系統在接觸氧化池與MBR池之間增設溢流堰，更好地截留接觸氧化池活性污泥，降低MBR池內的膜污染，延長膜組件的使用壽命;

    (5)污水經MBR池處理后進入濕地，降低了濕地污染負荷，減少了濕地堵塞，利于濕地的長期運行;濕地系統對污水中的氮磷做進一步深度處理，保證了系統出水水質。

    3．2經濟效益

    3．2．1年工程建設成本M1

    本工程建設總承包價約為142萬元，該工程整體使用壽命為50a，則工程建設投資成本為2．84萬元/a。

    3．2．2年運行費用M2

    運行費用主要包括電費、藥品費和濕地費用等。化學除磷藥品濃度為10%的聚合硫酸鐵溶液，投加量約為50mL/t，由于聚合硫酸鐵具有一定腐蝕性，同時處于生態考慮，藥品主要在系統調試時投加，隨著系統中活性污泥不斷繁殖、濕地植物和微生物生態系統成熟，投加量逐漸減少，當系統調試完成進入良性循環后，即停止投加，將其作為水質改善的應急措施，因此這部分藥品費用可忽略不計。

    濕地費用基本上可歸納為人工費，材料消耗和植物種苗補充費，檢修、事故處理和不可預見費［5］，材料消耗和植物種苗補充費，根據實際工程推算，這部分費用可按每年0．03～0．04元/m2進行估算，檢修、事故處理和不可預見費可按每年0．01～0．02元/m2進行估算，即12～18元/a，因此，此費用也可忽略不計。

    本系統用電功率以4kW計，每天運行24h，本地工業用電0．7元/(kW?h)，則污水處理電費運行費用約為0．67元/m3(4×24×0．7÷100)。

    本系統年運行費用M2=100×0．67×365=2．45萬元/a(不包括人工費)。100為每天設計處理的水量(m3)。

    3．2．3年節約自來水水費M3

    當地水價按3．5元/m3計，排污費1．5元/m3:

    M3=100×(3．5+1．5)×365=18．25萬元/a。

    3．2．4年收益M4

    M4=M3-M2-M1=18．25-2．45-2．84=12．96萬元/a。

    通過對本系統建設成本與年收益分析，大約11a可收回建設成本投資，與常規污水處理項目相比，投資回收期相對偏長，可進一步優化設計，降低投資成本。

    3．3環境效益

    (1)本污水處理系統可有效地降低污水排放量，緩解高爾夫球場用水緊張，大大節約了清潔水的使用和消耗量;

    (2)本污水處理系統能有效防止周邊水生態系統的污染，改善周邊生態環境，在處理回用生活污水的同時創造出一座生態濕地公園;

    (3)本污水系統濕地部分將有力地提升區域生態承載力，為哺乳動物、昆蟲和植物提供良好的棲息和生長環境，促進生物多樣性;同時具有涵養水源、地下水壓咸、增加空氣濕度的作用。

    3．4社會效益

    (1)本污水處理系統將為人們展現出一個綠色、自然、和諧的高標準生態治污示范工程，具有顯著的示范效應;

    (2)本污水處理系統在培養人們生態、環保、低碳的生活理念方面起著非常直觀的教育作用;同時提高人們節約資源、重復利用資源、尊重自然的生態理念。

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    4結語

    (1)本污水處理系統在降低污水中CODcr的同時，實現了深度脫氮除磷，出水用于補給河湖，實現生態補水。

    (2)采用接觸氧化生物膜技術，利于微生物附著生長，對水質、水量變化適應性強;在接觸氧化池與MBR池之間增設溢流堰，更好地截留接觸氧化池活性污泥，降低MBR池內的膜污染，延長膜組件的使用壽命，有利于MBR技術的推廣應用。

    (3)MBR池出水進入人工濕地進行深度處理，一方面降低了進入濕地的污染負荷，減少了濕地堵塞，利于濕地的長期運行;另一方面對濕地進行景觀設計，使得該污水處理系統與周圍環境相互協調，便于其在小區內的推廣應用。

    (4)本污水處理系統前處理好氧部分設計占地面積偏大，增加了工程投資和日常曝氣量，造成本工程造價及運行費用偏高;

    目前，MBR和人工濕地技術在國內外的應用越來越受到關注，如何將這2種技術進行高效整合，在保證出水水質的同時，更好地降低工程和運行成本，優化景觀效果，融入周圍環境，值得做進一步的深入研究。