煤礦生活污水主要來自礦工生活區、職工食堂、浴室、單身宿舍及辦公場所排水等，且職工洗浴污水占相當大比重(約70%～80%)，其具有機污染物濃度低、水質水量變化較大、可生化條件較差的水質特點。某煤礦位于山西省朔州市北部13km處的陶村，生活污水產生量約400m3/d，主要為辦公樓、食堂和洗浴等產生的污水，具有煤礦生活污水水質的一般性特點。隨著環保政策日趨嚴格，該礦生活污水需處理后全部回用(不得外排)，原有生活污水處理設施已不能滿足回用對其出水水質要求，因此需對其升級改造并提高出水水質。
1、生活污水處理站現狀
1.1 原有工藝流程
原有生活污水處理站設計處理能力為480m3/d，采用10mm機械格柵+調節池+初沉池+好氧池+二沉池+二氧化氯消毒的處理工藝，設計出水水質執行《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)二級排放標準。原有生活污水處理工藝流程見圖1。
1.2 存在的問題
原有生活污水處理站存在的主要問題：
①初沉池、好氧池、二沉池、消毒池為地埋式一體化污水處理設備，已使用近10年，設備主體結構破損，滲漏嚴重，接近報廢;
②利用鹽酸和氯酸鈉化學反應生成的二氧化氯進行消毒，由于鹽酸屬于嚴格管控物資，不易購買，原有消毒設施沒有運行;
③調節池有效調節容積為80m3，偏小，不能滿足礦工集中洗浴排水時的水量調節需求;
④生活污水處理后大部分外排，不符合生活污水應全部回用不外排的環保要求;
⑤根據用水需求，礦方規劃將生活污水處理后回用于沖廁、綠化、選煤廠生產用水及地面灑水，現有處理工藝的出水水質不能滿足回用水質要求以及《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的一級A標準，故需提標改造。
2、設計規模及進、出水水質
生活污水處理站升級改造規模為480m3/d。通過對現有生活污水處理站進水水質化驗分析，并參照同類煤礦生活污水水質資料以確定設計進水水質(見表1);生活污水經處理后回用于沖廁、綠化、選煤廠生產用水及地面灑水等，不外排。設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中一級A標準、《城市污水再生利用城市雜用水水質》(GB/T18920-2002)中道路清掃、綠化、沖廁、洗車用水水質要求的最高指標。
3、處理工藝選擇
采用AO生物膜+MBR+活性炭過濾作為該生活污水升級改造項目的處理工藝，工藝流程見圖2。
①調節池
由于該煤礦生活污水80%左右為洗浴排水，洗浴排水具有集中性、間歇性、水量大的特點，為了調節水量水質和合理設計水處理設施規模，保證水處理構筑物運行的連續性、穩定性，需增加調節池的有效調節容積。
②生化處理工藝選擇
AO生物膜兼有生物膜法和活性污泥法二者之長，其是在活性污泥工藝的反應池裝設組合填料，反應池內的生物量由懸浮態污泥和附著態生物膜組成，大幅提高了反應池內生物量，有利于生長緩慢的硝化菌的生長聚集，增加了系統耐沖擊負荷能力和除污效率，減少污泥產量，不產生污泥膨脹，較適用于現有污水廠的提標改造。AO生物膜工藝同時具有缺氧段、好氧段微生物相互獨立，各自始終處于最佳生態環境中，不受厭氧、好氧環境交替的抑制作用，缺氧段污水中的有機物可直接作為碳源被反硝化細菌利用，達到同步去除COD和脫氮目的。另外，采用組合填料作為生化反應池內微生物生長載體，由于組合填料比表面積較大，反應池中大量生物體附著在填料上，而懸浮在池內的生物量并不很高，工藝脫碳、硝化效果好，硝化段的出水SS較低，可不設污泥回流。膜生物反應器(MBR)的過濾作用使微生物完全被截留在反應器中，實現了水力停留時間和污泥齡的徹底分離，系統污泥濃度是傳統活性污泥法的2～3倍，使生物反應器保持較高硝化能力和污染物去除效率，對強化和穩定出水水質有重要作用，同時大大減小了生化池的池容;MBR膜池取代傳統二沉淀，縮短了處理流程，減少了土建工程量和投資。因此AO生物膜一MBR工藝具有有機負荷率高、處理效率高、出水水質好、反應器容積小、占地面積少等優點。進一步研究表明，低溫、低碳源是影響煤礦污水處理脫氮穩定達標的關鍵因素，對于AO生物膜一MBR工藝可以保證如硝化菌等生長緩慢的微生物在系統中截留、富集，強化系統脫氮效果，同時具有污泥產量少、污泥顆粒較大、易于泥水分離、污泥處理費用相對較低的優點。綜上所述，結合該項目進、出水水質特點和改造用地面積緊張的實際情況，設計采用AO—MBR作為本項目生化處理工藝。
③深度處理工藝
活性炭作為一種多孔物質，比表面積大，能夠迅速吸附前級水處理設施泄漏出來的小分子有機物等污染性物質，對水中異味、膠體及色素、重金屬離子等有較明顯的吸附去除作用，同時還可去除溶解性COD。另外，活性炭表面通常有各種高低不同的凸起，可為微生物提供適宜的附著點，長時間運行后活性炭表面會附著微生物，以生物活性炭的形式實現對污水的深度處理。研究表明，單純活性炭吸附工藝可降低生化出水的COD，進一步提高出水水質。
④消毒
紫外線消毒屬于純物理消毒方法，具有簡單便捷、廣譜高效、無二次污染、便于管理和實現自動化等優點，常用于生活飲用水消毒，但其不具有持續消毒能力。次氯酸鈉是一種高效、廣譜、安全的強力滅菌消毒藥劑，它與水親和性好，能與水以任意比互溶，易購置儲存，操作安全方便，可在各種環境及工作狀況下投加，可替代二氧化氯作為小規模煤礦生活污水處理的消毒藥劑。本項目出水回用于沖廁、綠化、選煤廠生產用水及地面灑水等，采用紫外線和次氯酸鈉兩級消毒以保障消毒效果和持續消毒能力。
⑤污泥處置
剩余污泥排至剩余污泥池。由于本項目產生的剩余污泥較少，設計將剩余污泥運至礦井水處理站，依托礦井水污泥處理系統對其進行脫水處置。
4、主要建(構)筑物改造設計
4.1 調節池
利用原調節池及原有10mm機械格柵，新建1座有效調節容積為220m的全地下式鋼筋混凝土結構調節池，與原調節池串聯使用，改造后調節池總有效調節時問為15h。在新建調節池設1臺4kW潛水攪拌器以防止ss沉降;設2臺潛污泵(Q=20m3/h，H=100kPa，N=2.2kW，1用1備)提升污水后依次進入毛發聚集器和生化處理系統。毛發聚集器完成對粒徑>1mm顆粒物的去除，對MBR膜起到保護作用。
4.2 組合池
設組合池1座，鋼筋混凝土結構，包括：缺氧池、好氧池、MBR膜池、中間水池、污泥池、離線化學清洗池、泵坑。
①缺氧池。
有效容積為80m，HRT=4h，反硝化容積負荷為0.36kgNOx-一N/(m3填料·d)，缺氧池懸掛纖維束組合填料，填充率為50%。纖維束組合填料具有比表面積較大、阻力小，布水、布氣性能好，易掛膜和流化、不易阻塞、使用壽命長等特點。。。缺氧池內設1臺2.2kW潛水攪拌器用于污水混合。
②好氧池。
有效容積為144m3，HRT=7.2h，好氧池組合填料填充率為60%，BOD容積負荷0.50kg/(m3填料·d)。在填料下方設DN65微孔曝氣軟管曝氣，充氧能力為0.147kg/(m·h)，氧利用率為15%，服務面積為0.5m2/m。運行過程中生物膜受上升氣流攪動，一方面可為生物膜曝氣供氧，另一方面可控制生物膜再生。根據微生物生長情況，可通過變頻措施調節曝氣量大小，控制生物膜更新速度，使其保持較高活性。曝氣風機2臺(1用1備)，Q=3.46m3/min，P=49kPa，N=7.5kW，變頻控制。
③MBR池。
尺寸為3.5m×4.2m×4.5m，HRT=3h，設2組膜組器，每個膜組器選用40簾截留孔徑為0.03m中空纖維膜，單簾有效膜面積為20m，設計產水通量為12.5L/(m2·h)。膜吹掃風機2臺(1用1備)，Q=6.05m3/min，P=49.0kPa，N=11kW(變頻)。
④MBR膜離線清洗池。
1座，尺寸為1.8m×3.5m×3.0m;中間水池1座，尺寸為2.05m×3.075m×3.6m，主要收集MBR系統產水;污泥池1座，主要儲存剩余污泥，尺寸為2.05m×3.075m×3.6m;污泥池設排泥泵1臺。設泵坑1座，尺寸為2.9m×4.2m×3.0m，泵坑設MBR產反洗泵、硝化液回流泵、活性炭過濾提升泵。MBR產水泵和反洗泵共用，MBR出水進入中間水池，反洗自中間水池取水。MBR產反洗泵2臺(1用1備)，Q=38.5m3/h，H=200kPa，N=3kW，采用恒流量變頻控制。MBR系統采用自動化控制運行，程序設計抽8min、停2min自動運行，120個制水周期水反洗一次。過濾提升泵2臺(1用1備)，Q=21.6m3/h，H=220kPa，N=3kW，其自中間水池取水經提升依次通過活性炭過濾和消毒后進入回用水池。硝化液回流比為200%，設硝化液回流泵2臺(1用1備)，Q=40m3/h，H=100kPa，N2.2kW。硝化液回流泵兼作剩余污泥泵，當系統剩余污泥較多時，可將剩余污泥排至污泥池。
4.3 MBR設備間
MBR設備間1座，平面尺寸為9.92m×7.3m，輕鋼結構，設MBR化學清洗裝置、化學加藥裝置、值班控制室、配電室。設計進水BOD5/TN=2.22，進水BOD不能滿足脫氮需求，設乙酸鈉碳源投加裝置1套，可根據運行需要調節乙酸鈉投加量。設化學除磷裝置1套，PAC(Al2O3，含量為27%)投加量為14mg/L。
4.4 原有生活污水處理車間
在原生活污水處理車間設曝氣風機、膜吹掃風機、機械格柵、紫外線消毒裝置、活性炭過濾器、次氯酸鈉消毒裝置。將原直徑為1.8m的石英砂過濾器改造為活性炭過濾器，濾速為7.86m/h，反沖洗水洗強度為10L/(m2·s)，顆粒活性炭粒徑為0.6～1.2mm，碘吸附值>1000mg/g，濾料厚度為1.8m。設1套管道式紫外線消毒器，處理水量為20m3/h;次氯酸鈉消毒裝置1套，次氯酸鈉投加量為4mg/L(以有效氯計)。
4.5 回用水池
回用水池有效容積為300m3，設回用水泵2臺(1用1備)，Q=50m3/h，H=460kPa，N=11kW。活性炭過濾反洗水泵2臺(1用1備)，Q=90m3/h，H=200kPa，N=15kW。
5、運行效果和經濟分析
該項目于2017年8月開工建設，2017年12月竣工，調試期進水量為360m3/h，滿足設計進水負荷要求，調試期正好處于北方寒冷冬季，但由于生活污水中洗浴水量較大，系統調試運行期間在室外溫度為一30℃的條件下生化池沒有出現結冰情況;調試1個月后，組合填料上微生物掛膜良好，委托當地環境保護監測機構連續5天對該項目進、出水水質進行了監測，出水水質達到或優于設計值，具體如表2所示。
該工程總投資為340.4萬元，其中土建工程投資為143.7萬元，設備及其他投資為196.7萬元。運行成本為1.19元/m3，其中燃料動力費為0.54元/m3，藥劑費為0.11元/m3，工資福利費為0.41元/m3(定員3人，每人工資及福利費為24000元/a計)，活性炭填料每年更換1次，更換費用為0.13元/m3。
6、結論
采用AO生物膜+MBR+活性炭過濾作為朔州某煤礦生活污水改造項目的主體處理工藝，該工藝具有流程短、處理效率高、反應器容積小、占地面積小的特點，出水水質滿足或優于設計出水水質要求。該改造工程的成功實施，可為類似小規模煤礦生活污水處理設計和生活污水資源化利用積累經驗和提供借鑒。(來源：煤炭工業太原設計研究院)
