智能裝配式設備對農村污水低碳處理效果分析

王樂陽,張瑞斌,潘卓兮

(1.江蘇龍騰工程設計股份有限公司,南京 210014;2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術研究中心,南京 210014)

農村生活污水是造成農村水環境污染的首要因素,是農村人居環境治理的重要內容之一,其主要來源于廚房污水、生活洗滌污水和廁所污水[1]。隨著農業規?；?、集約化發展進程加快,農村人口逐步集中,同時農村居民收入的提升也伴隨著衛生廁所、洗衣機和淋浴設施的普及,導致農村居民的用水量和污水排放量逐年增加。根據第三次全國農業普查主要數據顯示,截至2016年末,全國普查范圍內47.7%的農戶使用經過凈化處理的自來水,36.2%的農戶使用水沖式衛生廁所,農村人均生活用水量和污水排放量逐年遞增[2]。

為了緩解農村生活污水對生態環境造成的壓力,農村生活污水處理設施逐漸在各地推廣普及。由于城市和工業污水處理技術存在投資大、能耗高、運行費用高等問題,不能將其簡單套用到農村生活污水處理中[3],同時傳統的農村生活污水處理設施維護巡檢周期較長,無法隨時掌握各污水處理節點水量、水位、水質以及設備狀態等情況,且傳統污水廠鋼筋混凝土“工程建造”舊模式無法重復使用[4],設計及施工復雜、占地較多、周期較長,材料、機械使用量大,碳排放量高。當前市場一體化污廢水處理裝置也存在著處理量小、運輸量大,污水處理設施加工、安裝過程的碳排放量高,出水水質經常不達標,資源化利用困難等問題[5]。因此,必須開發一套簡單實用、節能低碳、處理效果好且適合農村地區的污水處理設備。

1 設備工藝流程

智能裝配式AO-MBR設備(見圖1)采用生物接觸氧化處理工藝,分別設置緩釋碳源缺氧槽(缺氧區,Anoxic)、固定填料氧化槽(好氧區,Oxic)和好氧MBR沉淀槽(MBR區)3個功能區,并在缺氧區和好氧區內部分別設置緩釋碳源填料和固定化菌藻填料/鋁污泥復合填料。缺氧區攪拌方式采用潛水攪拌器間歇攪拌,好氧區和MBR區曝氣采用漩渦風機曝氣。

圖1 智能裝配式AO-MBR設備圖

如圖2所示,農村生活污水首先通過粗細格柵進入調節池進行水質水量調節,混勻的污水通過提升泵提升至一體化設備緩釋碳源缺氧槽,在缺氧槽內與硝化回流液進行混合,利用進水的有機物及緩釋碳源填料作為電子供體,在缺氧區進行反硝化脫氮,去除硝氮;缺氧槽的污水再進入固定填料氧化槽,在氧化槽內通入空氣,在好氧微生物作用下,去除污水有機物和氨氮,聚磷菌利用好氧條件下產生的動力吸收過量的磷;污水通過MBR沉淀槽底部設置的斜板沉淀裝置進行泥水初步分離后進入好氧MBR沉淀槽,凈化后的水流入消毒池,紫外線消毒后出水達標排放;部分污泥通過污泥泵回流至缺氧池,剩余污泥排放至儲泥池。

圖2 工藝流程圖

2 設備填料和裝置

2.1 設計水量及進出水水質

智能裝配式AO-MBR設備設計規模為170 t/d,設備要求的設計進出水水質如表1所示,出水水質參照執行江蘇省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 32/ 3462—2020)一級標準A標準。

2.2 填料制備

2.2.1 原材料準備

1)將取自污水處理廠二沉池的活性污泥自然沉降后,得到含水率約為60%的污泥,將其加入自配的培養液中曝氣,每12 h停止曝氣2 h,每3 d換一次培養液,培養完成后,在離心半徑為13.5 cm、轉速為3 500 r/min下,離心15 min以獲得濃縮液,置于0～4 ℃冰箱中保存。

2)蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoi)藻粉購自中國科學院武漢水生生物研究所,其由生長至對數生長期的蛋白核小球藻噴霧干燥獲得。將藻粉置于60 ℃烘箱內烘至恒重,備用。

3)鋁污泥取自給水廠,鋼渣為煉鋼廠廢棄物,沸石為廠家購買,其中鋁污泥的主要成分為Al2O3,質量濃度為38.62%～45.84%,鋼渣的主要成分為Fe2O3(20.42%～26.36%)、CaO(33.23%～42.58%)和MgO(4.89%～8.06%),沸石的主要成分為鋁硅酸鹽礦物,其SiO2含量高于65%。

2.2.2 固定化菌藻填料的制備

海藻酸鈉與80 ℃的去離子水以質量比1∶20混合均勻,待室溫時加入一定質量的藻粉和活性污泥濃縮液,攪拌均勻。用蠕動泵和內徑為2 mm的軟管將菌藻混合液在距離CaCl2和BaCl2固化液面20 cm處有序滴下,制備直徑約為3 mm的固定化菌藻膠球,冷藏備用。其中,固化液中CaCl2和BaCl2的質量分數均為2%。經測定,固定化菌藻膠球孔隙率達到38.5%～42.3%,細菌濃度達3.52×104cfu/mm3。

2.2.3 鋁污泥復合填料的制備

鋁污泥復合填料由質量份為40～50份的沸石、40～50份的鋼渣和50～60份的鋁污泥組成,沸石和鋼渣加入粘結劑攪拌均勻后放入造粒機得到顆粒物,將脫水后的鋁污泥包裹在顆粒物表面,形成鋁污泥殼,在105～120 ℃下烘干2～3 h以去除水分,經烘干后放入500～600 ℃無氧焙燒爐中焙燒6～8 h得到表面鈍化且帶有大量孔隙的球狀鋁污泥-鋼渣-沸石復合填料。經測定,鋁污泥復合填料體積密度為1.35±0.16 g/cm3、孔隙率為0.36～0.49、比表面積為31.1～48.0 m2/g、電導率為0.030 2～0.032 6 S/m、Al2O3含量為29.62%～34.65%、Fe2O3含量為3.25%～4.02%。

2.2.4 緩釋碳源填料的制備

緩釋碳源填料以天然玉米芯為主要原料,浸沒在1%～2%體積濃度的堿性雙氧水中,在90 ℃～100 ℃恒溫中經水浴2～3 h改性制作而成。制備的改性玉米芯結構松散、表面積增大且具有多孔性,粒徑為8～12 mm,密度為0.3～0.6 g/cm3。

2.3 主要裝置情況

如圖3所示,智能裝配式AO-MBR設備主體裝置主要由池體、自主研發的生物填料、風機、在線儀表、加藥裝置、控制系統及其各類管道組成,設備長、寬、高分別為11.0 m、3.0 m和3.0 m,有效水深為2.60 m。池體采用模塊化的高強度、抗沖擊箱體板和標準化模塊間螺栓機械錨固拼接方式,池體內外均進行噴漆防腐處理,頂部蓋板為可拆卸式,池體內部主要技術參數如表2所示。

表2 智能裝配式AO-MBR設備主要技術參數

圖3 智能裝配式AO-MBR設備主體裝置示意圖

智能裝配式AO-MBR設備終端運行通過PLC自動運行和物聯網云平臺的遠程控制,有自動和手動2種模式。自控程序設置完成后,根據處理水量及膜產水通量等參數,可在物聯網云平臺實現一體化設備的開關及相關運行時間參數的調整,終端無需專人值守,系統操作方便,安全可靠。

3 實際應用案例

3.1 處理效果分析

試驗在江蘇省南京市江寧區某農村進行,進水為周邊居民的生活污水,試驗期間設備運行良好,每7 d進行2次采樣和水質檢測,采樣時間為上午10時,連續采樣一個月,進、出水分別在調節池和消毒池出口取樣,污水處理結果如表3所示。由表3可知,經過智能裝配式AO-MBR設備的處理,COD最高出水指標為28.6 mg/L,NH3-N出水濃度保持在1.3 mg/L以下,TN出水濃度保持在1.5 mg/L以下,TP出水保持在0.3 mg/L以下,水質運行監測表明該設備出水效果良好,出水水質遠遠優于江蘇省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 32/ 3462—2020)一級標準A標準,穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類水標準。

表3 實際進出水水質 mg/L

3.2 經濟指標分析

3.2.1 設備成本

本設備的標準化模塊全面適配各種地形條件下的工程現場,可調整模塊大小和數量,節省鋼筋、混凝土、砂石、模板、施工機械等,大幅度降低污水處理設施加工、安裝過程的碳排放,同時裝配式系統可以針對不同水質使用不同環境友好型微生物菌團,提高微生物菌的健壯強度及繁殖能力。填料原材料鋁污泥、鋼渣和玉米芯分別是水廠、鋼廠和農業廢棄物,藻粉和污泥亦來源廣闊,因此自主研發的固定化菌藻填料、鋁污泥復合填料和緩釋碳源填料的綜合制備單價只需450元/m3,價格便宜的同時脫氮除磷性能大幅提高,具有極大的性價比。好氧MBR沉淀槽底部設置的斜板沉淀裝置,減少了進入MBR膜組件的污泥量,解決了MBR膜組件易堵塞問題,使MBR膜組件的使用壽命延長了2～3倍。相較于其他農村污水處理設備,就相同工藝、相同處理規模的一體化設備成本進行對比分析,在相同條件下,本設備成本較常規設備低15%～25%。

3.2.2 運維成本

智能裝配式AO-MBR設備運行無水耗、維護簡單,運維成本主要包括電費、藥劑費、人工費、維修費和折舊費等。電費主要是為污水提升、污泥回流和曝氣等產生的動力耗費,本設備使用特定波形結構箱體側板,使流體呈紊流流態,能夠提高混合效率,同時通過在功能池內部設計多次翻騰及折流結構,降低流態惰性,提高布水及出水均勻性,有效降低動力耗費。由于緩釋碳源材料能夠穩定提供反硝化反應所需的碳源,因此在設備運行期間無需額外添加碳源和除磷劑等藥劑,此時藥劑費用主要為膜清洗造成的。人工費用主要為每次清洗MBR膜產生,按MBR膜清洗次數計算。由于本設備好氧MBR沉淀槽底部設置斜板沉淀裝置,減少了進入MBR膜組件的污泥量,解決了MBR膜組件易堵塞問題,故恢復性清洗由常規設備的三個月清洗一次變成六個月清洗一次,清洗時采用藥劑為3 000 mg/L的NaClO溶液和3 000 mg/L的檸檬酸溶液。綜上所述,本設備的日常運維費約為0.97元/t污水(見表4)。

表4 智能裝配式AO-MBR設備運維分析表

3.3 推廣價值

何曉芳等[6]采用PTFE平板膜組件MBR與A2O(厭氧-缺氧-好氧工藝)相結合的一體化設備,將之應用于浙江省水源保護地農村生活污水的終端處理,出水水質能夠穩定符合一級A標準,部分指標能夠達到地表水Ⅳ類標準,該工程設備的日常運維費約為1.17元/t污水。楊紅梅等[7]針對四川省金堂縣流量小、氨氮高、水質變化大的農村生活污水,采用一體化設備并運用智慧化云端物聯網對其處理,出水水質穩定達到一級A標準,直接運行成本2.74 元/t污水。夏斌等[8]采用生物接觸氧化工藝的一體化設備處理農村生活污水,出水水質達到一級A標準,運行費用1.06元/t污水。智能裝配式AO-MBR設備處理后的出水水質能夠穩定達到地表水Ⅳ類標準,而日常運維費用僅為0.97元/t污水,低于常規一體化設備的日常運行費用,具有良好的發展前景和推廣價值。

4 結語

智能裝配式AO-MBR設備采用工廠化“智造”預制的標準化模塊,全面適配各種地形條件下的工程現場,占地面積小,安裝便捷,配合PLC自動控制系統,可實現遠程監控及控制,無需專人值守,設備運行穩定,出水效果好,適用于農村分散點位廢水處理。

1)設備出水穩定,COD最高出水指標為28.6 mg/L,NH3-N出水濃度保持在1.3 mg/L以下,TN出水濃度保持在1.5 mg/L以下,TP出水濃度保持在0.3 mg/L以下,出水水質穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類水標準。

2)工廠化“智造”預制的標準化模塊、自主研發的生物填料和斜板沉淀裝置使得本設備在設備成本、運維成本等方面均有一定優勢,設備成本較常規設備低15%～25%,運維成本僅為0.97元/t污水,節能減碳效果好。