污水處理 還鄉(xiāng)間綠水青山

文|吳志超

污水處理 還鄉(xiāng)間綠水青山

文|吳志超

項(xiàng)目成果：村鎮(zhèn)污水HI—MBR分級(jí)處理工藝及裝備

課題單位：同濟(jì)大學(xué) 上海子征環(huán)保科技有限公司

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市聚集效應(yīng)日益突出，城市的高房?jī)r(jià)和產(chǎn)業(yè)的外遷等因素都使得外來人口更多的居住在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，使得本就缺乏或薄弱的排水系統(tǒng)和水環(huán)境不堪重負(fù)，水污染及喪失使用功能的劣Ⅴ類水體比比皆是。

我國村鎮(zhèn)污水處理現(xiàn)狀

表1 污水處理工藝主要指標(biāo)去除率與成本分析

以下為2009年9月至2011年3月19個(gè)月內(nèi)上海郊區(qū)88套代表性農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)的進(jìn)水平均數(shù)據(jù)。

表2 上海農(nóng)村生活污水進(jìn)水平均數(shù)據(jù)

為了解決村鎮(zhèn)生活水污染問題，各地政府高度重視，投入巨資，但效果不盡如人意。現(xiàn)有村鎮(zhèn)污水處理技術(shù)裝備主要是把城市污水、工業(yè)廢水處理及國外分散污水處理技術(shù)裝備直接引用，沒有進(jìn)行適用性深度研發(fā)。

事實(shí)上，村鎮(zhèn)污水處理的工藝裝備受制于區(qū)域水環(huán)境容量、水資源情況、冬季水溫氣溫特征、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、人員素養(yǎng)、建設(shè)主體責(zé)任心、可用土地面積、環(huán)保企業(yè)技術(shù)水平、納管質(zhì)量、管理人員素質(zhì)及有否長(zhǎng)期監(jiān)督、問責(zé)情況等多方面因素，需要不同形式、不同層次、不同標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)技術(shù)裝備管理解決方案。上海水務(wù)局為了總結(jié)多年新農(nóng)村污水處理技術(shù)路線問題，曾委托華東師范大學(xué)進(jìn)行了第三方評(píng)估，根據(jù)評(píng)估研究論文的測(cè)算結(jié)果如表1、表2所示。

根據(jù)表2以及表1中的數(shù)據(jù)計(jì)算出五種工藝出水水質(zhì)特征（按最低去除率）（毫克/升），如圖1～4所示（注：黃線為2級(jí)處理標(biāo)準(zhǔn)，紅線為一級(jí)B處理標(biāo)準(zhǔn)）。

由上表可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有常規(guī)處理工藝只能達(dá)到國家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，投資的環(huán)境效益很差，水環(huán)境中重要的氮磷污染物去除率低。

圖1 五種污水處理工藝出水總磷對(duì)比

圖2 五種污水處理工藝出水氨氮對(duì)比

村鎮(zhèn)污水處理技術(shù)方向

圖3 五種污水處理工藝出水BOD5對(duì)比

圖4 五種污水處理工藝出水COD對(duì)比

如前所述，現(xiàn)有污水處理技術(shù)主要分為三類。

第一類是以活性污泥或生物膜為主的污水廠工藝，其需要足夠水深、面積的二沉池來實(shí)現(xiàn)固液分離，并需要不間斷的專業(yè)化管理，村鎮(zhèn)污水處理顯然不適合。

第二類是以土壤滲濾、濕地為主的工藝，其對(duì)氮磷等主要靠吸附吸收等處理，需要結(jié)合一些生態(tài)、工程措施，實(shí)現(xiàn)氮磷的可持續(xù)處理，否則一旦填料飽和，其污染物去除能力將消失，該類技術(shù)的噸水占地面積很大，冬季運(yùn)行效果也差，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)占地受限，或者冬季水溫很低的區(qū)域無法使用。

第三類是上述兩類的組合工藝，希望減少占地面積，簡(jiǎn)化管理。上海、蘇州等地的工藝主要以第三類為主，但實(shí)踐證明，效果不盡如人意，原因在于預(yù)處理主要去除懸浮性、顆粒性污染物，無法有效去除氨氮，對(duì)后續(xù)的土壤滲濾、濕地處理只能提供運(yùn)行穩(wěn)定性，無法大幅度減少占地面積。

在村鎮(zhèn)污水處理核心工藝上，本研發(fā)團(tuán)隊(duì)以污染物去除率高、占地面積小、出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠的膜生物反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱MBR）為研發(fā)對(duì)象，針對(duì)其投資高、膜污染清洗周期短、能耗高的難題開展技術(shù)攻關(guān)，通過平板膜配方、膜元件、膜組件的系統(tǒng)創(chuàng)新研究，成功開發(fā)了高性能平板膜配方，成套化了膜元件與膜組件，實(shí)現(xiàn)了平板膜MBR的低投資、低能耗、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，突破了阻礙平板膜MBR在村鎮(zhèn)污水處理中應(yīng)用的能耗、成本、膜污染三大瓶頸，達(dá)到了成套化、工業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用水平。

在村鎮(zhèn)污水處理普遍存在的除磷難題上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性采用自來水廠脫水污泥進(jìn)行改性處理生產(chǎn)出高效吸附磷的材料，既充分利用自來水處理中投加的鋁鹽，又確保發(fā)揮其作用，實(shí)現(xiàn)了高效除磷的同時(shí)，污泥處理處置也安全方便。最后，為了適應(yīng)量大面廣的村鎮(zhèn)污水簡(jiǎn)單化長(zhǎng)效管理的需求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮了膜處理的高品質(zhì)出水優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了價(jià)廉物美的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了低成本的在線監(jiān)管，并最終形成了HI-MBR的系列核心技術(shù)體系。

適用范圍及技術(shù)成就

HI-MBR適用于規(guī)模為30～500立方米/天新農(nóng)村污水處理、分散式污水處理等。具有出水效果好、占地面積小、剩余活性污泥量基本消納、膜清洗周期長(zhǎng)、免離線清洗、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、運(yùn)行費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)。

HI-MBR村鎮(zhèn)污水分散處理整體解決方案在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益、后續(xù)政府監(jiān)管的便利性等方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他MBR供貨商。

本成果取得的技術(shù)成就主要有：

核心平板膜配方研制

針對(duì)村鎮(zhèn)分散污水處理面臨的長(zhǎng)期免維護(hù)管理需求，從鑄膜液揮發(fā)時(shí)間、凝膠浴溫度、鑄膜厚度、鑄膜速度對(duì)平板膜成膜性能影響入手，開展制膜條件的優(yōu)化研究。通過不同聚合物分子量對(duì)膜形態(tài)結(jié)構(gòu)、成膜性能、成膜親水性能、及對(duì)膜臨界通量及污染性能的影響研究，改進(jìn)優(yōu)化膜配方。最終獲得了適用于村鎮(zhèn)分散污水處理的，在各種污泥、曝氣強(qiáng)度、進(jìn)水條件、操作參數(shù)等條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行的膜配方及制膜條件。與國內(nèi)其他平板膜生物反應(yīng)器供貨商相比，生產(chǎn)的平板膜不僅更加符合農(nóng)村污水處理需求，質(zhì)量更皮實(shí)，同時(shí)，生產(chǎn)成本也更低。

膜元件和組件的優(yōu)化

通過不同材質(zhì)襯板、不同出水方式、不同封裝技術(shù)、不同襯網(wǎng)等系統(tǒng)研究，以價(jià)廉性能穩(wěn)定為評(píng)估手段，優(yōu)化了膜元件；通過不同厚度膜元件、膜元件凈間距、曝氣管和膜底相對(duì)距離、曝氣強(qiáng)度、曝氣管布置方式、曝氣管清洗方式、膜組件水力模擬等系統(tǒng)研究，獲得了性能穩(wěn)定的平板膜組件；通過各種零件的模具化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，既降低了后續(xù)生產(chǎn)成本，也確保了穩(wěn)定的質(zhì)量。通過上述研究，滿足了村鎮(zhèn)分散污水處理對(duì)平板膜元件、膜組件的低成本、壽命長(zhǎng)、高質(zhì)量，同時(shí)成本低的要求。

平板膜曝氣能耗的降低

通過以臨界通量為核心的評(píng)價(jià)體系構(gòu)建，系統(tǒng)考察了進(jìn)水水質(zhì)、污泥負(fù)荷、容積負(fù)荷、污泥濃度、曝氣強(qiáng)度、襯板、襯網(wǎng)、導(dǎo)流網(wǎng)、裝填密度、曝氣管布置方式、曝氣管開孔方式、溫度等對(duì)平板膜臨界通量的影響。在此基礎(chǔ)上，以低曝氣強(qiáng)度為目標(biāo)，探尋高而穩(wěn)定的臨界通量所需環(huán)境條件的控制。通過上述研究，極大降低了平板膜清洗的能耗，相比課題立項(xiàng)時(shí)的國際品牌平板膜組件，膜曝氣清洗所需氣量降低50%以上，破解了膜生物反應(yīng)器能耗高的難題，滿足了村鎮(zhèn)分散污水處理的能耗難題。

生物污泥MSTD處理處置

污水處理中生物污泥的產(chǎn)生是不可避免的，如何減少排泥，甚至在一定較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不排泥是村鎮(zhèn)分散污水處理必須要解決的難題。首先從產(chǎn)泥源頭入手，依靠平板膜MBR的低污泥負(fù)荷設(shè)計(jì)，延時(shí)曝氣消化污泥，極大減少后續(xù)需要處理的剩余污泥量；其次，采用平板膜濃縮技術(shù)，對(duì)于排放進(jìn)入污泥同步濃縮消化池的污泥進(jìn)行深度濃縮，最終污泥濃度可達(dá)到40～50克/升，膜出水直接和MBR出水混合排放，污泥體積得到極大減少；同時(shí)，利用污泥水解消化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污泥的低氧消化，進(jìn)一步從固體總量上減少污泥；最終，結(jié)合MSTD工藝特有的水蚯蚓富集現(xiàn)象，對(duì)殘余污泥進(jìn)行蠶食，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期不排泥（實(shí)際工程已2～3年沒有排泥）。

創(chuàng)新的化學(xué)除磷及污泥處理處置

以一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)考核村鎮(zhèn)分散污水處理設(shè)備的TP濃度時(shí)，化學(xué)除磷是必備的手段。化學(xué)除磷產(chǎn)生的化學(xué)污泥一般需要脫水，而在村鎮(zhèn)污水處理中配備脫水機(jī)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，今后的運(yùn)維成本將非常高。團(tuán)隊(duì)在原有污水污泥平板膜MBR處理一體化工藝技術(shù)上，特別開發(fā)了在膜出水后的高效濾料吸附反應(yīng)除磷技術(shù)及裝備，出水除磷可以達(dá)到一級(jí)A甚至更高要求。同時(shí)，該吸附材料具有孔隙，不僅吸附容量大，還容易自然干燥，無需脫水設(shè)備。其次，吸附材料采用環(huán)保無毒物質(zhì)制作，重金屬、有毒有害物質(zhì)完全符合最嚴(yán)格的農(nóng)田利用標(biāo)準(zhǔn)，含水率也低于65%，既可農(nóng)用，也可方便填埋。

廉價(jià)的專業(yè)化設(shè)計(jì)支持

平板膜MBR自身就具有占地面積少、集約化程度高的特點(diǎn)。實(shí)踐中，村鎮(zhèn)分散污水處理規(guī)模各異性差別大，投資又要求低，專業(yè)化設(shè)計(jì)面臨單體規(guī)模小，設(shè)計(jì)成本極高的難點(diǎn)，不進(jìn)行專業(yè)化設(shè)計(jì)又面臨投資成本大、能耗高的問題。針對(duì)上述難題，開發(fā)了專業(yè)化的設(shè)計(jì)軟件，能夠?qū)?0～500立方米/天規(guī)模的設(shè)備進(jìn)行快速專業(yè)化設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約了投資，也減少了占地，更方便了后續(xù)的設(shè)備維護(hù)。

物聯(lián)網(wǎng)管理模式

HI-MBR工藝的出水水質(zhì)好、處理效果穩(wěn)定，無需專業(yè)化管理就能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。只要鼓風(fēng)機(jī)、抽吸泵運(yùn)行正常，出水有機(jī)物、氮、SS濃度達(dá)標(biāo)就能得到保障；膜壓力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，出水水量就能得到保障；除磷裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間在控制范圍內(nèi)，除磷就能確保。HI-MBR就是為免去頻繁的現(xiàn)場(chǎng)管理而設(shè)計(jì)的，通過對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、抽吸泵、膜壓力、時(shí)間繼電器的監(jiān)控就可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)管理，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)就可進(jìn)行定向維護(hù)，不需要投資高、維護(hù)繁瑣的在線污染物濃度監(jiān)控儀表。正因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)定向管理，人均的管理設(shè)備數(shù)量可以達(dá)到50臺(tái)（套）以上，人工費(fèi)得到最大程度的降低。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)際新農(nóng)村污水處理工程中推廣平板膜MBR設(shè)備超過100套，最新研發(fā)成果HI-MBR設(shè)備實(shí)際投運(yùn)超過1年多，運(yùn)行穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上，升級(jí)改造及新建HI-MBR超過10套。

HI-MBR工程案例照片