煤礦區生活污水處理的多相泥膜耦合生物技術應用研究

張婉琴

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

煤礦的開采及礦區居民的社會活動將產生大量的生活污水。據不完全統計，我國煤礦區每年生活污水排放量超過8億m3。一方面大量的生活污水排放造成水體污染，另一方面企業用水矛盾突出。目前常用的煤礦區生活污水處理方法包括氧化溝、生物接觸氧化、人工濕地等，但存在成本高、處理效果不佳的問題。因此，研發先進、高效的煤礦區生活污水處理技術與工藝，提升系統處理性能和出水品質，對實現煤礦區居民幸福指數的提升具有重要的意義。

1 煤礦區生活污水特征及處理技術趨勢

1.1 煤礦區生活污水特征

文獻[1]統計分析結果表明，我國主要產煤省區各煤礦的300余組監測結果中BOD5濃度為6.8～308.7 mg/L，其中，超過100 mg/L、150 mg/L和200 mg/L的分別占9.7%、3.3%和1.5%。監測數據表明，煤礦礦區生活污水的BOD5顯著低于城市污水中的濃度。

1.2 礦區生活污水處理技術趨勢分析

生物膜法對污染物濃度較低的煤礦生活污水來說，生物濾池更具有優勢，但生物濾池對煤礦生活污水中的N、P去除效率偏低。目前，多相泥膜工藝聯用是生物膜工藝的發展趨勢，包括生物膜與MBR聯用、生物膜與藻類聯用等方式。

隨著國家對環保要求的提高，在水資源日益短缺、工程效益優先的情況下，礦區生活污水處理技術發展趨勢將向著高效、低能耗、適用、出水水質穩定的方向發展，同時對礦區低溫、低濃度污水有較強的適用能力，能滿足環境提標與中水回用的要求。

2 余吾煤礦礦區生活污水水質特征

根據余吾礦區生活污水處理站調查取樣檢測，調節池的生活污水，水質指標參數見表1。

表1 礦區生活污水水質指標

3 生化工藝處理煤礦生活污水的試驗對比分析

3.1 生物試驗方案設計

1) 試驗水質確定。試驗所用廢水為人工模擬的煤礦區生活污水[2]，廢水中COD=200 mg/L，氨氮=15 mg/L，總氮=25 mg/L，總磷=5 mg/L，微量元素營養液0.1%(體積分數)。

2) 生物載體填料的篩選。傳統的生物膜工藝是以活性炭、組合填料、彈性填料等作為微生物載體實現微生物的富集，但是這些載體微生物親和性差，微生物容易隨污泥一起流失，需要不定期投加。相對于天然生物載體材料，人工合成類的載體更具有多面性和可控性，實驗篩選的人工合成類填料材料參數見表2。

表2 生物填料參數對照

3) 試驗反應器結構設計。MABFT反應器為有效體積50 L的長方體，35 cm×35 cm×60 cm，內部填充40%高-密度生物載體填料，填料型號NC-5PPI。試驗開始后，首先向反應器內投放2 g/L活性污泥，經6 h后生化污泥流至后端獨立沉淀池，沉淀池底部污泥經回流泵打入MABFT池，污泥回流比1∶1，MABFT反應器內DO控制在2.0～5.0 mg/L，反應器連續運行15 d。

MBR反應器體積與MABFT池一致，反應器內部裝有微濾膜組件，膜組件為中空纖維膜，MBR后不設置沉淀池，進水條件與運行條件與MABFT池一致；另外設置一組普通活性污泥反應池作為對照組，池體體積與運行條件與MABFT池保持一致。

3.2 生化工藝對模擬煤礦生活污水污染物的去除

3.2.1 生化工藝對COD的去除效果

從圖1中的數據可以看出，MBR相對于MABFT池的出水COD濃度更低，MABFT出水平均COD約20 mg/L，MBR平均COD小于20 mg/L。主要原因可能是MBR與MABFT池內微生物濃度相對活性污泥法較高，大量的微生物對葡萄糖的利用更為充分。同時MABFT反應器在5 d以后總污泥濃度達到4 g/L以上，生物膜初步形成，生物膜內部微生物具有兼氧和厭氧功能，能從多個途徑降解COD，因此出水COD相對較低。MBR反應器由于微濾膜的過濾作用，截留了大分子有機物和一些微生物胞外聚合物(EPS)，因此出水COD更低，效果更好。

3.2.2 生化工藝對COD的去除效果

好氧生物處理的主要作用之一是去除污水中的COD(有機和無機污染物)，試驗中模擬煤礦生活污水中的COD主要為葡萄糖，易降解，COD濃度較低。

圖1 生物工藝去除COD效果

試驗出水氨氮濃度隨時間變化趨勢見圖2。6 d之前，各反應器出水氨氮濃度逐步降低，而后趨于穩定，主要原因是模擬煤礦生活污水中的進水氨氮濃度較低，0～6 d微生物正處于適應階段，此時系統中的硝化細菌活性不高，后期硝化細菌逐漸被馴化，硝化效果逐步提升直到穩定。試驗穩定條件下，各反應器最終出水平均氨氮濃度分別為：活性污泥法1.8 mg/L、MBR工藝1.1 mg/L、MABFT工藝0.9 mg/L。MBR和MABFT對氨氮的去除效果均優于普通活性污泥法，其主要原因也在于這兩種工藝對微生物的截留和富集作用，硝化作用明顯。模擬廢水中添加的碳酸氫鈉為硝化細菌提供了一定的堿度，也有助于提升硝化效果。

4 多相泥膜耦合生物工藝現場中試研究

由以上對比實驗可以看出，單一的好氧工藝無法對煤礦生活污水中COD、氨氮及TN起到均衡有效的去除效果，因此為保證包括TN的去除，依然要結合兼氧/好氧生化系統。因此，選擇多相泥膜耦合生物工藝進行余吾礦區生活污水處理的中試研究。

4.1 現場試驗條件及工藝流程

1) 水樣來源及水質。水樣取自余吾煤礦生活污水格柵井，pH=6.87，COD188.4 mg/L，SS為82 mg/L，總氮為31.2 mg/L，氨氮為23.6 mg/L，總磷為6.3 mg/L。

2) 中試工藝流程設計。生活污水現場中試流程如圖3所示。

4.2 中試處理裝置與材料配置

試驗裝置由調節池、兼氧池、MABFT池和MBR池組成。材料配置如圖4所示。

4.3 現場試驗運行條件

生化池進水水量：40 L/h；兼氧池溶解氧濃度：0.5～1.5 mg/L；好氧池內溶解氧濃度：3～6 mg/L。兼氧池內加入100 mg/L葡萄糖作為反硝化碳源；MBR池設置污泥回流，總回流比為1∶1；水質測定頻率1次/天，數據取平均值。試驗工藝流程見圖5。

圖2 生物工藝去除氮元素效果

圖3 現場中試流程

圖4 中試處理裝置與材料配置

圖5 試驗工藝流程

4.4 現場中試試驗結果分析

4.4.1 多相泥膜耦合生物工藝對COD的去除

如圖6所示，煤礦區生活污水的COD濃度在150～ 220 mg/L之間。在調試期(1～10 d)內，各生化池內的COD濃度逐漸下降，兼氧池-MABFT池-MBR池內COD濃度逐步被消耗，MABFT池內的污泥總濃度達到8.3 g/L，10 d后平均出水COD=22.3 mg/L，去除率達88.5%。超過60%的COD在兼氧段被去除，說明反硝化效果顯著。

圖6 COD濃度隨運行時間變化

4.4.2 多相泥膜耦合生物工藝對氮污染物的去除

試驗中對氮污染物濃度去除的結果如圖7所示。受MBR池回流污泥中硝化菌的硝化作用與污泥回流對原水稀釋的影響，兼氧池的氨氮濃度維持在6～10 mg/L，兼氧池的部分氨氮在被去除。由于MABFT內置的高密度填料具有富集微生物作用，氨氮的去除效率95%以上。

如圖8所示，出水的總氮濃度：兼氧池11.0 mg/L、MABFT池5.6 mg/L、MBR池4.7 mg/L，兼氧池內氨氮占總氮的51.3%；由于曝氣充足，MABFT池和MBR池內主要以硝態氮為主，大部分的氨氮均氧化為硝態氮[3-4]。由于MABFT中的填料內部的缺氧環境有利于反硝化菌的生長，使部分總氮被去除[5]。

分析表明，該工藝的總氮去除率達到近80%，顯著高于常規生化工藝。

圖7 氨氮濃度隨時間的變化

圖8 總氮組分

4.4.3 多相泥膜耦合生物工藝對總磷的去除

如圖9所示，煤礦區生活污水中的總磷濃度偏高(5～8 mg/L)，經過兼氧-MABFT-MBR系統處理后，出水總磷濃度顯著下降，最低達0.7 mg/L，去除率達到89%，效果顯著。

4.5 多相泥膜耦合生物工藝的參數優化

為了進一步提升多相泥膜耦合生物工藝對煤礦生活污水中污染物的去除，應對日益嚴格的排放標準，對工藝的運行參數進行了進一步的優化，主要是通過改變生化系統的HRT和SRT。污泥水在系統中停留時間越長，填料附著的微生物量則會越大，但是基于在實際工程中應用考慮，為了節省能耗，需要尋找到最佳的停留時間，即污泥回流比。參數優化結果見表3。

圖9 總磷的去除變化

表3 出水平均指標

表3數據表明，在較高的HRT和較大的回流比作用下，多相泥膜耦合生物系統對煤礦生活污水的處理效果顯著提高，試驗出水水質與相應標準對比見表4。

表4 試驗出水水質與相應標準對比

5 結 語

1) 在低濃度廢水條件下，MABFT池對微生物的富集作用最高，其次為MBR，普通活性污泥法在低濃度廢水中無法維持較高的生物量；對COD去除效果MBR優于MABFT優于普通活性污泥法；對N元素的去除效果則是MABFT優于MBR優于普通活性污泥法。因此，為了進一步提高煤礦生活污水的出水水質，結合MABFT和MBR工藝是一種更為可行的協同處理工藝。

2) MABFT池內的填料有助于富集活性污泥，顯著提升總氮和總磷去除效果，分別達到95%和89%.

3) 以“兼氧-MABFT-MBR”為主的多相泥膜耦合生物工藝處理煤礦區生活污水取得了良好效果，出水滿足地表水Ⅳ類水質標準。