孫 勇 孫德翀 楊旺政
(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120;2.富朗世水務(wù)技術(shù)(江蘇)有限公司上海分公司,上海 200126)
黨的十八大以來(lái),各種農(nóng)村污水處理技術(shù)得到大量應(yīng)用,積累了大量建設(shè)、運(yùn)行和養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)[1],[2]1-2。農(nóng)村污水從末端處理來(lái)講,國(guó)內(nèi)主要采用一體化裝置處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)以及一體化裝置預(yù)處理+生態(tài)穩(wěn)定處理組合技術(shù)等幾類[3]。我國(guó)“美麗鄉(xiāng)村”新發(fā)展階段和“雙碳”目標(biāo)當(dāng)下,對(duì)農(nóng)村污水低碳減污運(yùn)行、資源化可持續(xù)發(fā)展提出了更高要求,也需要適應(yīng)我國(guó)農(nóng)村污水收水特點(diǎn)的新型農(nóng)村污水處理技術(shù)。新型技術(shù)不僅用于新建設(shè)施,更要對(duì)現(xiàn)有農(nóng)村污水處理設(shè)施進(jìn)行原位組合、疊加、迭代進(jìn)而“有機(jī)”更新,而不是大拆大建[4]23,[5]。
纏繞卷式膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)工藝將氧氣分離膜(透氧膜)與生物膜法相結(jié)合,是近年來(lái)國(guó)際污水處理領(lǐng)域新興技術(shù)。其獨(dú)特的膜片材質(zhì)、防堵塞膜組件與超低能耗、低產(chǎn)泥量等特性,賦予了我國(guó)污水一體化處理技術(shù)新發(fā)展方向。針對(duì)我國(guó)農(nóng)村污水收水特點(diǎn),以此技術(shù)為核心形成的處理裝置具有占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷、節(jié)省碳源藥劑投加等工藝特點(diǎn),也具有防堵塞、低產(chǎn)泥、易損易壞件少、檢修維護(hù)方便等維保特點(diǎn);既可作為獨(dú)立處理設(shè)施,也可用作生態(tài)處理設(shè)施前道預(yù)處理,近年來(lái)獲得很多成功示范應(yīng)用。
纏繞卷式MABR是一種新型膜組件,屬于平板膜[6]。采用復(fù)合式平板透氣膜基材,內(nèi)置線性低密度聚乙烯 (LLDPE)導(dǎo)氣網(wǎng)格板,對(duì)兩側(cè)膜片進(jìn)行支撐;外置LLDPE波紋板對(duì)膜外側(cè)過(guò)流污水進(jìn)行導(dǎo)流并輔助膜片外支撐。為提高裝填率,將復(fù)合膜板和外置LLDPE波紋導(dǎo)水板同心纏繞成卷式,形成良好水力條件、裝填率高、快速安裝的一體化膜組件。
采用聚偏二氟乙烯(PVDF)內(nèi)膜-聚二甲基硅氧烷橡膠 (PDMS) 外膜復(fù)合材質(zhì),二層復(fù)合非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。內(nèi)膜為PVDF疏水微孔膜,具有強(qiáng)度高、抗污染能力強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕特點(diǎn),其作為支撐層,可對(duì)外膜進(jìn)行穩(wěn)定支撐。在膜外表面,界面聚合改性后的PDMS作為表覆層,厚度為幾個(gè)微米,屬于超薄皮層復(fù)合膜。二者復(fù)合既克服了PVDF疏水微孔膜氧氣選擇性不強(qiáng)的缺陷,也克服了傳統(tǒng)厚層致密硅膠膜泡點(diǎn)壓力高、跨膜阻力大、氧氣通量小的缺陷。外覆膜改性后,油滴類物質(zhì)在表面上形成潤(rùn)濕角>90°的顆粒,物理黏附力不牢,在層間水量擾動(dòng)下極易被沖洗帶走,防止污染膜表面。界面改性后的硅膠外表面ζ界面電位為正電,也有助于負(fù)電荷生物膜吸附掛膜[7]。
不同于微孔曝氣器產(chǎn)生的1~2 mm粒徑空氣氣泡混合擴(kuò)散[8],纏繞卷式MABR膜曝氣只產(chǎn)生微米級(jí)氧氣氣泡,透膜后氣液兩相接觸面積大,快速發(fā)生飽和溶解,高濃度溶解氧分子以濃差梯度方式向外擴(kuò)散傳輸,對(duì)生物膜無(wú)任何機(jī)械混合擾動(dòng),不干擾生物膜層間微生物附著形態(tài),形成明顯的內(nèi)層好氧、外層缺氧狀態(tài)。MABR具有活性污泥和生物膜“雙泥”特性和除碳、硝化反硝化同步去除特征。
纏繞卷式MABR膜組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形分別見(jiàn)圖1和圖2。膜片內(nèi)部為L(zhǎng)LDPE注塑成型超薄塑料導(dǎo)氣網(wǎng)格板,對(duì)膜片進(jìn)行強(qiáng)度支撐。網(wǎng)格板具有極好的韌性,拉伸強(qiáng)度>12 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率>500%,可進(jìn)行較大角度的彎曲纏繞。網(wǎng)格板煉塑時(shí)加入炭黑或者鈦白粉,形成黑色或銀白色網(wǎng)格板,可耐紫外線老化。網(wǎng)格板可對(duì)注入的低壓膜曝氣空氣進(jìn)行導(dǎo)流布?xì)?,使得兩?cè)膜面透氧出氣均勻。其為非極性材料,可對(duì)注入空氣中的微小塵埃進(jìn)行靜電吸附,避免堵塞膜內(nèi)表面,起到截留保護(hù)作用。膜外側(cè)用LLDPE波紋導(dǎo)水板作為外支撐。波紋導(dǎo)水板包裹于兩圈纏繞膜片之間,使得相鄰膜間隔5 cm以上,提供較大的過(guò)水通道,防止堵塞。波紋導(dǎo)水板、雙層膜片以及膜片間網(wǎng)格導(dǎo)氣板兩端封口,三者同心纏繞成螺旋狀,成為纏繞卷式MABR膜組件。卷式膜組件相對(duì)于平板膜或者中空纖維膜,既具有中空纖維膜較高裝填率、較大膜表面積特點(diǎn),又具有平板膜強(qiáng)度高、抗纖維纏繞、機(jī)械穩(wěn)定性好、抗污染、清洗便捷、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
1—PVDF支撐層;2—PDMS表覆層(親水改性);3—疏水微孔氣體通道;4—附著生長(zhǎng)致密生物膜;5—導(dǎo)氣網(wǎng)格板;6—支撐盤;7—進(jìn)、出風(fēng)軟管;8—環(huán)氧樹(shù)脂密封;9—波紋導(dǎo)水板;10—懸浮活性污泥絮體
1—纏繞卷式膜;2—上、下布水板;3—進(jìn)風(fēng)軟管;4—出風(fēng)軟管;5—空氣卷掃進(jìn)風(fēng)管;6—不銹鋼穿孔曝氣管;7—膜組件固定支架
同心纏繞后形成的卷式MABR膜組件視水深高低,可單層或多層疊加浸沒(méi)放置在污水處理生化池中。膜組件上下部為聚乙烯材質(zhì)高空隙進(jìn)出水布水板,兩側(cè)配有聚氯乙烯(PVC) 進(jìn)、出風(fēng)軟管。來(lái)自低壓風(fēng)機(jī)的空氣從進(jìn)風(fēng)軟管進(jìn)入后,通過(guò)內(nèi)置導(dǎo)流板在同心各層膜片空隙間依次流動(dòng),保證各個(gè)流通面高效透氧。由膜片間的導(dǎo)流板支撐外側(cè)水壓力,過(guò)流空氣壓力只需克服導(dǎo)流間流通阻力、復(fù)合透氧膜內(nèi)層微孔過(guò)流擴(kuò)散阻力、膜外層改性硅膠滲透阻力,不需克服外側(cè)靜水壓,和傳統(tǒng)的污水底部鼓風(fēng)曝氣相比,風(fēng)機(jī)供風(fēng)壓力極大降低,極高的傳氧效率也使氣量大為減少。發(fā)生透氧后的尾氣(含N2等)從出風(fēng)軟管外排,沒(méi)有外部污水相的揮發(fā)性有機(jī)物滲透至氣相,排放尾氣不含任何污水氣溶膠成分,對(duì)水面大氣空氣污染極大降低[9]56。膜組件底部設(shè)不銹鋼穿孔曝氣管,釋放的大氣泡定期對(duì)膜組件進(jìn)行曝氣卷掃,吹掃膜外導(dǎo)水板堵塞污泥和老化生物膜。整個(gè)膜組件通過(guò)不銹鋼固定支架進(jìn)行組合,與池底預(yù)埋件固定。
典型工藝如圖3所示,工藝以缺氧+好氧生物脫氮型為主,由進(jìn)水調(diào)蓄池及提升泵井、生化池(缺氧池+好氧池)和沉淀池組成。調(diào)蓄池入口設(shè)內(nèi)進(jìn)流提籃斜條粗格柵,攔截進(jìn)水中砂礫、石塊等大顆粒雜質(zhì)。進(jìn)水調(diào)蓄產(chǎn)生的沉淀底泥定期進(jìn)行泵排清撈。出水端設(shè)浮渣擋板和撇渣管,攔截油脂。出水提升潛污泵設(shè)在外進(jìn)流套筒斜條細(xì)格柵內(nèi),根據(jù)設(shè)定水位啟停。池內(nèi)沉淀底泥、攔截粗細(xì)柵渣、撇除浮渣(食物脂肪、礦物質(zhì)油、油脂等),可與禽畜糞便、污水收集管道通溝污泥一道進(jìn)行好氧堆肥,返田資源化利用。缺氧池內(nèi)放置一層或多層纏繞卷式MABR膜組件,底部安裝環(huán)形不銹鋼穿孔曝氣管,產(chǎn)生的3 cm以上大氣泡發(fā)生氣提效應(yīng),使混合液在同心各層膜片間的上下流均勻流動(dòng),利于進(jìn)水底物和生物膜之間接觸傳質(zhì)。進(jìn)風(fēng)來(lái)自低壓側(cè)流式變頻風(fēng)機(jī),膜內(nèi)進(jìn)風(fēng)在同心纏繞各層膜片內(nèi)透氧后,剩余尾氣外排至池面以上。排放尾氣不含任何污水氣溶膠成分,無(wú)異味臭氣溢出,也無(wú)介水病菌或病毒隨氣溶膠外溢產(chǎn)生公共安全風(fēng)險(xiǎn)[9]58。缺氧池內(nèi)形成生物膜和活性污泥“雙泥”共存、污染底物和溶解氧異向傳質(zhì)、同步硝化反硝化,利用內(nèi)源碳源進(jìn)行反硝化,不需額外投加商品碳源。缺氧池出水后進(jìn)入好氧池(采用活性污泥法),池底微孔曝氣器底部鼓風(fēng)曝氣供氧,進(jìn)一步削減混合液中的COD和穩(wěn)定水質(zhì),采用低能耗靜音空浮風(fēng)機(jī)供風(fēng),風(fēng)機(jī)設(shè)兩路出風(fēng)管,一路至缺氧池底部空氣卷掃穿孔管,另一路至好氧池底部曝氣器。進(jìn)入末端沉淀池前,可投加化學(xué)除磷藥劑進(jìn)行同步化學(xué)除磷。泥水分離沉淀池采用輻流式或平流式池型,沉淀后污泥外回流至缺氧池,剩余污泥外排,可與調(diào)蓄池沉淀污泥協(xié)同好氧堆肥。沉淀池出水可后接不同的深度處理設(shè)施,滿足不同出路污水的資源化回用要求。上述典型工藝具體應(yīng)用時(shí),可將前后段進(jìn)行集約化組成,形成共壁一體化裝置形式,以減小占地面積,提高設(shè)備能效。
1—進(jìn)水管件;2—提籃斜條粗格柵;3—套筒斜條細(xì)格柵;4—潛污泵;5—浮動(dòng)撇渣管;6—便攜式排污泵;7—膜組件;8—不銹鋼穿孔曝氣管;9—側(cè)流式變頻風(fēng)機(jī);10—微孔曝氣器;11—空浮風(fēng)機(jī);12—電動(dòng)蝶閥;13—刮泥機(jī);14—PVC斜管;15—污泥回流泵;16—剩余污泥泵
鑒于水量、水質(zhì)、收集管網(wǎng)等現(xiàn)狀,無(wú)論是小戶數(shù)(3~10戶)散點(diǎn)小集中處理,還是村落多居戶統(tǒng)一集中處理,甚至是大型村落組團(tuán)集中處理,農(nóng)村污水都存在水量季節(jié)性波動(dòng)、雨季雨水混入、水質(zhì)經(jīng)常性或季節(jié)性變化、沉積物和懸浮物偏多等諸多問(wèn)題,如果處理設(shè)施運(yùn)行和保養(yǎng)不利,往往會(huì)造成設(shè)施堵塞、設(shè)備運(yùn)行不正常、出水水質(zhì)不穩(wěn)定等問(wèn)題[4]24。纏繞卷式MABR工藝預(yù)處理段設(shè)置兩道斜條格柵和浮動(dòng)撇渣管,斜條格柵獨(dú)特的斜切向進(jìn)水流態(tài)可對(duì)石塊、纖維、毛發(fā)等物質(zhì)進(jìn)行高效攔截,浮動(dòng)撇渣管隨液位上下浮動(dòng)撇渣,兩者組合可保證后道生化段免堵塞。易堵塞雜物高效攔截后出水進(jìn)入膜法處理段,獨(dú)特的膜傳氧特性形成較厚的密實(shí)生物膜層,耐水質(zhì)沖擊。生物膜內(nèi)層好氧菌分泌的大量胞外聚合物將不同共生菌群固結(jié)在膜表面,菌株間代謝電子傳遞短且健全。掛膜生物載量大、密實(shí),耐低溫并且活性保持長(zhǎng)久。即使在長(zhǎng)期停運(yùn)后,處理裝置也可快速投入運(yùn)行。膜組件獨(dú)特的底部卷掃大氣泡氣提循環(huán)結(jié)構(gòu)形成上下循環(huán)流態(tài),可保證老化膜層及時(shí)帶出,避免堵塞過(guò)流通道。在高水量沖擊時(shí),循環(huán)流態(tài)可消除流量波動(dòng)影響,密實(shí)的膜層也不宜被高進(jìn)水流速?zèng)_刷剝落。工藝為高生物量低負(fù)荷類型,產(chǎn)泥量少,剩余污泥密實(shí)且可快速泥水分離。膜組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝組合方式可針對(duì)性克服農(nóng)村污水運(yùn)維問(wèn)題。此外,該工藝具有高效節(jié)能、減污降碳的特點(diǎn)。
2.3.1 主要工藝參數(shù)
表1 纏繞卷式MABR生化池(缺氧池投加)形成的不同復(fù)合污泥濃度1)
工藝參數(shù)設(shè)定:缺氧池BOD體積負(fù)荷0.80~1.20 kg/(m3·d),氨氮體積負(fù)荷0.25~0.35 kg/(m3·d),單位膜面積BOD負(fù)荷0.010~0.015 kg/(m2·d),單位膜面積氨氮負(fù)荷0.004~0.005 kg/(m2·d),生物膜+活性污泥形成的復(fù)合污泥質(zhì)量濃度8 000~10 000 mg/L,水力停留時(shí)間2.5~3.5 h;好氧池BOD體積負(fù)荷0.75~1.50 kg/m3,活性污泥質(zhì)量濃度500~2 000 mg/L,水力停留時(shí)間0.50~0.75 h;沉淀池進(jìn)入活性污泥濃度比較低,池容較小,表面水力負(fù)荷取1.75~2.00 m3/(m2·h),水力停留時(shí)間1.5~2.5 h。生化池(缺氧池+好氧池)在進(jìn)水水溫為10~30 ℃時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行,出水COD去除率90%以上,BOD去除率95%以上,氨氮去除率90%以上,總氮去除率80%以上,可穩(wěn)定保證出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 18918—2002) 一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。后道工序接化學(xué)除磷、轉(zhuǎn)盤濾池或者砂濾池,出水水質(zhì)可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。
2.3.2 運(yùn)行能耗
纏繞卷式MABR工藝的運(yùn)行能耗主要在膜曝氣傳氧方面,較傳統(tǒng)活性污泥法、傳統(tǒng)膜法工藝,所需曝氣風(fēng)量、氣壓大為降低。
(1) 傳氧方式
透氧膜無(wú)泡曝氣的傳氧速率可由式(1)表示[10]:
(1)
式中:KLa為總傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù),h-1;C*為飽和溶解氧質(zhì)量濃度(20 ℃標(biāo)況下為9.17 mg/L),mg/L;C為溶解氧實(shí)際質(zhì)量濃度,mg/L。
親水性膜表面活躍著大量分泌胞外聚合物的異養(yǎng)好氧菌和自養(yǎng)硝化菌,可形成黏附性強(qiáng)、厚度大的密實(shí)生物膜,掛膜厚度在1~2 mm。傳氧方式是溶解滲透,一方面?zhèn)餮鯏U(kuò)散高且不需擾動(dòng)膜層,另一方面無(wú)擾動(dòng)傳氧也利于增加膜層厚度。而傳統(tǒng)附著型填料,無(wú)論是固定填料,還是懸浮填料,甚至是膜生物反應(yīng)器(MBR)膜填料,其外向內(nèi)的透氧方式限定了其較薄的掛膜厚度,一般在0.2~0.3 mm[11]。前者是后者的5~10倍。纏繞卷式MABR膜工藝大量的微生物存在于膜外表面,外部的活性污泥絮體較少。傳氧路徑集中在生物膜部位,而不是活性污泥絮體顆粒。僅通過(guò)一定厚度的生物膜進(jìn)行傳氧,不需要傳統(tǒng)活性污泥法氣泡劇烈混合接觸傳氧。透氧膜透過(guò)的為純氧,氣泡高分壓下快速溶解于生物膜中,并快速滲透?jìng)鬟f到膜層微生物胞內(nèi),KLa高并且傳質(zhì)接觸面積大。
(2) 進(jìn)水水質(zhì)、污泥濃度影響
式(1)中的KLa分別和α(污水KLa/清水KLa)、β(污水C*/清水C*)正相關(guān)[12]15。傳統(tǒng)活性污泥法氣泡容易黏附非極性物質(zhì)[13],從而減少氣液接觸面積并減低氧氣傳輸速率,造成α值和KLa下降。膜曝氣傳氧發(fā)生在生物膜內(nèi)部,不與進(jìn)水中的上述成分接觸,其傳氧系數(shù)不受進(jìn)水水質(zhì)影響,可一直保持穩(wěn)定高效。傳統(tǒng)生物膜法,尤其是MBR工藝,其懸浮污泥混合液固體濃度(MLSS)在8 000~12 000 mg/L,易形成高黏度流變混合液。黏附在氣泡水層接觸表面的高黏污泥,會(huì)造成α值下降并對(duì)氧擴(kuò)散不利。MABR工藝中大量微生物固結(jié)在膜表面,膜之間的活性污泥絮體濃度較低(MLSS為500~2 000 mg/L),沒(méi)有高濃度懸浮污泥帶來(lái)的黏性阻礙傳氧問(wèn)題。膜曝氣傳氧發(fā)生在生物膜層內(nèi)部,外部混合液鹽度對(duì)膜內(nèi)傳導(dǎo)性低,β值影響小,對(duì)于維持較高的溶解氧有利[14];不受表面活性劑、鹽度、污泥濃度附加黏度影響,使得MABR工藝可獲得高效透氧傳遞和高溶解氧。
(3) 風(fēng)量、風(fēng)壓
兩層膜片間由空氣導(dǎo)流板提供靜水壓力支撐力,過(guò)流空氣壓力只需克服導(dǎo)流間流通阻力、復(fù)合透氧膜內(nèi)層微孔過(guò)流擴(kuò)散阻力、膜外層改性硅膠滲透阻力,風(fēng)損僅為5 kPa左右。無(wú)論是傳統(tǒng)活性污泥法還是傳統(tǒng)膜法,甚至MBR工藝,其鼓風(fēng)曝氣風(fēng)壓需考慮池內(nèi)靜水壓力以及管路、曝氣器等風(fēng)損,風(fēng)機(jī)出口備壓=凈水壓力+(12~15)kPa。兩者比較,MABR膜曝氣工藝曝氣風(fēng)壓大為降低。
與MBR膜池不同,MABR膜組件所需的卷掃循環(huán)氣量較低,僅保證氣提產(chǎn)生的膜通道流態(tài)為層流狀態(tài),膜片間混合液流速在0.15~0.30 m/s即可。而MBR膜池需要較高的過(guò)膜混合液切向錯(cuò)流流速(3~5 m/s),需要提供較大風(fēng)量的卷掃空氣[12]36。相較而言,MABR工藝降低了氣泡卷掃動(dòng)力耗能。
以典型的農(nóng)村污水水質(zhì)為例,采用圖3所示的典型工藝時(shí),發(fā)生的曝氣能耗參數(shù)與傳統(tǒng)活性污泥法對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 農(nóng)村污水處理纏繞卷式MABR工藝與傳統(tǒng)活性污泥法工藝長(zhǎng)期運(yùn)行能耗對(duì)比
對(duì)比可知,MABR膜組件的SOTE和SAE是傳統(tǒng)底部鼓風(fēng)氣泡曝氣的3倍左右,單位處理水量的曝氣能耗較傳統(tǒng)活性污泥法節(jié)省30%以上,運(yùn)行能耗優(yōu)勢(shì)明顯。
纏繞卷式MABR工藝已有幾十個(gè)成功建成并運(yùn)行案例,在水質(zhì)提升、能耗節(jié)省、集約占地、方便運(yùn)維方面極具優(yōu)勢(shì)。
纏繞卷式MABR工藝可實(shí)現(xiàn)生污泥(初沉污泥)、柵渣、生化污泥、化學(xué)污泥等固體廢棄物源頭分類,并且可將難生物降解的生物質(zhì)——生化污泥源頭減量,疊加上低能耗裝機(jī)功率,此配置方式可很好地響應(yīng)今后農(nóng)村新能源“源網(wǎng)儲(chǔ)荷”發(fā)展模式[15],助力實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水處理節(jié)能降耗、減污降碳。
通過(guò)纏繞卷式MABR工藝復(fù)合透氧膜材質(zhì)、傳氧和掛膜方式、膜組件和運(yùn)行能耗綜合分析,并結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用,闡述農(nóng)村污水組合工藝以及依附形成的一體化裝置在水質(zhì)提升、能耗節(jié)省、集約占地、方便運(yùn)維方面極具優(yōu)勢(shì)。近期,筆者在無(wú)錫新城污水處理廠開(kāi)展了微生物增強(qiáng)污泥減量生產(chǎn)性試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了膜法工藝40%以上的源頭生化污泥減量。該試驗(yàn)結(jié)果為纏繞卷式MABR耦合污泥減量菌,協(xié)同實(shí)現(xiàn)源頭污泥減量奠定了技術(shù)示范。今后,在尾水灌溉和生態(tài)補(bǔ)水等既有資源化基礎(chǔ)上,該工藝在污水污泥分類資源化利用、實(shí)現(xiàn)源頭污泥減量等方面會(huì)更好助力農(nóng)村污水處理領(lǐng)域,協(xié)同構(gòu)建“無(wú)廢鄉(xiāng)村”。