污水回用處理工藝應用于熱電配套項目的可行性分析

葛新杰，殷 潔

(北京京能新能源有限公司，北京 100028)

我國水資源相對匱乏，隨著水資源的不斷開采,我國的可利用水資源越來越少。燃煤發電項目不僅工業用水量大，同時產生大量的生產和生活污水，隨著水資源的日益緊張和環保要求的日趨嚴格，燃煤電廠的節水減污勢在必行。但受各種條件限制，目前污水回用處理技術基建投資較高，出水水質較差，水質不穩定，處理設施占地面積大，常規回用技術設備不宜小型化，或設備化后難于穩定運行。因此，開發與燃煤發電項目相配套的基建投資少、占地面積小、宜設備化、運行管理簡便并符合項目回用水質要求的污水回用工藝和設備意義重大。

1 項目概況

河北京安熱電項目北鄰首都南大門，地處河北省固安縣永定河畔。項目配套建設員工公寓、招待所、活動中心、固體廢物綜合處理工業園等生產及生活設施，這些配套設施受場地位置限制，相對獨立，距城市污水處理廠較遠，且預測污水產生量較大，治理程度較低，會存在水資源浪費和環境污染等問題。因此，在項目可研階段開展了配套項目污水回用的分析，研究了一種基建投資少、占地面積小、運行管理簡便的污水回用技術工藝，將熱電配套項目產生的污水回用為配套項目水源之一，降低項目配套工程水耗、減少污水排放量，降低運行成本。

2 污水回用水質情況

2.1 污水水質

配套項目研究的污水回用技術工藝的水源為分布式輕度污水源，主要是配套建設員工公寓、招待所、活動中心等生活設施所產生的輕度污水和部分廠區內工業污水，如洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、廁所排水等，各種排水水質見表1。該種水源受條件限制既不能隨污水管網進行集中收集規模處理，隨意排放又會對環境造成污染。

表1 中水原水的水質 mg/L

住宅BODCODSS招待所BODCODSS辦公樓BODCODSS廁所200～260300～360250250300～360200300360～480250廚房500～800900～1 350250洗浴50～60120～13510040～50120～15080洗衣60～7090～12020070150～18015070～80120～150200

注：水樣取自某運行熱電配套項目；表中BOD為五日化學需氧量，COD為重鉻酸鉀法化學需氧量，SS為懸浮性固體。

2.2 用水水質標準

根據《城市中水設施管理暫行辦法》，中水可用于廁所沖洗、綠地樹木澆灌、道路清潔、車輛沖洗、基建施工、噴水池以及可以接受其水質標準的其他用水，如冷卻水、景觀用水、消防用水[1]。達到上述用水要求，需要滿足用水水質標準[2]，即CJ/T 48-1999《生活雜用水水質標準》，見表2。

表2 用水水質標準

項目廁所沖洗和城市綠化洗車和掃除濁度/NTU105溶解性固體TDS/(mg·L-1)1 2001 000SS/(mg·L-1)105色度/度3030臭味無不快感覺無不快感覺pH6.5～9.06.5～9.0BOD5/(mg·L-1)1010重鉻酸鉀法化學需氧量CODCr/(mg·L-1)5050氨氮(以N計)/(mg·L-1)2010總硬度(以CaCO3計)/(mg·L-1)450450氯化物/(mg·L-1)350300陰離子表面活性劑LAS/(mg·L-1)1.00.5鐵/(mg·L-1)0.40.4錳/(mg·L-1)0.10.1總大腸菌群/(個·L-1)33

3 污水回用處理工藝的確定

污水回用技術可以采用生化污水回用處理工藝、物化污水回用處理工藝和膜生物反應器污水處理工藝。以生化處理為主的污水回用技術工藝適宜處理有機物含量較高的生活污水。以物化處理為主的污水回用技術工藝包括二級物化處理，前級以混凝或沙濾為主，后級為深度物化處理，適宜處理城市生活優質雜排水。膜生物反應器污水處理工藝由于存在膜分離組件會發生污染堵塞和膜生物反應器動力消耗過高的問題使該工藝在具體應用中受到限制。傳統的污水回用處理工藝系統流程長，設備繁多，不易實現自動化，容積負荷低，出水水質波動大，占地面積大，對周圍環境影響較大。膜生物反應器污水處理工藝應用過程中，膜污染嚴重、水處理成本過高[3]。

針對上述各處理工藝的特點，結合京安熱電配套項目實際情況，研究采用生化處理為主的處理方法，輔以膜組件的高效分離技術，通過對工藝控制參數的優化，使出水在滿足《生活雜用水水質標準》的基礎上，提高處理效率，降低動力消耗，延長膜分離組件的使用壽命，減小占地面積，降低水處理成本，簡化工藝流程，改善操作管理自動化程度。

工藝流程為進水經過濾網過濾后，由泵打入儲水箱，儲水箱出水再由泵打入生化反應器，污水在反應內經過生化反應后，采用中空纖維膜組件進行泥水分離，膜組件出水即為系統出水。

4 試驗分析

4.1 試驗設備

試驗用各設備及其連接示意見圖1。

圖1 試驗設備及連接示意

4.2 監測分析方法

試驗項目的監測因子有COD、BOD、NH3-N、大腸桿菌、SS、色度等，CODCr、BOD5、NH3-N、LAS、SS、色度的監測分析方法主要采用CJ/T 49-1999《生活雜用水標準檢驗法》中規定的方法，CODCr和BOD5還使用HACHCOD快速測定儀進行分析監測，大腸桿菌采用GB 5750-1985《生活飲用水標準檢驗法》的規定進行監測。

4.3 工藝參數控制

4.3.1 生化反應流態的確定

生化反應器采用完全混合式活性污泥法，工藝研究導流結構采用折流板形式，有利于減小水流阻力，提高能源利用效率。采用隔流板時，膜穩態通量穩定控制在0.12 m3/(m2·d)，氣水比在160∶1～230∶1，連續運行110 d未洗膜。

對有折流板的效果與無折流板情況和文獻[4]、文獻[5]研究結果進行比較。將該試驗采用折流板時的氣體消耗指標設定為1，該項研究無折流板氣體消耗指標為1.91，文獻[4]所采用工藝的氣體消耗指標為4.57、文獻[5]為6.57，采用折流板結構比無折流板結構的反應工藝節約氣體用量47%，與相比文獻[4]、文獻[5]所用工藝節約用氣量78%～85%，因此采用折流板結構的工藝，可大大節約能源。

4.3.2 膜生物反應器類型的確定

從處理設施運行費用的角度考慮，一體式膜生物反應器具有較低的動力消耗，運行費用較低，因此一體式膜生物反應器是本次研究的工藝基礎。

4.3.3 試驗參數的確定

生化反應器的容積，應該由其承擔的去除有機負荷來決定[6]，生化反應器的污泥負荷率為：

Ns=Q·(S0-Se)/(V·X)

(1)

式中：V為生化反應器的有效容積；X為污泥體積質量；S0為反應器進水有機物的體積質量；Se相當于反應器出水有機物的體積質量；Q為生化反應器處理的日處理水量。

膜分離組件的分離性能以實際膜穩態通量表示，即

Jv=Q/A

(2)

式中：Jv為實際運行時的膜的穩態通量；A為膜分離組件的膜面積。

由式(1)和式(2)可得

V=A·Jv·(S0-Se)/(Ns·X)

(3)

由于實際運行時膜的通量是不穩定的，因此生化反應器需要有一定的調節能力，以防止水位過高而溢出，需要對反應器的有效容積進行調整，所以以V=φ·A·Jv·(S0-Se)/(Ns·X)表示，其中φ>1。

試驗設計處理水量：72 L/d，根據上述參數的要求，反應器的有效容積確定為13.7 L，考慮到膜分離組件的水量調節，取容積為15 L。水力停留時間為4.6 h。

4.4 試驗結果

4.4.1 有機物的去除

啟動時，由于污泥體積質量較低，僅為750 mg/L，進水COD為440 mg/L，出水COD為50 mg/L，COD去除率為88.64%。隨著污泥體積質量的提高，進水COD變化范圍為205～480 mg/L，變化幅度達±40.1%時，出水COD也逐步下降，并穩定在14～30 mg/L，優于《生活雜用水水質標準》，COD的去除率在90.2%～94.9%，COD的去除率的變化幅度僅為±2.5%，說明污泥體積質量的升高有利于有機物的去除，并且膜生物反應器具有耐COD沖擊負荷的優點。

BOD的去除效果與COD類似，進水BOD在130～263 mg/L，變化幅度達±33.8%，而出水BOD為3.2～6.9 mg/L，去除效率為95.8%～97.9%，去除效率的變化幅度僅為±1.1%，比COD的去除率更加穩定，完全達到了《生活雜用水水質標準》。

4.4.2 氨氮的去除

膜生物反應器處理技術對氨氮的去除效果好于常規的活性污泥法，氨氮負荷也高于傳統的活性污泥法。根據常規的監測，生活污水中氨氮的體積質量一般為17～55 mg/L，出水氨氮的體積質量為2.8～8 mg/L，氨氮的去除率在94%～97%，比傳統活性污泥法高出近一倍。

4.4.3 監測結果

在以上生化工藝參數的優化控制下，該工藝試驗處理效果的監測結果見表3。

表3 試驗處理效果的監測結果

進水 出水去除效率標準指數1標準指數2pH6.5～96.5～9-CODCr/(mg·L-1)29210.696.40.210.21BOD/(mg·L-1)2306.097.40.600.60NH3-N/(mg·L-1)55.78.8584.10.440.86LAS4.660.31393.30.310.63濁度/度501-0.100.20色度/度-8-0.270.27溶解性固體/(mg·L-1)-600-總硬度(以CaCO3計)/(mg·L-1)-420-總大腸菌群/(個·L-1)>24 000未檢出-臭味-無不快感覺-流量/(L·d-1)72-

注：標準指數1中的標準為廁所沖洗類標準，標準指數2中的標準為洗車類標準。

對比表2和表3可以看出，試驗工藝的出水水質達到了《生活雜用水水質標準》，各項指標的標準污染指數均小于1。系統出水無需消毒處理，該工藝技術進行分布式污水源的污水回用處理是可行的，可以直接作為熱電配套項目中的生活雜用水。

4.5 影響因素

4.5.1 膜分離過程對微生物性狀的影響

膜分離對生化反應器內的活性污泥生物性狀有著重要的影響，會導致生物的組成和生物活性等產生許多新的特性。由于膜分離組件的高效截流作用，使得微生物菌膠團得到完全截流，因此生化反應器中的污泥體積質量可以維持較高的水平。在進水有機負荷一定的情況下，混合液中底物消耗殆盡，混合液中的活細胞數量較少，只有少數細胞才能分裂繁殖，維持混合液的生態平衡。

4.5.2 pH值對氨氮硝化效果的影響

硝化反應的最佳pH值為7.5～8.5，當pH值低于7時，硝化反應速率明顯降低，當低于6和高于9.6時，硝化反應將無法進行。由于進水氨氮體積質量較高，隨著堿度補充的加大，出水氨氮有下降的趨勢，并在堿度補充體積質量大于320 mg/L時，出水氨氮體積質量能達到《生活雜用水水質標準》。

5 經濟效益分析

該配套項目水處理工藝與常用水處理工藝的經濟比較見表4。

表4 3種中水處理工藝的經濟比較

項目兩級生化+過濾消毒管式膜生物反應器該項目工藝主要構筑物基建投資/萬元36.719.316.91主要設備、材料基建投資/萬元25.9018.2613.69總基建投資/萬元62.6127.5720.6膜組件投資/萬元05031單位處理水量的基建投資/(元·m-3·d-1)2 087919686.67單位處理水量的膜組件投資/(元·m-3·d-1)01 666.671 033.33單位處理水量的電力消耗/(kWh·m-3)0.652.360.924單位處理水量的藥劑消耗/(元·m-3)0.380.050.20單位處理水量的其他費用/(元·m-3) 0.1500單位處理水量的處理成本/(元·m-3)1.541.811.322

注：膜的費用計入運行費用。

由表4可以看出，本工藝的噸水投資為1 720元，兩級生化+過濾消毒工藝的噸水投資為2 087元，管式膜生物膜反應器工藝的噸水投資為2 585.67元，因此該工藝的噸水總投資比兩級生化+過濾消毒工藝降級了17.6%，比管式膜生物反應器工藝降低了33.5%。

從污水的處理成本方面看，該工藝水處理成本為1.322元/m3，比兩級生化+過濾消毒工藝降低14.2%，與京安熱電項目所在地生活用水水價1.98元/m3相比，采用該工藝處理后，回用水可節約支出33.3%，經濟效益顯著。將該處理工藝應用于京安熱電配套項目后，以節水23×104m3/a測算，年可節約水費45.54萬元，經濟效益明顯。

6 結論

a. 生化處理為主、輔以膜組件的高效分離技術處理的一般生活污水可達到《生活雜用水水質標準》要求。

b. 京安熱電配套生活具有應用該污水回用處理工藝的可行性，可以采用用該工藝將配套工程中生活設施所產生的洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、廁所排水進行處理后用于廁所沖洗、綠化澆灌、道路清潔、車輛沖洗、基建施工、噴水池、冷卻水、景觀用水和消防用水等。

c. 該工藝可以推廣到居民小區、賓館、飯店、學校、車站、高速公路服務器等場所的廁所沖洗、綠化、洗車、冷卻等用水。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國建設部以建城字第〔1995〕713號,城市中水設施管理暫行辦法[S].

[2] CJ/T 48-1999,生活雜用水水質標準[S].

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[4] 鄭 祥,樊耀波.膜生物反應器運行條件的優化及膜污染的控制[J].給水排水，2001，27(4)：41-44.

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[6] 羅 虹,顧 平,楊造燕.投加粉末活性碳對膜阻力的影響研究[J].中國給水排水,2001，16(3)：5-8.