一、項目概況
隨著農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)越來越多大中型學(xué)校的出現(xiàn)，校園污水的污染問題也逐漸突顯出來。甘肅省西部地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)、中學(xué)一貫制寄宿性學(xué)校，學(xué)生約為2000人，教職工約為100人，學(xué)校地處西北偏遠(yuǎn)干旱地區(qū)，水資源短缺，校園衛(wèi)生條件較差，生活污水由洗衣廢水、食堂廢水、沖廁及淋浴廢水等組成，污水處理規(guī)模為60~100m3/d。要求污水經(jīng)深度處理后達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920—2002)標(biāo)準(zhǔn)后回用于沖洗廁所、道路和校園綠化，同時不產(chǎn)生剩余污泥。
由于該學(xué)校地處西北地區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱，因此用水量、污水水質(zhì)月際變化較大。校園污水經(jīng)化糞池處理后的實際水質(zhì)如表1所示。
從表1可見，該污水有機物及氨氮濃度均較高，水質(zhì)水量的變化又較大，而處理水還要求達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920-2002)標(biāo)準(zhǔn)后回用，以及無剩余污泥排放等。綜合上述情況，最終采用的工藝流程如圖1所示。
二、主要處理單元及其參數(shù)
2.1 調(diào)節(jié)池/水酸酸化池
冬季進(jìn)水有機物濃度高，污水的可生化性好，有機物水解酸化速度快，導(dǎo)致pH值快速下降，干擾厭氧產(chǎn)甲烷階段的運行。該工程將厭氧生物處理的產(chǎn)酸發(fā)酵階段和產(chǎn)甲烷階段分別放在不同的反應(yīng)池完成。調(diào)節(jié)池同時用作產(chǎn)酸發(fā)酵池，使進(jìn)水中的有機物在發(fā)酵菌及產(chǎn)酸菌的作用下快速水解，完成產(chǎn)酸發(fā)酵階段。一般產(chǎn)酸發(fā)酵階段會導(dǎo)致反應(yīng)池內(nèi)的pH值下降，但是由于進(jìn)水氨氮含量較高，氨氮產(chǎn)生的堿度物質(zhì)會中和有機酸，使水解酸化池出水pH值不至于過量下降，一般能維持產(chǎn)酸發(fā)酵池出水pH值為6.6~6.8，對產(chǎn)甲烷階段不會產(chǎn)生較大的影響。同時，將好氧沉淀池污泥也回流到本處理單元，回流污泥中的硝酸鹽氮在此進(jìn)行反硝化脫氮，反硝化不徹底產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮還能繼續(xù)進(jìn)入?yún)捬跽哿靼宸磻?yīng)池，與原污水中的氨氮進(jìn)行厭氧氨氧化，進(jìn)一步降低出水中的氮源污染物。
調(diào)節(jié)池/水解酸化池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)矩形水池，平面尺寸為2.0mx4.0m，池深為4.3m，有效水深為3.8m，HRT=7~12h，VSS=30g/L，池內(nèi)設(shè)潛水泵2臺(1用1備)，在池底設(shè)多孔攪拌管3根，管徑為48mm，管底向下設(shè)45°斜孔用于對池內(nèi)水流進(jìn)行攪拌混合。潛水泵出水一部分提升至后續(xù)處理構(gòu)筑物，另一部分回流至池內(nèi)多孔管用于循環(huán)攪拌，從而滿足水解酸化過程中有機物與發(fā)酵菌的接觸要求。調(diào)節(jié)池/水解酸化池進(jìn)口設(shè)格柵槽，槽寬為1.0m，柵條間隙為10mm，安裝傾角為60°，采用人工定期清除柵渣。
2.2 改良式厭氧折流板反應(yīng)池
常規(guī)的厭氧折流板反應(yīng)池利用隔板將反應(yīng)池進(jìn)行分割，池內(nèi)上向水流和下向水流間隔出現(xiàn)，由于污泥的密度大，因此下向流部分厭氧污泥聚集在池底，難以發(fā)揮應(yīng)有的生物活性，反應(yīng)器容積利用率下降。為了克服這種缺陷，設(shè)計中往往將下向流部分容積縮小，擴大上向流部分反應(yīng)器的容積，但是這樣帶來的負(fù)面作用是升流區(qū)水流速度降低，污泥同樣易于聚集在反應(yīng)器底部。本工程采用同時從厭氧沉淀池和生物接觸氧化沉淀池回流污泥，提高回流污泥率來增加反應(yīng)器內(nèi)水流流速，使升流區(qū)流速達(dá)到0.8~1.25m/h，升流區(qū)污泥處于膨脹狀態(tài)，反應(yīng)器的運行方式類似于厭氧膨脹床工藝，提高了容積利用率。而升流區(qū)較高的上升流速也有助于對反應(yīng)器內(nèi)的污泥顆粒進(jìn)行篩選，小顆粒污泥隨水流排出，升流區(qū)僅保留大顆粒污泥。而在降流區(qū)，由于高速水流的剪切作用，使流失的小顆粒污泥破碎后重新被升流區(qū)顆粒污泥吸附，進(jìn)一步加大了升流區(qū)污泥顆粒的直徑，最終留存反應(yīng)器內(nèi)的只有大顆粒的厭氧污泥，污泥顆粒越大，越有利于提高反應(yīng)區(qū)污泥濃度，增加厭氧反應(yīng)速度，也有利于后續(xù)泥水分離。通過一段時間的運行觀察，反應(yīng)器內(nèi)的污泥顆粒直徑保持在2~3mm，遠(yuǎn)高于普通的厭氧折流板反應(yīng)器。本工藝由于采用產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分離的工程措施，保證了產(chǎn)甲烷菌最佳的生存環(huán)境，提高了厭氧反應(yīng)速度。
改良式厭氧折流板反應(yīng)池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)矩形水池，平面尺寸為2.0mx8.0m，池深為4.3m，有效水深為3.8m，HRT為15~24h，VSS為25g/L，污泥回流比夏季為300%、冬季為400%，其中回流的厭氧污泥占總回流的50%，厭氧污泥回流至產(chǎn)甲烷階段，而生物膜法后污泥回流至產(chǎn)酸發(fā)酵池。反應(yīng)池內(nèi)采用鋼板分隔為8個反應(yīng)室，最后1個反應(yīng)室兼作沉淀池，在沉淀池內(nèi)設(shè)2臺潛水泵(1用1備，配套電機功率為1.1kW)進(jìn)行厭氧污泥回流。
2.3 生物接觸氧化池
生物接觸氧化池分為兩級。采用斜餅柱狀填料，該填料類似一個斜切的圓柱體，內(nèi)部具有放射狀支撐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使填料在內(nèi)外部水流的作用下，在池中沿柱軸方向運動，從而引起填料間的相互摩擦，加速填料表面生物膜的脫落更新。同時填料中心水流流速較高，在水力剪切力的作用下，引起填料內(nèi)部生物膜的脫落更新，在這兩種水流作用下，抑制了填料內(nèi)外表面生物膜的厚度，使生物膜始終保持較高的活性，提高生物反應(yīng)速度，有助于獲得良好的出水水質(zhì)。生物接觸氧化池的另一個主要功能是對厭氧反應(yīng)出水的氨氮進(jìn)行硝化反應(yīng)，使厭氧出水中剩余的氨氮被氧化為硝酸鹽氮，進(jìn)而隨高比率回流污泥被回流至厭氧反應(yīng)池，與進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行厭氧氨氧化，最終消除廢水中的氮源污染物。
生物接觸氧化池兩級串聯(lián)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)矩形水池，單池平面尺寸為2.0mx4.0m，池深為4.3m，有效水深為3.8m，兩級生物接觸氧化池的HRT均為7~12h，第一級有機負(fù)荷率為0.3~0.5kgBOD5/(m3.d)，第二級有機負(fù)荷率為0.1-0.2kgBOD5/(m3•d)。采用鼓風(fēng)供氧，曝氣量為15mVm3污水，設(shè)配套鼓風(fēng)機2臺(1用1備)，配套電機功率為7.5kW。
2.4 沉淀池
該工程的沉淀池分為厭氧沉淀池與好氧沉淀池，沉淀池兼有沉淀與回流污泥栗站的雙重作用。采用豎流式沉淀池，其最大優(yōu)點是占地面積小，但是沉淀區(qū)水流方向與顆粒物沉淀方向相反，導(dǎo)致粒徑較小的顆粒物被上升水流帶至出水區(qū)，沉淀效果較差。為了克服這一缺點，將沉淀池與污泥泵站合建，將沉淀池污泥斗改為污泥泵站，利用不間斷的回流污泥加速沉淀區(qū)下向水流，通過污泥回流引起的下向水流與沉淀區(qū)上向水流之差，補償了上升水流對小顆粒污泥沉淀的不利影響，從而提高了泥水分離效果。
該工程將好氧污泥回流率加大到夏季為300%、冬季為400%。提高好氧污泥的回流比有3個優(yōu)勢：首先，廢水生物處理對氨氮的氧化主要在好氧反應(yīng)池進(jìn)行，這樣回流污泥中就含有大量的硝酸鹽氮，硝酸鹽氮與進(jìn)水中的氨氮在厭氧反應(yīng)池中進(jìn)行厭氧氨氧化，去除廢水中氨氮污染物。其次，提高好氧污泥到厭氧反應(yīng)器的回流率，能有效利用厭氧反應(yīng)去除剩余污泥，從而省去專用的污泥處理系統(tǒng)。第三，將好氧污泥回流到厭氧反應(yīng)器前端，能加大厭氧反應(yīng)器的進(jìn)水負(fù)荷，提高厭氧反應(yīng)器顆粒污泥的產(chǎn)率，從而提高厭氧反應(yīng)器的處理效率。
沉淀池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)矩形池，平面尺寸為3.0mx3.0m，有效水深為3.5m，HRT均為1.5~2.5h，表面負(fù)荷為1.5~2.5m3/(m2•h)。池內(nèi)安裝潛水栗2臺(1用1備)，配套電機功率為1.1kW。
2.5濾布濾池
濾布濾池采用小孔(<0.1μm)纖維濾布，低壓力重力過濾，過濾時濾布兩側(cè)的水位差僅為0.1〜0.2m，水流穿過濾布時的流速低，濾布對水中SS的截留效果好，在進(jìn)水SS≤30mg/L的條件下濾后出水SS≤10mg/L，且出水效果穩(wěn)定，水質(zhì)清澈。該機配備有濾布自動沖洗水系統(tǒng)，利用濾后水進(jìn)行沖洗，主要目的是沖洗濾布表面截留的SS和附著生長的微生物，恢復(fù)過濾孔隙，沖洗水用量為產(chǎn)水量的3%，定時自動反沖洗，每過濾運行2h，依次沖洗濾布正面1min、反面1min。
經(jīng)過半年的運行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該濾池產(chǎn)水量穩(wěn)定。刮取濾布表面附著物進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)即使剛沖洗結(jié)束的濾布表面仍然附著一層生物膜，膜內(nèi)的微生物主要為好氧微生物，通過與無污染濾布進(jìn)行對比過濾試驗，發(fā)現(xiàn)該生物膜的存在能有效地降低出水SS，獲得良好的出水水質(zhì)。
三、工藝特點
由于該工程地處西北干旱地區(qū)，冬季氣候寒冷，因此構(gòu)筑物全部地埋，利用地溫進(jìn)行保溫，根據(jù)該校環(huán)境衛(wèi)生要求，不能建設(shè)剩余污泥處理設(shè)施，需按無剩余活性污泥工藝進(jìn)行設(shè)計，故選擇生物接觸氧化工藝。該工藝為生物膜法和普通活性污泥法的結(jié)合，利用生物膜法污泥量大、污泥齡長的特點來降低剩余污泥量，同時利用人工曝氣來增加混合液中的含氧量，提高生物處理效率。同時，加大污泥回流率，生物膜法產(chǎn)生的剩余污泥首先回流到產(chǎn)酸發(fā)酵池，經(jīng)產(chǎn)酸發(fā)酵菌的水解發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化為易于被產(chǎn)甲烷菌所利用的有機物而后在產(chǎn)甲烷階段生成甲烷等物質(zhì)后排放大氣。厭氧折流板反應(yīng)后的厭氧沉淀污泥回流到厭氧反應(yīng)器進(jìn)一步內(nèi)循環(huán)分解。通過這兩個污泥回流，使得污泥齡無限延長，從而實現(xiàn)基本無剩余污泥產(chǎn)生的效果。
在厭氧生物處理過程中，產(chǎn)酸發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷菌增殖所要求的環(huán)境截然不同，產(chǎn)甲烷菌要求絕對厭氧，而產(chǎn)酸發(fā)酵菌為兼性菌和厭氧菌，產(chǎn)酸菌要求較低的pH值，而產(chǎn)甲烷菌要求的PH值相對較高，因此，將產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段完全放置在不同的反應(yīng)池內(nèi)來完成，有利于為這兩類細(xì)菌營造良好的環(huán)境、發(fā)揮最大的處理效率。
利用濾布濾池結(jié)構(gòu)簡單、自動化運行、效果穩(wěn)定的特點進(jìn)行深度處理以滿足回用水的要求。
四、工藝運行及成本分析
4.1 工藝運行
該工程于2015年6月一8月進(jìn)行土建施工，2015年9月初投入接種污泥進(jìn)行啟動調(diào)試運行。厭氧污泥來自本校和附近居住小區(qū)的化糞池，產(chǎn)酸發(fā)酵池污泥的接種量為30g/L，厭氧折流板反應(yīng)池的接種量為50g/L。采用連續(xù)培養(yǎng)法，在調(diào)試期均按設(shè)計水量進(jìn)水[7]。調(diào)試期產(chǎn)酸發(fā)酵池反應(yīng)速度較快，2個星期即達(dá)到了設(shè)計運行條件。厭氧折流板反應(yīng)池的調(diào)試周期較長，為了彌補產(chǎn)酸發(fā)酵初期pH值下降過快的問題，在調(diào)試期向產(chǎn)酸發(fā)酵池出水中投加石灰粉以補充堿度，使厭氧折流板反應(yīng)池進(jìn)水的pH值>7.0以滿足產(chǎn)甲烷菌屬的要求。厭氧折流板反應(yīng)池在培養(yǎng)啟動期采用不連續(xù)式污泥回流，最初一個月內(nèi)運行2h、污泥回流10min，第二個月厭氧池運行1h、污泥回流10min，第三個月厭氧池運行l(wèi)h、污泥回流30min。通過這些方式保證以最快的速度累積產(chǎn)甲烷菌屬厭氧污泥。生物接觸氧化池微生物采用自然培養(yǎng)法：初始的第一個月每隔1h曝氣20min，第二個月每隔1h曝氣30min，第三個月曝氣30min，停止曝氣30min。在調(diào)試階段濾布濾池停止運行，處理水直接排放。調(diào)試期結(jié)束的標(biāo)志是生物處理構(gòu)筑物出水BOD5≤20mg/L，同時滿足綠化標(biāo)準(zhǔn)要求。調(diào)試期歷時3個月。調(diào)試結(jié)束后開啟濾布濾池進(jìn)行深度處理，經(jīng)檢測出水滿足設(shè)計要求。
該工程于2016年4月開始驗收監(jiān)測，其間平均處理水量為67m3/d，出水水質(zhì)見表2，各項指標(biāo)均能穩(wěn)定地滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920—2002)標(biāo)準(zhǔn)。該工藝從調(diào)試啟動起，系統(tǒng)內(nèi)沒有排放剩余污泥，也沒有發(fā)生污泥膨脹等異?，F(xiàn)象，其中經(jīng)歷了兩個寒假和一個暑假的中斷運行，假期后系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常處理，出水水質(zhì)也沒有出現(xiàn)異常，說明整個工程達(dá)到了設(shè)計要求。
4.2 成本分析
該工程的建設(shè)成本為41萬元，主要為曝氣機、污泥回流及濾布沖洗等費用，總裝機功率為12.6kW。根據(jù)一年多的運行經(jīng)驗，平均處理費為2.26元/m3。其中，冬季平均運行成本為2.73元/m3，夏季平均運行成本為1.81元/m3，與多數(shù)正在運行的再生水處理工程成本相當(dāng)。
五、結(jié)論
?、俨捎卯a(chǎn)酸發(fā)酵一厭氧折流板反應(yīng)一兩級生物接觸氧化一濾布濾池工藝處理西北干旱地區(qū)高有機物、高氨氮的校園生活污水，處理出水水質(zhì)能穩(wěn)定地滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T18920—2002)標(biāo)準(zhǔn)。
?、诓捎脜捬跷勰嗪透勰喾謩e回流，同時加大污泥回流率的方式可以將剩余污泥在反應(yīng)過程中厭氧消化，實現(xiàn)無剩余污泥排放。
③兩階段厭氧生物處理及兩級生物接觸氧化運行條件下，采取加大污泥回流率等措施，能有效地實現(xiàn)高有機物、高氨氮污水的處理。
?、転V布濾池是一種簡單有效的深度處理裝置，對再生水的水質(zhì)具有較高的保障作用。（ >
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