煤矿生活污水主要来自矿工生活区、职工食堂、浴室、单身宿舍及办公场所排水等，且职工洗浴污水占相当大比重(约70%～80%)，其具有机污染物浓度低、水质水量变化较大、可生化条件较差的水质特点。某煤矿位于山西省朔州市北部13km处的陶村，生活污水产生量约400m3/d，主要为办公楼、食堂和洗浴等产生的污水，具有煤矿生活污水水质的一般性特点。随着环保政策日趋严格，该矿生活污水需处理后全部回用(不得外排)，原有生活污水处理设施已不能满足回用对其出水水质要求，因此需对其升级改造并提高出水水质。
1、生活污水处理站现状
1.1 原有工艺流程
原有生活污水处理站设计处理能力为480m3/d，采用10mm机械格栅+调节池+初沉池+好氧池+二沉池+二氧化氯消毒的处理工艺，设计出水水质执行《污水综合排放标准》(GB8978-1996)二级排放标准。原有生活污水处理工艺流程见图1。
1.2 存在的问题
原有生活污水处理站存在的主要问题：
①初沉池、好氧池、二沉池、消毒池为地埋式一体化污水处理设备，已使用近10年，设备主体结构破损，渗漏严重，接近报废;
②利用盐酸和氯酸钠化学反应生成的二氧化氯进行消毒，由于盐酸属于严格管控物资，不易购买，原有消毒设施没有运行;
③调节池有效调节容积为80m3，偏小，不能满足矿工集中洗浴排水时的水量调节需求;
④生活污水处理后大部分外排，不符合生活污水应全部回用不外排的环保要求;
⑤根据用水需求，矿方规划将生活污水处理后回用于冲厕、绿化、选煤厂生产用水及地面洒水，现有处理工艺的出水水质不能满足回用水质要求以及《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级A标准，故需提标改造。
2、设计规模及进、出水水质
生活污水处理站升级改造规模为480m3/d。通过对现有生活污水处理站进水水质化验分析，并参照同类煤矿生活污水水质资料以确定设计进水水质(见表1);生活污水经处理后回用于冲厕、绿化、选煤厂生产用水及地面洒水等，不外排。设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准、《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2002)中道路清扫、绿化、冲厕、洗车用水水质要求的最高指标。
3、处理工艺选择
采用AO生物膜+MBR+活性炭过滤作为该生活污水升级改造项目的处理工艺，工艺流程见图2。
①调节池
由于该煤矿生活污水80%左右为洗浴排水，洗浴排水具有集中性、间歇性、水量大的特点，为了调节水量水质和合理设计水处理设施规模，保证水处理构筑物运行的连续性、稳定性，需增加调节池的有效调节容积。
②生化处理工艺选择
AO生物膜兼有生物膜法和活性污泥法二者之长，其是在活性污泥工艺的反应池装设组合填料，反应池内的生物量由悬浮态污泥和附着态生物膜组成，大幅提高了反应池内生物量，有利于生长缓慢的硝化菌的生长聚集，增加了系统耐冲击负荷能力和除污效率，减少污泥产量，不产生污泥膨胀，较适用于现有污水厂的提标改造。AO生物膜工艺同时具有缺氧段、好氧段微生物相互独立，各自始终处于最佳生态环境中，不受厌氧、好氧环境交替的抑制作用，缺氧段污水中的有机物可直接作为碳源被反硝化细菌利用，达到同步去除COD和脱氮目的。另外，采用组合填料作为生化反应池内微生物生长载体，由于组合填料比表面积较大，反应池中大量生物体附着在填料上，而悬浮在池内的生物量并不很高，工艺脱碳、硝化效果好，硝化段的出水SS较低，可不设污泥回流。膜生物反应器(MBR)的过滤作用使微生物完全被截留在反应器中，实现了水力停留时间和污泥龄的彻底分离，系统污泥浓度是传统活性污泥法的2～3倍，使生物反应器保持较高硝化能力和污染物去除效率，对强化和稳定出水水质有重要作用，同时大大减小了生化池的池容;MBR膜池取代传统二沉淀，缩短了处理流程，减少了土建工程量和投资。因此AO生物膜一MBR工艺具有有机负荷率高、处理效率高、出水水质好、反应器容积小、占地面积少等优点。进一步研究表明，低温、低碳源是影响煤矿污水处理脱氮稳定达标的关键因素，对于AO生物膜一MBR工艺可以保证如硝化菌等生长缓慢的微生物在系统中截留、富集，强化系统脱氮效果，同时具有污泥产量少、污泥颗粒较大、易于泥水分离、污泥处理费用相对较低的优点。综上所述，结合该项目进、出水水质特点和改造用地面积紧张的实际情况，设计采用AO—MBR作为本项目生化处理工艺。
③深度处理工艺
活性炭作为一种多孔物质，比表面积大，能够迅速吸附前级水处理设施泄漏出来的小分子有机物等污染性物质，对水中异味、胶体及色素、重金属离子等有较明显的吸附去除作用，同时还可去除溶解性COD。另外，活性炭表面通常有各种高低不同的凸起，可为微生物提供适宜的附着点，长时间运行后活性炭表面会附着微生物，以生物活性炭的形式实现对污水的深度处理。研究表明，单纯活性炭吸附工艺可降低生化出水的COD，进一步提高出水水质。
④消毒
紫外线消毒属于纯物理消毒方法，具有简单便捷、广谱高效、无二次污染、便于管理和实现自动化等优点，常用于生活饮用水消毒，但其不具有持续消毒能力。次氯酸钠是一种高效、广谱、安全的强力灭菌消毒药剂，它与水亲和性好，能与水以任意比互溶，易购置储存，操作安全方便，可在各种环境及工作状况下投加，可替代二氧化氯作为小规模煤矿生活污水处理的消毒药剂。本项目出水回用于冲厕、绿化、选煤厂生产用水及地面洒水等，采用紫外线和次氯酸钠两级消毒以保障消毒效果和持续消毒能力。
⑤污泥处置
剩余污泥排至剩余污泥池。由于本项目产生的剩余污泥较少，设计将剩余污泥运至矿井水处理站，依托矿井水污泥处理系统对其进行脱水处置。
4、主要建(构)筑物改造设计
4.1 调节池
利用原调节池及原有10mm机械格栅，新建1座有效调节容积为220m的全地下式钢筋混凝土结构调节池，与原调节池串联使用，改造后调节池总有效调节时问为15h。在新建调节池设1台4kW潜水搅拌器以防止ss沉降;设2台潜污泵(Q=20m3/h，H=100kPa，N=2.2kW，1用1备)提升污水后依次进入毛发聚集器和生化处理系统。毛发聚集器完成对粒径>1mm颗粒物的去除，对MBR膜起到保护作用。
4.2 组合池
设组合池1座，钢筋混凝土结构，包括：缺氧池、好氧池、MBR膜池、中间水池、污泥池、离线化学清洗池、泵坑。
①缺氧池。
有效容积为80m，HRT=4h，反硝化容积负荷为0.36kgNOx-一N/(m3填料·d)，缺氧池悬挂纤维束组合填料，填充率为50%。纤维束组合填料具有比表面积较大、阻力小，布水、布气性能好，易挂膜和流化、不易阻塞、使用寿命长等特点。。。缺氧池内设1台2.2kW潜水搅拌器用于污水混合。
②好氧池。
有效容积为144m3，HRT=7.2h，好氧池组合填料填充率为60%，BOD容积负荷0.50kg/(m3填料·d)。在填料下方设DN65微孔曝气软管曝气，充氧能力为0.147kg/(m·h)，氧利用率为15%，服务面积为0.5m2/m。运行过程中生物膜受上升气流搅动，一方面可为生物膜曝气供氧，另一方面可控制生物膜再生。根据微生物生长情况，可通过变频措施调节曝气量大小，控制生物膜更新速度，使其保持较高活性。曝气风机2台(1用1备)，Q=3.46m3/min，P=49kPa，N=7.5kW，变频控制。
③MBR池。
尺寸为3.5m×4.2m×4.5m，HRT=3h，设2组膜组器，每个膜组器选用40帘截留孔径为0.03m中空纤维膜，单帘有效膜面积为20m，设计产水通量为12.5L/(m2·h)。膜吹扫风机2台(1用1备)，Q=6.05m3/min，P=49.0kPa，N=11kW(变频)。
④MBR膜离线清洗池。
1座，尺寸为1.8m×3.5m×3.0m;中间水池1座，尺寸为2.05m×3.075m×3.6m，主要收集MBR系统产水;污泥池1座，主要储存剩余污泥，尺寸为2.05m×3.075m×3.6m;污泥池设排泥泵1台。设泵坑1座，尺寸为2.9m×4.2m×3.0m，泵坑设MBR产反洗泵、硝化液回流泵、活性炭过滤提升泵。MBR产水泵和反洗泵共用，MBR出水进入中间水池，反洗自中间水池取水。MBR产反洗泵2台(1用1备)，Q=38.5m3/h，H=200kPa，N=3kW，采用恒流量变频控制。MBR系统采用自动化控制运行，程序设计抽8min、停2min自动运行，120个制水周期水反洗一次。过滤提升泵2台(1用1备)，Q=21.6m3/h，H=220kPa，N=3kW，其自中间水池取水经提升依次通过活性炭过滤和消毒后进入回用水池。硝化液回流比为200%，设硝化液回流泵2台(1用1备)，Q=40m3/h，H=100kPa，N2.2kW。硝化液回流泵兼作剩余污泥泵，当系统剩余污泥较多时，可将剩余污泥排至污泥池。
4.3 MBR设备间
MBR设备间1座，平面尺寸为9.92m×7.3m，轻钢结构，设MBR化学清洗装置、化学加药装置、值班控制室、配电室。设计进水BOD5/TN=2.22，进水BOD不能满足脱氮需求，设乙酸钠碳源投加装置1套，可根据运行需要调节乙酸钠投加量。设化学除磷装置1套，PAC(Al2O3，含量为27%)投加量为14mg/L。
4.4 原有生活污水处理车间
在原生活污水处理车间设曝气风机、膜吹扫风机、机械格栅、紫外线消毒装置、活性炭过滤器、次氯酸钠消毒装置。将原直径为1.8m的石英砂过滤器改造为活性炭过滤器，滤速为7.86m/h，反冲洗水洗强度为10L/(m2·s)，颗粒活性炭粒径为0.6～1.2mm，碘吸附值>1000mg/g，滤料厚度为1.8m。设1套管道式紫外线消毒器，处理水量为20m3/h;次氯酸钠消毒装置1套，次氯酸钠投加量为4mg/L(以有效氯计)。
4.5 回用水池
回用水池有效容积为300m3，设回用水泵2台(1用1备)，Q=50m3/h，H=460kPa，N=11kW。活性炭过滤反洗水泵2台(1用1备)，Q=90m3/h，H=200kPa，N=15kW。
5、运行效果和经济分析
该项目于2017年8月开工建设，2017年12月竣工，调试期进水量为360m3/h，满足设计进水负荷要求，调试期正好处于北方寒冷冬季，但由于生活污水中洗浴水量较大，系统调试运行期间在室外温度为一30℃的条件下生化池没有出现结冰情况;调试1个月后，组合填料上微生物挂膜良好，委托当地环境保护监测机构连续5天对该项目进、出水水质进行了监测，出水水质达到或优于设计值，具体如表2所示。
该工程总投资为340.4万元，其中土建工程投资为143.7万元，设备及其他投资为196.7万元。运行成本为1.19元/m3，其中燃料动力费为0.54元/m3，药剂费为0.11元/m3，工资福利费为0.41元/m3(定员3人，每人工资及福利费为24000元/a计)，活性炭填料每年更换1次，更换费用为0.13元/m3。
6、结论
采用AO生物膜+MBR+活性炭过滤作为朔州某煤矿生活污水改造项目的主体处理工艺，该工艺具有流程短、处理效率高、反应器容积小、占地面积小的特点，出水水质满足或优于设计出水水质要求。该改造工程的成功实施，可为类似小规模煤矿生活污水处理设计和生活污水资源化利用积累经验和提供借鉴。(来源：煤炭工业太原设计研究院)