膜生物反应器与人工湿地工艺深度处理生活污水

 

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    1水质设计标准

    随着人民生活水平提高，生活污水量不断增多，同时由于水资源日益短缺及人们环保意识不断增强，生活污水处理及回用在提高污水再利用、节约水资源和降低水环境污染等方面显得尤为重要。

    国内某高尔夫球场项目施工人员生活污水未经处理直接排放，严重影响周边人们的生活和污染了周围的环境;与此同时，高尔夫球场每天灌溉需要大量用水，而项目区域内高尔夫球场浇灌用水极度紧张。

    为有效解决生活污水排放和球场浇灌用水紧张的问题，在工人生活区构筑污水处理系统，处理后的出水用于补给湖水，不仅实现了废水零排放、降低环境污染风险，而且还节约了有限的水资源，体现了国家提倡的节约、环保的循环经济理念。

    1．1污水处理规模

    本系统污水主要为工人生活区的生活污水，根据业主提供资料，参考《广东省用水定额》和《室外排水设计规范》(GB50014-2006)，确定设计规模为100m3/d，总变化系数Kz=2．30。

    1．2水质设计

    参考相关生活污水水质，对污水处理系统的进水水质的主要指标设计见表1［1］。

    生活污水进行深度净化处理后，出水水质要求达到《中华人民共和国地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类水质标准，出水水质的主要指标见表2。

    2方案设计与工程实施

    2．1现场水质分析

    本工程位于工人生活区附近，与普通生活小区生活污水相比，水量变化较大;随着水体富营养化越来越严重，本工程设计出水用于补给湖水，因此，在常规降解CODcr和BOD5的同时，更应注重对N和P污染物的去除。

    2．2工艺选择

    本工程污水来水变化较大，应设计调节池;在去除CODcr和BOD5的同时，对N和P污染物去除，采用A/O(脱氮的缺氧－好氧)工艺［2］;为降低占地面积，减少污泥产量，同时保证出水水质，采用膜生物反应器(membranebioreactor，MBR)工艺［3］;除磷一般有生物除磷和化学除磷［4］，单独采用生物除磷工艺，难以达到出水含磷浓度低于0．4mg/L的排放要求，可采用化学法进一步除磷(作为辅助除磷);为保障出水水质，同时出于景观效果考虑，后面增设人工湿地［5］。

    2．3工艺流程

    根据本项目水质目标，从保障出水效果、便于自动化运行、节约投资和运行维护费用等方面考虑，主体采用“膜生物反应器+人工湿地”组合工艺，具体工艺流程如图1。

    

    首先通过格栅对污水中大颗粒污染物进行拦截;接着在调节池进行水质水量调节;经调节后的污水由提升泵提升到缺氧池;然后进入接触氧化池和MBR池，缺氧池与接触氧化池及MBR池构成A/O工艺［2］，同时辅以化学除磷技术;最后进入湿地进行深度处理。

    2．4主要构筑物及设备

    本工程前处理主要构筑物为格栅槽(位于调节池内)、调节池、缺氧池、接触氧化池、MBR池、污泥池、清水池及设备间，采用地下钢混结构，占地面积80m2左右;人工湿地采用砖混结构，占地面积为300m2，顶部与地面平行。

    2．4．1格栅槽与调节池

    主要作用:拦截污水中大颗粒污染物，调节进水水质水量，确保系统进水均匀。

    水力停留时间(HRT):9．0h。

    主要设备与参数:提升泵(Q=7m3/h，H=10m，N=0．75kW)2台，液位计控制提升泵启闭。

    2．4．2缺氧池

    主要作用:与接触氧化池和MBR池构成反硝化生物脱氮系统，反硝化菌利用污水中的有机物作碳源，将MBR池回流液带入的NO3-和NO2-还原为N2，达到脱氮效果［2］。

    水力停留时间(HRT):2．1h。

    主要设备与参数:混合搅拌器(N=15kW)1台。

    2．4．3接触氧化池和MBR池

    主要作用:高效降解COD，N，P等污染物，降低出水悬浮物。

    水力停留时间(HRT):接触氧化池HRT=12．2h;MBR池HRT=3．0h。

    主要设备与参数:回流泵(Q=7m3/h，H=10m，N=0．75kW)2台;污泥泵(Q=7m3/h，H=10m，N=0．75kW)2台;帘式中空纤维膜反应装置1套(不锈钢支架1套，膜组件材质为PVDF，公称膜孔径0．05μm，设计通量10～20L/m2・h)。

    2．4．4设备间

    主要作用:安装鼓风机、产水泵、反冲洗泵、化学除磷及反冲洗装置等设备。

    主要设备与参数:罗茨鼓风机(Q=1．66m3/min，N=2．2kW)3台;产水泵(采用浮球液位计控制其启闭)2台;反冲洗泵1台;化学除磷及反冲洗装置各1套。

    2．4．5人工湿地

    主要作用:采用复合垂直流人工湿地技术［5］，深度去除COD，N，P等污染物，进一步降低出水悬浮物。

    水力停留时间(HRT):24．0h。

    填料与植物:填料选择不同粒径的碎石和陶粒，有效厚度为80cm;植物选择美人蕉、梭鱼草、鸢尾、菖蒲和再力花5种植物，种植间距为25cm×25cm。

    2．5土建工程

    本系统前处理土建工程大多属于特种结构，对裂缝宽度、抗渗性等控制严格，采用C25的防水混凝土，抗渗标号S6，外表面并作防腐处理;人工湿地底部采用钢筋混凝土和复合土工膜双重防渗。

    2．6电气控制

    外部输配电电缆、控制电缆采用地下电缆沟敷设方式;采用PLC系统进行自动化控制，主要控制调节池的提升泵、搅拌器和浮球液位计，缺氧池的搅拌器，MBR池的回流泵、浮球液位计和污泥泵，设备间内的鼓风机、产水泵和反冲洗泵等设备。

    3处理效果及效益分析

    3．1处理效果

    系统处理后经当地环境检测部门检测的水质指标见表3，处理效果如下:

    

    (1)由表3可见，该处理系统出水满足设计要求，水质达到《中华人民共和国地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类水质标准;

    (2)本系统前处理部分采用地埋式设计，同时对湿地植物搭配方面进行景观优化，提高了系统的整体景观效果，实现了与周围景观相协调;

    (3)本系统采用MBR技术，省去了二沉池与消毒池，有效保留活性污泥生物体，降低了剩余污泥量，减少了污泥处理成本;

    (4)本系统在接触氧化池与MBR池之间增设溢流堰，更好地截留接触氧化池活性污泥，降低MBR池内的膜污染，延长膜组件的使用寿命;

    (5)污水经MBR池处理后进入湿地，降低了湿地污染负荷，减少了湿地堵塞，利于湿地的长期运行;湿地系统对污水中的氮磷做进一步深度处理，保证了系统出水水质。

    3．2经济效益

    3．2．1年工程建设成本M1

    本工程建设总承包价约为142万元，该工程整体使用寿命为50a，则工程建设投资成本为2．84万元/a。

    3．2．2年运行费用M2

    运行费用主要包括电费、药品费和湿地费用等。化学除磷药品浓度为10%的聚合硫酸铁溶液，投加量约为50mL/t，由于聚合硫酸铁具有一定腐蚀性，同时处于生态考虑，药品主要在系统调试时投加，随着系统中活性污泥不断繁殖、湿地植物和微生物生态系统成熟，投加量逐渐减少，当系统调试完成进入良性循环后，即停止投加，将其作为水质改善的应急措施，因此这部分药品费用可忽略不计。

    湿地费用基本上可归纳为人工费，材料消耗和植物种苗补充费，检修、事故处理和不可预见费［5］，材料消耗和植物种苗补充费，根据实际工程推算，这部分费用可按每年0．03～0．04元/m2进行估算，检修、事故处理和不可预见费可按每年0．01～0．02元/m2进行估算，即12～18元/a，因此，此费用也可忽略不计。

    本系统用电功率以4kW计，每天运行24h，本地工业用电0．7元/(kW・h)，则污水处理电费运行费用约为0．67元/m3(4×24×0．7÷100)。

    本系统年运行费用M2=100×0．67×365=2．45万元/a(不包括人工费)。100为每天设计处理的水量(m3)。

    3．2．3年节约自来水水费M3

    当地水价按3．5元/m3计，排污费1．5元/m3:

    M3=100×(3．5+1．5)×365=18．25万元/a。

    3．2．4年收益M4

    M4=M3-M2-M1=18．25-2．45-2．84=12．96万元/a。

    通过对本系统建设成本与年收益分析，大约11a可收回建设成本投资，与常规污水处理项目相比，投资回收期相对偏长，可进一步优化设计，降低投资成本。

    3．3环境效益

    (1)本污水处理系统可有效地降低污水排放量，缓解高尔夫球场用水紧张，大大节约了清洁水的使用和消耗量;

    (2)本污水处理系统能有效防止周边水生态系统的污染，改善周边生态环境，在处理回用生活污水的同时创造出一座生态湿地公园;

    (3)本污水系统湿地部分将有力地提升区域生态承载力，为哺乳动物、昆虫和植物提供良好的栖息和生长环境，促进生物多样性;同时具有涵养水源、地下水压咸、增加空气湿度的作用。

    3．4社会效益

    (1)本污水处理系统将为人们展现出一个绿色、自然、和谐的高标准生态治污示范工程，具有显著的示范效应;

    (2)本污水处理系统在培养人们生态、环保、低碳的生活理念方面起着非常直观的教育作用;同时提高人们节约资源、重复利用资源、尊重自然的生态理念。

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    4结语

    (1)本污水处理系统在降低污水中CODcr的同时，实现了深度脱氮除磷，出水用于补给河湖，实现生态补水。

    (2)采用接触氧化生物膜技术，利于微生物附着生长，对水质、水量变化适应性强;在接触氧化池与MBR池之间增设溢流堰，更好地截留接触氧化池活性污泥，降低MBR池内的膜污染，延长膜组件的使用寿命，有利于MBR技术的推广应用。

    (3)MBR池出水进入人工湿地进行深度处理，一方面降低了进入湿地的污染负荷，减少了湿地堵塞，利于湿地的长期运行;另一方面对湿地进行景观设计，使得该污水处理系统与周围环境相互协调，便于其在小区内的推广应用。

    (4)本污水处理系统前处理好氧部分设计占地面积偏大，增加了工程投资和日常曝气量，造成本工程造价及运行费用偏高;

    目前，MBR和人工湿地技术在国内外的应用越来越受到关注，如何将这2种技术进行高效整合，在保证出水水质的同时，更好地降低工程和运行成本，优化景观效果，融入周围环境，值得做进一步的深入研究。