接触氧化和MBR是两种常用的中水处理工艺,基本上国内近年出版的所有专门论述污水回用技术的专著中都会提到这两种工艺。在很多实际工程的待选方案也会出现这两个工艺名称。《建筑中水设计规范》(GB50336-2002)总结了几种实践中应用的处理流程,分别提到了这两种工艺。那二者到底孰优孰劣,到底谁更适合建筑中水的处理,下面简单的从三个方面、十个细节进行比较。为了避免更多不确定性,这里所说的接触氧化工艺是指“接触氧化+沉淀+砂滤”,MBR是指一体式膜生物反应器。 1 哪个是新工艺 首先看看两种工艺在国内的发展历史。国内对生物接触氧化的研究可以追溯到1975年7月,当时的北京市环境保护科学研究所(现名北京市环境保护科学研究院)开展了小试研究,并提出了生物接触氧化工艺这个称呼。1977年12月,生物接触氧化法的中试研究通过了技术鉴定。鉴定会的规格很高,有50个单位的80名代表参加。生物接触氧化工艺用于中水处理在国内也有约30年的历史了,20世纪80年代末期到90年代末期,仅北京就有多项以生物接触氧化工艺为主的中水工程实施,大部分都能通过当时的验收,并且运行良好。国内从20世纪90年代初期开始了对MBR的研究,清华大学、同济大学、天津大学、中科院生态所等国内知名的高校和科研机构都有相关的试验研究。2000年前后,国内有了MBR应用于实际工程的先例,大连和天津分别启用了MBR的中水处理设施。2004年以后,MBR在中水中应用的案例如同雨后春笋一般迅速出现。同时对膜工艺的研究也火热起来,按照清华大学黄霞教授讲的笑话,国内随便两个污水处理的研究人员碰到一起,都会发现对方也是研究膜的。看起来,接触氧化是更加成熟的工艺,而MBR则更新。2 处理能力和出水水质接下来比较两种工艺的处理能力,包括降解有机物、去除SS、硝化、反硝化、除磷等五点。 2.1 降解有机物 接触氧化,顾名思义,能在污水与填料表面的生物膜接触的时候氧化污水中的有机物。它降解BOD的能力很强,BOD的去除率能达到90%以上,去除率跟容积负荷关系比较大。负荷高,去除率低;负荷低,去除率高。一般来说,设计良好的情况下,1.0g的容积负荷能差不多能够达到85%以上的BOD去除率。总的说来,接触氧化的出水COD指标跟活性污泥法相当或略差。用于中水处理的接触氧化工艺选择较低的容积负荷,其出水COD一般在20mg/L左右,BOD5大概是10mg/L。容积负荷和填料种类关系很大,国内常用的炉渣填料容积负荷能达到2.0~3.5kg,出水BOD515~30mg/L。MBR去除有机物的能力已经得到了广泛的认可。很多运行中的MBR的污泥负荷都低于延时曝气工艺,达到0.03kgBOD5/(kgMLVSS•d),因此有机物的去除效果非常好,BOD去除率达到95%是很容易做到的。MBR的出水指标一般是COD10mg/L,BOD55mg/L。 2.2 去除SS 接触氧化工艺首先要求进水的SS不能太高,否则容易引起滤料堵塞。工艺的出水SS主要靠后沉淀和砂滤控制,运行正常的时候,能达到5~10mg/L。MBR用的膜一般是微滤膜或者超滤膜,孔径是零点几个微米,再加上膜表面的凝胶层和污泥层,差不多全部的悬浮物都会被拦截下来。大部分的细菌,例如大肠杆菌等也会留在反应器里。分离膜状态正常的情况下,SS应该是0。 2.3 硝化能力 接触氧化有较好的硝化能力。当进水氨氮在20~40mg/L的时候,接触氧化可以实现40%~90%的去除率。工程设计中,硝化负荷可采用0.2~0.4kg/(m3•d),硝化效率为75%~85%。实现良好硝化有一些外在条件要求,比如温度要合适,进水BOD要足够低。所以实际应用中都采用两级或者更多级的接触氧化串联,前面几级用来去除BOD,后面的用来硝化,用起来效果还不错。MBR硝化能力很好,良好设计的前提下,进水50~80mg/L的氨氮,出水一般只剩下1~5mg/L,硝化效率能达到95%以上。 2.4 反硝化能力 淹没式生物滤池呈缺氧状态,可以用作反硝化反应器。虽然不叫接触氧化了,但结构上差不多。反硝化的容积负荷为0.06~0.12kg/(m3•d)。这种滤池需要布设气-水反冲洗管,定期清洗,比较麻烦。工程上可以在之前或者之后设置预缺氧生物滤池,也就是增加一级或多级滤池。前置的缺氧生物滤池需要打回流,后置的需要加入甲醇等易降解有机物。MBR的反硝化一般通过前置预缺氧池来进行,按照计算结果打回流。基本上就是加一个池子,或者做分隔。MBR的污泥浓度比普通活性污泥法高3~10倍,所以按照污泥负荷计算反硝化能力要高很多。实际用的时候会按照较低的污泥负荷设计,以提高保障率和降低出水总氮。 2.5 除磷的能力 微生物的生长过程能够吸收磷,接触氧化工艺在试验中实测的结果是大概能减少36%的总磷。想获得更好的除磷效果,需要采取其它方式。MBR反应器中,磷的去除与P/BOD的比值有关,试验表明有相当于进水BOD浓度2%的磷被生物吸收。当进水中磷含量偏高的时候,为保证出水达标,可以采取投加化学药剂的方式。这对MBR尤其合适,因为膜可以让所有生成的沉淀留在池子里。MBR出水的磷可以很好的维持在0.3mg/L以内。上面比较了接触氧化和MBR两种工艺去除污染物的能力和出水水质的大体情况。总的来说,接触氧化能够满足一些对水质要求不太高的工程,尤其是不要求总氮、总磷的情况。MBR的出水水质得到了几乎所有人的认可,而且正常运行期间的可靠性有很好的保障,适用于一些水质要求高的场合。 3 应用的方便程度 最后对比一下建造、运行管理、维护等方面的内容,包括流程对比、管理的难易、故障频率、变负荷运行等。 3.1 流程的比较 3.1.1不要求脱氮除磷 接触氧化:原水-格栅-调节池-生物接触氧化(1级或多级)-生物接触氧化(硝化,一级或多级)-沉淀-过滤-消毒-出水MBR:原水-格栅-调节池-膜池-消毒-出水 3.1.2要求脱氮 #p#分页标题#e# 接触氧化:原水-格栅-调节池-缺氧生物滤池(1级或多级)-生物接触氧化(1级或多级)-生物接触氧化(硝化,一级或多级)-沉淀-过滤-消毒-出水MBR:原水-格栅-调节池-脱氮池-膜池-消毒-出水 3.1.3要求除磷 MBR:原水-格栅-调节池-脱氮池-膜池(加药)-消毒-出水相对而言,接触氧化的处理流程较长,最少需要7个环节,要求脱氮时经常达到10个以上的环节。MBR一般是4个环节,要求脱氮除磷的时候是5个环节。根据串连反应的特点,环节越少,可靠性越高。因此流程长短也就直接决定了管理和维护的工作量。 3.2 管理难易 抛开两者相同的单元,接触氧化需要管理的是两级生物池、沉淀池和砂滤,涉及到的设备至少包括两组填料、两套生物曝气组件、风机、提升泵、排泥泵、砂滤罐等。MBR需要管理的膜池,涉及到的设备至少包括膜组件、提升泵或抽吸泵、风机、排泥泵。从管理难度上来说,砂滤罐和膜组件差不多。接触氧化的两级生物滤池和沉淀池的管理比MBR的一个活性污泥池难度大很多。从自动控制的角度来讲,MBR需要调节的参数比较少,更容易实现自控。 3.3 故障几率整个系统的正常运行建立在每个环节正常运行的基础上。因为是串联形式,所以系统正常运行的几率为每个环节正常运行的几率的乘积。假设在操作人员的精心维护下,每个单个环节的正常运行率为97%,那么接触氧化系统总的正常运行概率在80%左右;MBR工艺的总的正常运行概率在90%左右。MBR的故障概率仅为接触氧化的一半。 3.4 变负荷运行接触氧化是一种生物膜法,因此有生物膜法的共同特征。由于微生物附着生长在填料表面,无法随环境的变化来改变反应器内的生物量。因此在设计的时候要考虑备用能力,一旦建成后,几乎不能调节其性能来适应进水或出水水质的变化。MBR在应对变负荷方面有独特的优势,因为其SRT和HRT是可以独立调节的。因此在面临短时高负荷冲击时,可以通过延长水力停留时间的方式保证出水水质。比较起来,MBR在建造和运行管理方面会相对容易一些。 4 总结 接触氧化工艺具有很多优点,在我国的污水再生回用方面得到了广泛的应用,为国内水资源保护和节水做了很大的贡献。直到现在,接触氧化工艺依然凭借自身微生物生命力强的特点在很多难降解的工业废水处理中大显身手。MBR工艺依靠着极好的出水水质在一些要求较高的水处理领域用的越来越多。总得说来各有优点,在水量大且变化系数小的时候,接触氧化的成本低一些,而且可以配备专业的管理人员。在水量小,变化系数大的时候,MBR的可靠性更高。在水质要求高的情况下,MBR也更加合适。
