周 賀,高 陽,翟進偉,張 振,薛 瑞
(北京亦莊水務有限公司，北京 100176)
1 引言
隨著我國社會經濟快速發展，人民生活水平提高、城鎮化進程加快，生活污水和工業污水排放量逐年增加，污水中含有大量的氮、磷等元素，處理不當排放到自然界中，會造成水體富營養化，對生態環境和人體健康造成危害[1]。活性污泥法是目前處理城市污水最為廣泛的處理技術之一，對城市污水的處理具有效果好，基建投資少等優點[2]。黨的“十八大”將生態文明建設納入“五位一體”中國特色社會主義總體布局，國家和人民對于生態環境愈發看重，污水排放標準日益嚴格，水污染排放標準中主要污染濃度的排放限值(出水排入Ⅳ、Ⅴ類水體中)國家標準和北京市地方標準的對比見表1。由表1可知，北京市地方標準中相同污染物排放標準嚴于國家標準，現執行標準《北京市水污染物排放標準(DB11/307-2012)》替代《北京市水污染物排放標準(DB11/307-2005)》，排放標準更加嚴格。傳統水處理工藝由于設計能力有限，且污染物排放濃度相較于初建時，有了較大的提高，剩余污泥量也逐漸增大，運行成本較高，部分水處理廠剩余污泥處理成本占污水處理總成本的30%以上[3]。鑒于新建污水處理廠投資較高，新型水處理技術在現有污水處理廠提標改造中有了越來越多的應用[4]。
表1 國家標準和北京地方標準中主要污染物排放限值對比
2 MBBR和LSP工藝原理介紹
移動床生物膜反應器(Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR)是近年發展起來的新型、高效的生物法污水處理工藝。生物膜法是附著在載體或介質表面上的細菌等微生物生長繁殖，形成膜狀活性生物膜，利用生物膜降解污水中的處理方法[5]。生物膜中的微生物以污水中的有機污染物為營養物質，在新陳代謝過程中將有機物降解，同時微生物自身也得到增殖[6]。MBBR工藝是吸取了傳統的活性污泥法和生物接觸氧化法的有點，是一種新型、高效地復合工藝處理方法。其核心部分就是將比重接近水的懸浮填料直接投加到曝氣池中[7](圖1)，作為微生物的活性載體，依靠曝氣和水流的提升作用而處于流化狀態，當微生物附著于載體上時，懸浮的載體在反應器內隨著混合液的回旋翻轉作用而自由移動，達到污處理的目的[8]。
圖1 MBBR工藝流程
目前MBBR工藝在中小型生活污水及工業廢水處理中得到了較為廣泛的應用，將MBBR系統直接嵌入到原污水處理系統中，每個載體內外均有不同的生物種類，內部生長一些厭氧菌或者兼氧菌，外部為好氧菌，每個載體都是一個微型反應器，強化了污染物去除過程，有更好地去除效果[9]。載體上附著生長的微生物是傳統反應器懸浮生長活性污泥的2～4倍，污染物去除效率大大提高。MBBR工藝改造過程簡單，將好氧池原有填料拆除，進水端和出水端增設攔截鋼絲網，防止填料溢出，且MBBR載體多采用高密度聚乙烯材質，適合量產，價格低廉[10]。
污泥減量化多段式工藝(Less Sludge Process，LSP)是利用折板將原有的好氧曝氣池分隔成多個單元，將好氧池內傳統的生物膜掛片，如聚丙烯、聚乙烯等填料換成新型纖維填料，內部構造圖如圖2所示，將傳統的生物膜法進行升級[11]。纖維填料具有超高的比表面積，比傳統材質的生物膜更有利于微生物附著生長，掛膜效率更高，掛膜厚度也有較大增加，在掛膜過程成不同種類微生物會分層富集，層與層之間的微生物種類呈現出較大差異，在分層富集過程中，在生物膜表面會形成好氧區、缺氧區、厭氧區，有利于微生物對污染物的深度處理[12]。經厭氧池處理過的污水進入到LSP工藝池中，通過設置折板改變進水流向，增大污染物與生物膜的接觸范圍和時間，提高處理效率。傳統水處理工藝好氧池出水進入到沉淀池內污泥濃度約3000 mg/L，而SLP工藝由于污泥掛膜效率極高，且經過多級處理后，后出水端污泥濃度比前端有了明顯的減少，出水端污泥濃度可降至1500 mg/L以下，較傳統水處理工藝，污泥濃度減少50%以上，大大降低了污泥處置費用[13]。
LSP工藝改造過程中需將原好氧池進行全面改造，重新懸掛填料，在原有空間內設置隔板，由于前端和后端掛膜厚度有較大區別，前端微生物含量明顯高于后端[14]，所以設置曝氣系統中，每級折板分別配置曝氣管道，在實際運行中，對分級隔板空間進行曝氣量控制。纖維填料相較于傳統材質的填料，價格較高，對于一般項目改造不建議使用，但對于一些污水處理費用中污泥處置費占較大比重的企業來說，LSP工藝有很好的應用前景。
圖2 LSP工藝內部構造
3 研究方法及水質指標的測量方法
3.1 MBBR和LSP工藝在改造中的應用
北京某食品加工企業，每天產生生產廢水30 t，廠區內有一座污水處理站，設計處理能力為50 t/d，工藝流程圖見圖3，污水處理站為半地下混凝土建筑。該企業產生的廢水主要為食品加工過程中的淀粉廢水和少量生活污水。廢水經過場站處理后排入市政管網中，排放標準按《北京市水污染物排放標準(DB11/307-2012)》執行，主要水質指標排放限值見表2。原工藝能夠滿足排放標準，由于該企業產品更新，生產工藝調整，新生產線產生的廢水污染物濃度明顯提高，超出原污水站處理負荷，出水COD、BOD5和懸浮物濃度超標。為滿足污染物排放要求，對該污水場站進行升級改造，采用處理效率更高的MBBR工藝。
圖3 企業原污水處理站工藝流程
表2 排入市政管網中主要污染物排放限值
山東某制藥企業，日產廢水400 t/d，廠區內自有一套污水處理設備，工藝流程圖如圖4所示，出水標準執行《污水綜合排放標準(GB 8978-1996)》中醫藥企業排放廢水的相關標準。二沉池產生的污泥經濃縮后，進入板框壓濾車間，壓濾后污泥含水量約為65%。該企業出水各項指標均能達到排放要求，但污水站運行中會產生大量剩余污泥，該企業產生的污泥屬于危險廢物，需專業機構處理處置，費用遠遠高于普通污泥處置費用。采用LSP技術對該污水站進行改造，從源頭上減少剩余污泥的產量。改造主要對好氧池進行，增設折板，重新掛設纖維填料，將整個好氧池均分為6等分(圖5)，每個空間掛設等量填料。好氧池重新布設曝氣管道，每個隔板空間內單獨布設曝氣管道，并設置閥門，每個隔板空間都可以單獨調節曝氣量大小，每個隔板空間內分別安裝在線溶解氧儀，實時監測溶解氧濃度。
圖4 企業污水處理站工藝流程
3.2 水質指標的測量方法
該研究中對常規水質指標的測定方法詳見表3。
表3 常規水質指標的測定方法
4 分析與結論
4.1 MBBR工藝應用結果分析
新生產線產生的廢水中污染物濃度見表4。由表4可知，氨氮、總氮和總磷濃度不高，經處理后能滿足排放要求。廢水中COD、BOD5和SS濃度較高，原水處理工藝不能滿足排放要求。該廢水其中BOD5/COD值大于0.5，表明生化性良好，可在原有工藝基礎上強化處理過程，改造后工藝流程圖見圖6。該廢水中懸浮物濃度較高，主要為食品加工過程中產生的淀粉等長鏈有機物[15]，生化過程處理能力有限，不能將大分子有機物完全分解。厭氧過程將長鏈有機物進行充分的破裂分解形成單鏈可生物利用的單糖，將原有好氧段的聚丙烯固定填料改造成MBBR工藝段，投加高密度聚乙烯懸浮填料，在好氧池的進水端和出水端設置攔截篩網，防止填料溢流。
表4 該企業產生的廢水中主要污染物濃度
調試過程中，使用原污泥濃縮池的污泥作為MBBR工藝段接種污泥。調試2個月后，出水水質達到穩定。由圖7可知，出水COD、BOD5和SS濃度滿足《北京市水污染物排放標準(DB11/307-2012)》相關標準，相較于改造前出水水質有了明顯改善。其中COD降低了30.8%，BOD5降低了42.8%，氨氮降低了25.0%，總氮降低了17.2%，SS降低了57.9%，總磷降低了26.7%。
MBBR工藝段每個填料都類似于一個微型反應器，微生物在填料表面富集生長，形成生物膜，生物量較原來的好氧池有了明顯的增多，在曝氣作用下，水隨填料一起流化，水流紊動程度加速了氣液界面的更新和氧的轉移，水、氣、固三相之間的傳質良好，填料表面上生物膜活性更高[16]。由于填料屬于多孔立體結構，曝氣過程中氧氣分布不均勻，會在填料不同空間內分別形成好氧區、厭氧區和缺氧區，硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用和磷的吸附作用同時進行，大大提高了污染物去除效率[10]。
圖7 改造前后主要水質指標對標
4.2 LSP技術應用結果分析
調試過程中，使用原板框壓濾后的污泥作為LSP工藝段的接種污泥，保持每個隔板空間內溶解氧量保持在2～4 mg/L之間，經過1個半月調試后，系統保持穩定，出水水質穩定，改造前后COD和BOD5出水水質對比見圖8。由圖8可知，污水站改造后，COD和BOD5都有明顯降低，分別降低了11.7%和12.1%。每日產泥量(含水率為65%)見圖9，由圖9可知，每日產泥量從2.8 t/d降至0.91 t/d，降低了67.5%，大大降低了企業污泥處置費用。
圖8 改造前后主要出水水質指標對比
LSP工藝是利用微生物降解廢水中的有機物，達到污泥減量的功效，利用多級式設計使原水中的溶解性有機物首先被前端填料上的細菌及低等原生生物消耗，之后又被后端的后生生物捕食消耗[14]。低效的生物轉換，能量在從低營養級向高營養級的傳遞過程中會發生損失，食物鏈越長，能量損失越大。LSP工藝通過形成復雜的微生物食物鏈，消耗剩余污泥量，實現對污泥的減量化處理[12]。
4.3 結論
MBBR和LSP工藝在污水深度處理中優勢明顯，污染物的處理效率高于傳統的活性污泥法。將傳統的好氧曝氣池改造為MBBR工藝時，COD降低了30.8%，BOD5降低了42.8%，氨氮降低了25.0%，總氮降低了17.2%，SS降低了57.9%，總磷降低了26.7%，污染物處理效率全面提升；LSP工藝在污泥減量化方面效果明顯，產泥量降低了67.5%，同時強化了處理系統的生化功能，COD和BOD5都有明顯降低，分別降低了11.7%和12.1%。LSP工藝能有效降低污泥處置費用，對于污泥處置費用占總運行成本比重較大的企業，有很好的應用前景。