组合MBR工艺中试系统处理高氨氮生活污水

王之晖，宋乾武，王文君，戴建坤，代晋国，李 志，吴 琪，张 玥

中国环境科学研究院工程设计中心，北京 100012

组合MBR工艺中试系统处理高氨氮生活污水

王之晖，宋乾武，王文君，戴建坤，代晋国，李 志，吴 琪，张 玥

中国环境科学研究院工程设计中心，北京 100012

以低碳氮比〔ρ(BOD5)/ρ(TN)〕、高氨氮生活污水为研究对象，对强化缺氧/好氧+膜生物反应器(A/O+MBR)组合工艺系统的运行稳定性和处理效果进行中试研究.结果表明：在A/O工艺中引入纤毛填料，强化了组合工艺去除有机物及氨氮的效果，缓解了膜组件污染;根据进水负荷和温度变化，优化了工艺运行参数ρ(MLSS)和混合液回流比，系统稳定运行期间的HRT为6.7～11.9 h，膜通量为11～20 L/(m2·h);处理系统对 BOD5，CODCr，氨氮及 SS的平均去除率分别达97.4%，87.2%，97.5%和100%，处理水ρ(BOD5)≤ 6 mg/L，ρ(CODCr)≤ 40 mg/L，ρ(氨氮)≤5 mg/L;由于碳源缺乏，组合工艺对 TN和 TP去除率较低，分别为28.5%和26.8%，但处理水中的TN和TP以硝态氮和溶解性磷酸盐为主，是植物吸收氮源和磷源的主要形式，因此对符合再生水水源要求的处理水可作为城市绿化及农田灌溉用水回用，不仅可补充植物与作物生长必需的氮磷营养元素，而且为城市生活污水资源化提供了一条有效途径.

MBR;A/O工艺;生活污水;低碳氮比;污水资源化

随着经济发展和城市化进程的加快，城市缺水问题尤为突出，污水再生利用是解决水资源短缺和水环境污染问题的重要策略之一.城市生活污水具有水量大、水质稳定、可生化性好和易于收集等特点，是解决城市缺水问题优先考虑对象［1-2］.然而，由于近年来生活水平的提高，我国生活污水特别是小区生活污水出现氨氮含量升高、碳氮比下降的趋势.采用传统的A/O生物脱氮工艺处理时，为保持良好硝化效果需要足够的硝化菌，而较长的污泥龄是维持硝化菌生长的有效方法，也相应增大了构筑物的容积;此外，絮凝性较差的硝化菌常会被二沉池的出水带出，从而导致硝化作用降低，直接影响污水处理及回用工艺的运行稳定性和处理效果［3-4］.

膜生物反应器(MBR)具有容积负荷高、占地小、剩余污泥产量低和出水水质好等优点，但膜污染导致的产水量降低和膜过滤操作复杂等问题限制了MBR在实际工程中的推广应用［5-8］.许多研究表明，在生物脱氮工艺中充填生物膜填料，固定大量比增长速率较低的硝化菌，可促进硝化效率;在MBR中添加填料可提高系统处理效果，减缓膜阻力升高速度，提高运行稳定性和耐冲击负荷能力［9-10］;MBR与 A/O工艺组合适用于 ρ(CODCr)，ρ(BOD5)和ρ(氨氮)变化大的城市污水的处理［11］.MBR与传统生物脱氮工艺组合，用于城市生活污水、工业废水的处理与回用，已成为国内外工艺技术集成和开发的重点［12-16］.

笔者将A/O工艺与MBR工艺有机组合，并在A/O工艺中引入纤毛填料处理小区低碳氮比、高氨氮生活污水，着重考察了该工艺中试系统的运行稳定性和处理效果，并对工艺系统处理水回用的可行性进行了分析.

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行条件

组合MBR工艺主要由预处理系统，缺氧池，好氧纤毛池，MBR池和电气及自控系统组成，工艺流程见图1.来自化粪池的污水自流进入1#调节池，首先由泵提升经细格栅进入2#调节池，再经泵提升进入缺氧池反硝化去除硝酸盐和亚硝酸盐，然后混合液再经泵提升进入好氧纤毛池去除部分有机物和氨氮，最后自流进入MBR池去除剩余有机物和氨氮，经泵抽吸作用完成泥水分离得到最终出水.其中，缺氧池为 0.78 m3，好氧纤毛池为 3 m3，MBR池为3.84 m3，MBR池混合液通过溢流回流至缺氧池.

图1 组合MBR工艺中试装置流程Fig.1 Schematic diagram of the pilot plant for the Combined MBR process

好氧纤毛池填料采用韩国H2L公司的纤毛状生物膜填料，比表面积可达1 000 m2/m3以上，容易挂膜、脱膜，不易堵塞;MBR池膜组件采用韩国H2L公司的PVDF中空纤维膜，膜面积为11.4 m2/膜组件，共5组，膜直径1.35 mm，膜孔径0.1μm.

膜出水为间歇出水，过滤出水10 min，停滞/反冲洗1 min.采用穿孔曝气的方式对膜表面进行冲刷，以减缓膜污染速度，单位膜组件曝气量为0.06～0.12 m3/min.

1.2 试验用水与接种污泥

试验用水为中国环境科学研究院家属区5#和6#楼排放的生活污水.监测经过化粪池，1#调节池以及细格栅后污水进水水质，结果见表1.从表1可知，该家属区生活污水具有可生化性好、水质较稳定和ρ(氨氮)高的特点.生活方式和饮食结构改变是造成 ρ(氨氮)高的主要原因，其 ρ(氨氮)约为一般城市综合污水的2倍左右.接种污泥来自北小河污水处理厂好氧池，经2周接种驯化，系统基本稳定后开始试验.

表1 试验进水水质Table 1 Wastewater quality of the pilot plant

1.3 分析项目及方法

ρ(CODCr)，重铬酸钾法;ρ(BOD5)，稀释接种法;ρ(TN)，过硫酸钾氧化法;ρ(氨氮)，水杨酸 － 次氯酸盐法;ρ(NO3－-N)，镉还原法;ρ(NO2－-N)，重氮化法;ρ(TP)，过硫酸钾法;ρ(DO)采用 WTW Oxi 315i便携式溶解氧仪测定;ρ(SS)按照国家颁布的标准方法［17］进行测定.

2 结果和讨论

2008年12月26日—2009年5月31日进行试验，进水温度为8.3～23.0℃.控制试验过程中进水流量为15.25～27.50 m3/d，好氧纤毛池ρ(MLSS)为3 500～6 000 mg/L，MBR 池ρ(MLSS)为5 000～7 500 mg/L，BOD5污泥负荷为 0.04～0.10 kg/(kg·d)，BOD5容 积 负 荷 为 0.23 ～ 0.49 kg/(m3·d)，SRT 为 30 ～50 d，混合污泥回流比为200%～400%.

试验期间缺氧池、好氧纤毛池和MBR池的HRT分别为 0.7～1.2，2.6～4.7和 3.4～6.0 h，合计HRT为6.7～11.9 h;好氧纤毛池和 MBR池的ρ(DO)分别为1.5～2.5和3.5～4.5 mg/L.根据运行温度，膜通量，MBR池ρ(MLSS)及混合液回流比的变化，试验按表2划分为3个阶段.

2.1 MBR过膜压差变化

表2 运行阶段划分Table 2 Operation stages of the pilot plant

试验按照膜过滤出水10 min，反洗1 min的运行模式，仅在过膜压差(Transmembrane Pressure，TMP)接近或达到50 kPa时，才进行药物清洗.试验期间共进行了2次药物清洗.TMP及膜通量变化情况见图2.

图2 试验期间TMP与膜通量变化Fig.2 Changes of the TMP and the membrane flux during the pilot test

根据自动记录的数据(记录间隔10 s)，第1阶段启动初期(即试验的前62 d)，TMP一直维持在10 k Pa以下，但由于该阶段温度较低(8.3～13.1℃)，MBR 池ρ(MLSS)在7 000 ～7 500 mg/L，提高膜通量致使TMP快速增大.运行至第80 d时，对膜组件进行了第1次化学清洗，即采用10%的NaClO溶液300 mL进行药物清洗，使 TMP恢复到10 kPa以下，系统运行进入第2阶段.在第2阶段，温度依然较低(12.5～15.7℃)，降低膜通量和MBR池ρ(MLSS)，第 96天，TMP出现瞬时值达到50 k Pa情况，但依靠周期性的水反冲洗，TMP仍可恢复到50 kPa以下.随着TMP瞬时值达到50 kPa的频次增加，在第124天进行了第2次化学清洗.第2次清洗后，膜通量提高，TMP快速上升.在第3阶段，温度升高到 17.1～23.0℃，降低 MBR池ρ(MLSS)到4 500～5 000 mg/L，将膜通量从 15 L/(m2·h)逐步提高至 17 L/(m2·h)，TMP 未出现急剧变化，而是缓慢地上升，直到试验结束时仍可维持在20 k Pa以下.

可见，系统在低温条件下也能够连续稳定运行，ρ(MLSS)是影响 TMP的重要因素.MBR池ρ(MLSS)在5 500～7 500 mg/L时，提高膜通量将增加化学清洗频率;在4 500～5 000 mg/L时，提高膜通量不会引起TMP快速上升，系统运行比较稳定.

2.2 CODCr和BOD5的去除效果

一般活性污泥微生物属中温性，新陈代谢最旺盛温度为30℃左右，在低于20℃条件下，微生物的生长繁殖受到温度抑制，影响处理系统出水CODCr的去除效果，该系统对CODCr的去除效果见图3.在试验第 1～2阶段，处理系统温度较低(8.3～15.7℃)，第3阶段温度逐渐升高，最高达到23℃，系统在3个阶段对CODCr的去除率平均为87.2%，出水ρ(CODCr)均在 40 mg/L以下，平均值为 25.7 mg/L.随着进水ρ(CODCr)的波动和水量变化，CODCr污泥负荷在 0.04 ～0.19 kg/(kg·d)，CODCr容积负荷在 0.43～0.92 kg/(m3·d).图 4是 BOD5的去除效果，处理系统出水ρ(BOD5)在6 mg/L以下，平均值为3.1 mg/L，平均去除率为97.4%.

图3 系统对CODCr的去除效果Fig.3 Removal effect of CODCr by the pilot plant

图4 系统对BOD 5的去除效果Fig.4 Removal effect of BOD5 by the pilot plant

综上，组合工艺利用纤毛填料和MBR提高了系统SRT和ρ(MLSS)，使系统可在较低污泥负荷、较高容积负荷下运行，通过膜截留作用，避免出水ρ(SS)增高造成污泥流失，从而保证了系统出水CODCr和BOD5的去除效果，提高了系统耐低温和抗冲击负荷的能力.

2.3 对氨氮的去除效果

系统氨氮污泥负荷为0.02～0.06 kg/(kg·d)，容积负荷为0.13～0.38 kg/(m3·d)，系统对氨氮的去除效果见图5.从图5中可以看出，系统出水ρ(氨氮)均在 5 mg/L以下，平均值为 2.0 mg/L，平均去除率为97.5%.

图5 系统对氨氮的去除效果Fig.5 Removal effect of ammonia nitrogen by the pilot plant

氨氮在水中以水合氨离子的形式存在，可自由穿过膜的微孔，膜拦截作用本身对氨氮去除无贡献，组合工艺对氨氮的去除主要是靠纤毛填料上大量固着的世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌以及膜拦截累积的大量硝化细菌和亚硝化细菌，通过硝化反应使氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，使系统中的氨氮得到去除.MBR系统可保持较高ρ(MLSS)和较长SRT，在第1～2阶段温度较低情况下，通过维持较高ρ(MLSS)，保证了系统对氨氮的去除效果，在第3阶段温度逐步提高(17.1～23.0℃)后，降低ρ(MLSS)到4 500～5 000 mg/L，仍能保证系统对氨氮的去除效果，并且缓解了膜组件的污染.

因此，组合工艺充分利用纤毛填料和MBR的优势，通过运行参数优化，可使系统在较低温度和较高氨氮负荷条件下，仍能保持较高的氨氮去除率，提高了对氨氮的处理能力.

2.4 对TN的去除效果

由图6可知，系统对TN的去除效果并不理想，平均去除率为28.5%.这主要是由于系统进水ρ(TN)较高(66 ～104 mg/L，平均值为 88 mg/L)，而ρ(BOD5)/ρ(TN)较低(平均值为 1.2)所致.理论上1 g NO3－-N转化为 N2需要 2.86 g含碳有机物(BOD5)，而进水反硝化碳源远远低于理论值，所以导致系统TN去除效率较低.

图6 系统对TN的去除效果Fig.6 Removal effect of TN by the pilot plant

2.5 对TP的去除效果

从图7可知，进水ρ(TP)在 6.9～11.5 mg/L波动，对TP去除量基本稳定在2 mg/L左右，平均去除率为26.8%.这主要是由于系统为缺氧/好氧运行方式，没有厌氧区，而且SRT较长，不利于系统生物除磷，按生物膜和活性污泥微生物生长营养条件ρ(BOD5)∶ρ(N)∶ρ(P)为 100∶5∶1计算，微生物生长利用可消耗掉的ρ(TP)在1 mg/L左右，通过剩余污泥排放聚磷菌摄取的过量ρ(TP)约为1 mg/L，所以系统对TP的去除率较低.

图7 系统对TP的去除效果Fig.7 Removal effect of TP by the pilot plant

2.6 对SS的去除效果

系统对SS的去除效果见图8.尽管进水ρ(SS)波动较大，在8～96 mg/L内变化，但由于膜的高效拦截作用，对SS大于膜孔经(0.1μm)的颗粒，可全部去除，因此，系统对SS具有良好的去除效果，出水ρ(SS)未检出，达100%的去除率.

2.7 工艺参数优化策略分析

图8 系统对SS的去除效果Fig.8 Removal effect of SS by the pilot plant

为保证系统在处理低碳氮比、高氨氮污水时运行稳定，维持硝化菌群数量，减缓膜污染速率，针对组合MBR工艺参数进行了优化分析.由于组合工艺在A/O系统好氧段引入填料，增加了附着生物种类和数量，因此，可根据进水 BOD5，氨氮污泥负荷以及环境温度变化控制系统ρ(MLSS)和混合液回流比，建立起相对稳定的硝化系统.当进水BOD5污泥负荷为 0.04～0.10 kg/(kg·d)，氨氮污泥负荷为0.02 ～0.06 kg/(kg·d)时，可控制系统ρ(MLSS)在7 000 mg/L以下，减缓膜污染速率，降低系统化学清洗频率;温度低于15℃时，控制MBR池ρ(MLSS)为5 500～6 500 mg/L，混合液回流比为 300% ～400%，稳定组合工艺悬浮生长系统的硝化功能，可保证系统在低温条件下连续、稳定地运行;高于15℃时，硝化菌的比生长速率提高，控制 MBR池ρ(MLSS)为4 500～5 500 mg/L，混合液回流比为200% ～300%，可保证系统连续、稳定运行.

3 组合MBR工艺特点分析

该研究表明，组合MBR工艺系统有效地提高了污水处理效率，系统出水ρ(BOD5)≤ 6 mg/L，ρ(CODCr) ≤ 40 mg/L，ρ(氨氮) ≤ 5 mg/L，均能满足《污水再生利用工程设计规范》(GB50335—2002)景观环境用水的再生水水质控制指标.

组合MBR工艺脱氮效果稳定.单独A/O脱氮工艺为保持足够硝化菌数量，泥龄一般要保持在15～25 d左右，而在实际运行中保持足够比例的硝化菌是非常困难的.因为硝化菌絮凝性差，很难在二沉池中沉淀下来，常因二沉池出水带出的硝化菌数量大于硝化菌产量，导致硝化菌数量不断减少，硝化作用无法完成.而通过与MBR工艺结合，避免了硝化菌流失，保证了系统脱氮效果.

组合MBR工艺抗冲击负荷能力强.通过将微生物附着生长和悬浮生长合并起来，有效地提高了系统的生物体浓度，强化了系统去除有机物及氨氮的效果，增强了抗冲击负荷和抗有毒有害物质的能力.

组合MBR工艺流程短、占地面积小.强化A/O工艺与MBR工艺组合，不仅有效地提升了出水水质，还可取消传统污水处理中的二沉池，缩短了处理工艺流程，大幅减少占地面积，节省土建投资.

组合MBR工艺运行方式灵活，操作管理方便.在低温条件，维持较高悬浮生长生物量，保证去除有机物及氨氮的效果;在常温条件下，适当降低悬浮生长生物量，缓解膜污染，减少药物清洗次数.

组合MBR工艺实现了污水再生利用与资源化.处理原水为低碳氮比、低碳磷比生活污水，由于缺少碳源，对TN和TP的去除率不高，出水TN主要由硝态氮构成，TP主要由溶解性磷酸盐构成，均为植物氮源和磷源的主要吸收形式［18-19］.而《污水再生利用工程设计规范》(GB50335—2002)城市绿化用水指标和《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)中，并未规定TN和TP指标.将处理后出水作为城市绿化和农田灌溉使用，不仅可为植物与作物生长提供必需的氮磷营养元素［20］，而且也为污水资源化提供了一条有效途径.

4 结论

a.组合MBR工艺在A/O工艺中引入纤毛填料，将微生物附着生长和悬浮生长相结合，减少了悬浮生长微生物食料并抑制其生长，降低了ρ(MLSS)值，有效缓解了膜组件污染，强化了有机物及氨氮的去除效果，增强了系统耐冲击负荷和耐有毒有害物质的能力.

b.优化了系统 BOD5负荷小于 0.10 kg/(kg·d)，氨 氮 负 荷 小 于 0.06 kg/(kg·d) 时 的MBR池ρ(MLSS)与混合液回流比.当温度≤15℃时，控制 MBR 池ρ(MLSS)为5 500～6 500 mg/L，混合液回流比为300% ～400%;当温度 >15℃时，控制 MBR 池ρ(MLSS)为4 500～5 500 mg/L，混合液回流比为200%～300%，可保证系统在低温条件下连续稳定运行，并具有较强抗冲击负荷能力.

c.组合MBR工艺处理高氨氮城市生活污水，对BOD5的平均去除率为97.4%，出水ρ(BOD5)平均值为3.1 mg/L;对 CODCr的平均去除率为87.2%，出水ρ(CODCr)平均值为25.7 mg/L;对氨氮的平均去除率为97.5%，出水ρ(氨氮)平均值为2.0 mg/L，对SS去除率达100%.

d.组合MBR工艺对低碳氮比生活污水的TN和TP的去除率不高，而以硝态氮为主的TN和以溶解性磷酸盐为主的TP是植物吸收氮源和磷源的主要形式，其出水作为绿化和农田灌溉使用可供给植物与作物生长必需的氮磷营养元素.

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Pilot Study on Combined MBR Process for Treatment of Domestic Wastewater with High Ammonia Nitrogen Concentration

WANG Zhi-hui，SONG Qian-wu，WANG Wen-jun，DAI Jian-kun，DAI Jin-guo，LI Zhi，WU Qi，ZHANG Yue
Environmental Engineering Design Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Domestic wastewater with low carbon/nitrogen ratio(BOD5/TN)and high ammonia nitrogen concentration was used to study the stability and the effects of a pilot plant with combined process of enhanced anoxic-oxic(A/O)process and MBR.The results showed that with the introduction of cilium media to the A/O process，the removal effect of the organic material and ammonia nitrogen was enhanced，and the membrane fouling was relieved.According to the variation of the influent load and temperature，the operating parameters ofρ(MLSS)and mixture internal return ratio were optimized to ensure the stable operation with HRT of 6.7-11.9 hours and membrane flux of 11-20 L/(m2·h).The average removal efficiencies of the combined process for BOD5，CODCr，NH3-N and SSreached 97.4% ，87.2% ，97.5% and 100% ，respectively.The concentrations of BOD5，CODCrand NH3-N were below 6，40 and 5 mg/L，respectively.Due to lack of carbon sources，the removal rates of TN and TP were relatively low，being 28.5%and 26.8% ，respectively.TN and TP in the treated water were mainly in the form of nitrate nitrogen and dissolved phosphate，which are the main forms absorbed by plants.Therefore，the treated water meeting the requirements of reclaimed water sources could be reused not only as city greening and agricultural irrigation water，supplementing the necessary nitrogen and phosphorus nutrients for plant and crop growth，but could also provide an effective way for domestic wastewater reusing.

MBR;A/O process;domestic wastewater;low carbon/nitrogen ratio;wastewater reuse

X703.1

A

1001－6929(2010)12－1535－06

2010－04－01

2010－09－02

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07211－006);中央级科研院所基本科研业务专项(2010KYYW11)

王之晖(1973－)，女，黑龙江哈尔滨人，副研究员，博士，主要从事水污染控制与治理工程技术研究，wzh_1001@163.com.