近年来, 洱海周边大理市旅游业高速发展, 入湖河流水质遭受污染, 洱海水环境保护压力巨大。据大理州环境监测站2016年洱海水质监测评价结果通报显示, 洱海全年有7个月水质超标, 超标项目主要为总磷和总氮;而洱海大部分入湖河流的水质处于Ⅴ~劣Ⅴ类水, 污染严重。污水处理厂是污染物减排的关键工程措施, 目前大理市环洱海多家污水处理厂普遍存在出水水质不能稳定达标的问题。

污水处理技术诊断是近几年研究和应用较多的一项实用技术^[1,2], 它通过多种手段或方法对运行故障频发、出水不能稳定达标或者能耗过高的污水处理厂进行诊断和评估, 进而提出优化或改良措施, 帮助污水处理厂实现稳定达标或节能降耗。而现有污水处理厂诊断相关的文献缺乏标准的诊断程序, 且针对的多是传统生化法为主要处理工艺的污水处理厂, 对MBR工艺污水处理厂开展实际工程技术诊断的颇少。

因此, 本文采用标准化诊断程序, 对洱海流域某典型MBR工艺城镇污水处理厂进行技术诊断, 针对存在的问题提出优化方案, 期望能对其他MBR工艺污水处理厂的诊断与优化提供技术参考。

大理某城镇污水处理厂占地约29.14亩 (1亩≈667m²) , 敷设管网10km, 2009年建设施工, 2010年开始试运行。该污水处理厂处理规模为2 000m³/d, 污水来源主要是城镇生活污水。处理出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918—2002) 一级A标准。同时, 利用沉淀塘、人工湿地系统对雨季径流废水深度处理, 出水接近《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) Ⅲ类标准。

污水处理厂采用MBR+人工湿地处理工艺, 其主要构筑物包括提水井、粗格栅、人工格栅、调节池/兼氧池、旋流沉砂池、MBR池、雨水沉淀池、植物沉淀塘、人工湿地、储砂池、污泥脱水车间、风机房、配电间及辅助建筑物等。污水处理厂处理流程及厂区构筑物具体设计如图1所示。

该污水处理厂设计进出水水质情况如表1所示, 出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 一级A标准、《城市污水再生利用城市杂用水水质》 (GB/T 18920—2002) 城市绿化标准和《城市污水再生利用景观环境用水水质》 (GB/T 18921—2002) 观赏性景观用水标准。

当地环保部门实际监测的进出水水质情况如表2和图2所示, 该污水处理厂主要问题是出水不能稳定达标, 其中出水TN、TP和悬浮物长期超标。从2015~2017年水质监测数据看来, 该污水处理厂的进出水水质波动较大。出水COD和氨氮年均值能达标, 但不能实现稳定达标。出水SS、TN和TP年均值超标, 且部分时段出水超标严重, 如SS最高超标9.4倍, TP最高超标7.2倍。进水SS总体偏低, 低于设计值的50%, 在此情况下, 出水SS长期超标。

该污水处理厂的诊断分如下5个步骤进行:

(1) 资料收集。收集污水处理厂的可行性研究报告、设计资料、竣工图、实际运行台账记录 (历史进出水水质、工艺运行参数、设备运行状况、药剂消耗) 等资料, 初步了解污水处理厂的工艺、进出水水质和实际运行情况。

(2) 现场踏勘。对污水处理厂的初步情况了解后, 到现场进行踏勘, 核定污水处理厂的实际建设与运行情况是否与设计相符, 包括构筑物 (数量, 尺寸、有效容积) 、设备 (数量、功率) 、工艺运行参数等。同时探查各处理单元现场, 对运行现状进行初步评估。

(3) 取样分析。沿工艺流程对水质 (pH、COD、BOD₅、SS、TP、TN、NH₃-N、NO₃^--N等) 取样, 并测定重要运行参数, 如DO、污泥浓度、回流比、HRT和排泥量等。同时采样检测活性污泥状态、污泥的好氧速率、硝化速率、反硝化速率和释磷速率。

(4) 运行诊断。根据以上收集的资料、历史数据和实时数据等, 综合采用知识综合法、统计学分析法、故障树诊断法和试验优化法等多种方法, 从管网、进水、工艺、设备和运行管理几方面, 对污水处理厂存在的问题展开诊断分析。

(5) 优化解析。针对存在的问题和出水要求, 进行优化解析, 提出改造方案和建议。

经过诊断和分析, 认为该污水处理厂出水TN、TP和悬浮物超标的原因有以下几个。

(1) 进水水量。该污水处理厂设计处理规模为2 000m³/d, 实际平均进水水量仅有650~850m³/d, 仅达到设计水量的40%左右。进水水量过低有两个原因, 一方面可能是当初污水处理厂建设可行性研究存在问题, 导致设计规模过大;另一方面除了人口因素外, 污水处理厂可能存在因管网覆盖不全、雨污分流不彻底和管网渗漏等问题导致进水量不足。污水处理厂运行负荷率偏低, 导致资源的浪费和运行成本的增加。

(2) 进水负荷。该污水处理厂进水水质波动大, 以进水COD和SS为例, 最高能分别达到509mg/L和217mg/L, 最低分别仅有48.73mg/L和0.016mg/L。进水水质波动过大, 影响污水处理效果。同时进水COD负荷整体偏低, 平均进水COD仅有185.57mg/L, 达到设计值的61.5%, 属于低有机负荷运行。系统长期在低有机物负荷下运行, 无法为微生物提供足够的养分, 使污泥活性低, 容易导致处理出水不达标^[3]。

设计和配备有1台旋流沉砂器, 但是从未使用过。污水不经过旋流沉砂器的处理, 直接进入调节池, 到兼氧池和膜池, 会影响活性污泥性能, 容易堵塞管道和对膜造成损坏。

化学除磷是城镇污水处理厂中常用的强化除磷的手段之一^[4,5]。该污水处理厂设计有1套化学除磷加药系统及设备, 实际该除磷加药设备未建设及启用, 导致单纯依靠活性污泥系统除磷效果不好, 出水总磷长期超标。由此分析, 未添加化学除磷药剂, 是该污水处理厂出水TP超标的主要原因。

MBR池曝气设备存在过度曝气情况, 现场检测DO均在6~9 mg/L以上。MBR池曝气过度, DO过高, 容易造成硝化速率过快, 在进水低负荷的情况下也容易造成污泥解体。另一方面, 由于MBR池设有回流泵, 如果该池DO过高, 容易携带高浓度DO的混合液进入兼氧池, 现场测定, 兼氧池的DO在0.5~0.8mg/L, 兼氧池缺氧环境遭到了破坏, 影响反硝化脱氮效果, 进而影响出水TN。最后, 过度曝气也会浪费能源, 增加运行成本。

污泥浓度是MBR的一个重要参数, MBR的特点之一就是可以维持较高的污泥浓度, 提高污水中各成分的去除率。对兼氧池和膜池的污泥浓度和污泥沉降性能进行了测定, 结果如表3所示。兼氧池和膜池的MLSS分别为7 162mg/L和6 448mg/L。正常情况下, 膜池的污泥浓度要高于生化池的污泥浓度, 该污水处理厂正好相反, 膜池污泥浓度偏低。膜池污泥浓度偏低的原因有如下几方面:第一, 污水有机负荷低, COD低, 污泥培养困难;第二, 污泥龄过长, 污泥老化, 缺乏活性。表3显示膜池活性污泥的SVI仅有38.3mL/g, 一般SVI保持70~100mL/g为好^[3], 该值偏低, 说明污泥颗粒细小, 无机质含量高, 缺乏活性, 这也证明了前面的分析。

该MBR池设有污泥回流泵将混合液回流至兼氧池, 污泥泵流量为180 m³/h, 每天开启3h, 兼氧池进水流量约750m³/d, 通过计算得到污泥回流比为72%, 正常状态下MBR池的污泥回流比应控制在100%~150%, 目前该污水处理厂的回流比偏小。对兼氧池和膜池的出水进行氮元素分析, 发现膜池出水硝态氮含量比兼氧池高很多, 达到了13.21mg/L, 出水TN也超标, 为16.94mg/L。膜池在曝气状态下主要进行硝化反应, 回流污泥中含有大量硝态氮, 污泥回流比偏低会导致到兼氧池反硝化所需的硝态氮不足, 引起膜池出水总氮和硝态氮偏高。

通过计算, 目前膜池污泥龄SRT>2 500d, 膜池每1~2个月集中排泥1次, 每次排泥量约3m³。虽然MBR保持长的SRT可以维持高的生物量, 提高抗负荷的能力, 但是过高的SRT也会造成代谢产物及死亡菌体的积累, 影响微生物活性和污水处理效果, 尤其是影响除磷和悬浮物去除效果^[6]。

该污水处理厂采用三菱的进口PVDF中空纤维超滤膜对污水进行生化处理。平时每个月清洗膜1次, 每次0.5h, 次氯酸钠加药量固定。该污水处理厂实际进水水质水量波动较大, 且实际运行过程中, 没有监测跨膜压差和进出水通量, 不按这些重要指标情况进行膜清洗程序和清洗周期, 会降低MBR的处理效果和膜的使用寿命。

该污水处理厂MBR处理后的出水经过人工湿地进一步深度处理, 现场取样测水质发现人工湿地出水比MBR出水水质要差, 尤其是SS含量偏高, 这说明人工湿地的运行存在问题, 可能发生了於堵。人工湿地现场可见水生植物生长过密, 且杂草丛生, 员工未控制杂草和定期对水生植物进行收割。

该污水处理厂进水水质水量波动较大, 需根据进水情况调整运行参数。

另一方面由于进水量和进水有机负荷整体偏低, 考虑可能管网渗漏, 或污水中混入了雨水, 进水受到雨水的稀释。因此从管网排查及改造入手, 确保真正实现雨污分流, 提高进水有机负荷。

启用XLC 180旋流沉砂器, 对进水进行预处理, 降低后续进入生化池和膜池的砂含量, 延长膜组件的使用寿命。

由于未启用化学除磷加药设备, 出水TP超标。建议增设1套化学除磷自动加药设备, 计量泵120L/h, 泵头PP材质。采用化学除磷提高对TP和SS的去除效果。除磷药剂可选用聚合氯化铝或硫酸铁, 具体添加量根据药剂性能和进水水质情况进行调整, 合理添加。

(1) 溶解氧。安装在线溶氧仪, 通过中控系统严格控制曝气量, 保证兼氧池和膜池DO分别在0~0.5mg/L和4~6mg/L。

(2) 污泥浓度。将兼氧池的污泥排出一部分到膜池, 保证兼氧池的污泥浓度为5 000mg/L左右。控制MBR池的污泥浓度维持在8 500mg/L左右。定期检测兼氧池和MBR池的MLSS浓度和污泥沉降性能, 当MLSS浓度超过10 000mg/L的时候结合膜阻力变化, 进行排泥。

(3) 污泥回流比。通过经验公式计算污泥回流比, MLSS兼氧池=MLSS膜池×R/ (1+R) , 计算得到污泥回流比约140%。通过增加每天污泥回流泵的开启时间或者更换小流量污泥泵保证全天开启运行, 以此来提高污泥回流比达到140%。同时对兼氧池的水力搅拌机进行运行调整, 定期转换方向, 防止池内积过多的泥。

(4) 排泥量及SRT。定期检测膜池的MLSS和MLVSS, 计算MLVSS/MLSS比值, 当这个比值开始下降到70%左右, 说明污泥活性开始下降, 考虑排泥。每次排泥量的多少结合膜池的污泥浓度综合考虑。

监测跨膜压差变化, 根据跨膜压差变化考虑进行膜清洗, 完善并制定标准的膜清洗程序 (逆通清洗、在线清洗和离线清洗) , 并依照执行。一般每周进行1次逆通清洗。当跨膜压差达到20kPa之前进行在线清洗, 在线清洗至少3个月进行1次。如果压差不能恢复到初始压差+5kPa, 进行在线酸洗和离线清洗。膜污染随水质和运行季节性变化, 膜污染物不同, 清洗剂的种类、清洗周期和清洗方案也有差异^[7], 需要相应做出调整。

加强人工湿地的日常管理:

(1) 植物收割。需要在合适的季节收割作物, 不然植物残枝败叶会漂浮, 影响观感, 同时会堵塞水位控制结构和溢流堰^[8]。收割植物还可以提高植物对磷的吸收^[9]。

(2) 控制杂草。人工湿地的营养条件适宜杂草生长, 一般采用控制水位或者人工拔除的方式来控制杂草。

(3) 湿地清淤防堵塞。人工湿地最大的问题就是填料或基质容易堵塞, 在保证对来水进行预处理的前提下, 需要定期清淤, 保证湿地基质层的孔隙率, 稳定湿地处理效果^[10]。

(1) 设备。在污水处理厂构筑物、设备故障情况排查的基础上, 对硬件设施进行一次全面的大修。同时, 各处理单元安装水质在线监测仪器, 并重新启用分析化验室, 培训专人, 保证定期检测污水厂基本进出水水质和活性污泥状况。

(2) 水质监测及中控。完善中控系统, 监控流量、水质、液位、DO、SS、主要设备电流、跨膜压差等关键运行参数, 并配置网络, 能够将信号传输至中控系统, 故障时能自动发送短信至管理人员手机, 实现实时监控、主动控制、数据存储、故障报警、预警预报和运营报表生成等功能。

(3) 人员培训。污水处理厂现有员工为附近村民, 无污水处理专业知识。对员工进行几次系统性培训, 提高专业素质。

对该污水处理厂的优化是在不改动原有构筑物的情况下, 主要是运行参数调整, 再增设一些相关设备, 总经费预计69.5万元, 具体预算情况见表4。

管网检测和修复, 渗漏率控制在国家标准范围内;提高进水污染物浓度到当地实际值平均水平;提高污水处理厂负荷, 出水基本达到设计要求, 实现基本稳定达标;预计削减COD、TN、氨氮、TP和SS到设计水平的250t/d、20t/d、25t/d、3t/d和240t/d, 减轻洱海入湖污染物的量。