MBR工艺处理城市污水的中试研究

王素兰，于 洁，胡 猛，邢传宏

(1.郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001;2.辉县市环境保护局，河南辉县453007)

0 引言

近几年来，膜生物反应器作为一种处理效果好、可持续发展的新型城市污水处理技术，得到越来越广泛的应用［1-2］.与传统活性污泥工艺相比，膜生物反应器技术具有独特的优点:①膜生物反应器代替了沉淀池，使膜池内具有高污泥浓度，并形成局部缺氧环境有利于同步硝化反硝化，而且降低了工艺对空间的要求［3］;②去除悬浮物和胶体物质的同时，还能去除重金属、微生物、细菌、病毒等物质，从而提高了出水水质［1］;③剩余污泥产率降低［4-6］.

目前，国内外学者对膜生物反应器工艺的脱氮除磷效果进行了大量研究.MinGu Kim［7］、黄霞［8］、吴念鹏［9］等对膜脱氮除磷工艺进行了研究，出水 TN、TP浓度可达到 GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准.Khac-Uan Do等［10］在减少剩余污泥排放的基础上研究膜生物反应器的脱氮除磷效果，但TN去除率为60% ～62%，TP去除率仅为38% ～40%.

为此，本试验以沉砂池出水为研究对象，采用A2/O-MBR组合工艺，对混合型城市污水进行中试研究，考察了该工艺的脱氮除磷效果，试验历时3个月，试验期间减少对剩余污泥的排放.

1 材料与方法

1.1 试验装置与流程

A2/O-MBR工艺的试验装置见图1所示.

图1 A2/O-MBR工艺试验装置图Fig.1 Experimental setup chart of A2/O-MBR process

本试验装置由厌氧池、缺氧池、好氧池组成，容积分别为200、75、300 L.厌氧池与缺氧池设为一体，中间设有隔板但底部相通，厌氧池内设搅拌器，搅拌叶轮设于底部，侧壁下部设进水管，上部设厌氧出水管与缺氧池下部相连.缺氧池上侧壁设有集水槽，连接缺氧出水管与好氧池相接，下部设气管进行搅拌.好氧池内设有导流隔板，一侧放入膜组件，膜组件底部设有曝气装置，底部接有排泥管.好氧池混合污泥回流至缺氧池内.试验中用蠕动泵控制进、出水流量以及回流流量，缺氧池至好氧池间的流动主要依靠液位差进行控制.

试验中膜组件采用的膜材料为耐生物降解的聚偏氟乙烯(PVDF)，膜孔径为0.2 μm，膜面积为5.0 m2.

1.2 试验用水和接种污泥

试验在郑州市某城市污水处理厂进行，试验进水为该厂二期沉砂池出水，经高位水箱提升后进入试验装置.设计进水流量为41.7 L·h-1，厌氧池、缺氧池、好氧池的水力停留时间分别为4.0，1.5，6.0 h，好氧池至缺氧池的设计回流比为200%.进水水质特征见表1.

表1 水质特征Tab.1 Influent quality

试验接种污泥取自该污水处理厂二沉池的回流污泥.

1.3 试验监测指标及方法

监测指标包括:温度、DO，PH，COD，TP，TN，NH3-N，MLSS等指标.其中，温度、DO，pH 3 个指标每隔一天测定一次，COD，TP，TN，NH3-N，MLSS五个指标每隔两天测定一次.

COD，TP，TN，NH3-N 指标采用哈希 DR2800便携式分光光度计测定;DO，pH指标分别采用哈希sension6 DO仪、哈希 sension1 pH仪测定;MLSS依据水与废水监测分析方法(第四版)中的标准方法测定［11］.

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除效果分析

系统对COD的去除效果见图2所示.试验运行稳定后，第一次监测数据的时间取为第1 d.

由图可知，试验期间，进水COD浓度在131～1 637 mg·L-1之间波动，变化范围较大，但出水基本低于50 mg·L-1，只有8月21日、9月23日等共6 d出水COD略高于50 mg·L-1，可见系统具有较强的耐冲击负荷能力.膜孔径为0.2 μm，对胶体和颗粒状态的 COD去除效果明显［12］，与传统工艺相比，膜的截留作用进一步提高了出水水质，出水COD的平均浓度为28.24 mg/L，平均去除率为93.04%，最高去除率可达99.8%.

图2 COD浓度及去除率随时间的变化图Fig.2 Variation of COD concentration and removal rate with time

分析计算可得，COD主要在厌氧池内得到大量去除，其次是好氧池.厌氧池中COD大量减少除了被厌氧或兼性微生物利用之外，可能部分被污泥絮体吸附［13］.厌氧池、缺氧池、好氧池(包含膜组件的作用)对COD的去除贡献依次为:55%，4%，41%.

2.1.2 TP去除效果分析

系统对TP的去除效果见图3所示.

图3 TP浓度及去除率随时间的变化图Fig.3 Variation of TP concentration and removal rate with time

由图知，试验期间，进水总磷浓度维持在1.67～21.7 mg·L-1之间，出水基本低于0.5 mg·L-1，只有8月19日、9月10日等共5 d由于未及时排泥出水总磷略高于0.5 mg·L-1.在基于污泥减排的基础上，出水总磷的平均浓度为0.28 mg·L-1，平均去除率可达95.10%，取得了良好的除磷效果，这是本系统的优势所在.

分析计算可得，TP主要在好氧池内得到大量去除，其次是缺氧池.缺氧池中TP减少，B表明缺氧池内存在反硝化除磷作用.好氧池内TP去除量最多，符合生物除磷过程的一般规律，包括聚磷菌的吸磷作用，也可能存在同步硝化反硝化作用.另外，膜分离可以去除不易通过重力分离去除的细小磷酸盐沉淀或胶体磷，对更好的降低出水磷的浓度起到了一定的作用，这也是MBR工艺在强化除磷方面的优势［8］，好氧池以及膜组件的共同作用对总磷的去除率可达73%.

2.1.3 TN去除效果分析

系统对TN的去除效果见图4所示.

图4 TN浓度及去除率随时间的变化图Fig.4 Variation of TN concentration and removal rate with time

由图知，试验期间，进水总氮浓度维持在10～70 mg·L-1之间，变化范围较大，但出水基本低于15 mg·L-1，只有8月19日、9月25日等共5 d出水总氮略高于15 mg·L-1.出水总氮的平均浓度为9.51 mg·L-1，平均去除率为74.59%.可能由于好氧池内具有较高的DO(试验期间，好氧池内平均DO浓度为3.82 mg·L-1，池内最高DO可达5.85 mg·L-1)，回流时提高了溶解氧对污泥絮体的穿透力，却也破坏了厌氧微环境使好氧段产生过多的硝酸盐积累，使出水中氮的含量升高［14］，但试验期间基本达到预期脱氮目的.

分析计算可得，TN主要在厌、缺氧池内得到大量去除，厌缺氧一体池为主要的脱氮单元，主要通过反硝化作用，可去除68%的总氮.好氧池内有氮的去除作用，可能存在同步硝化反硝化.膜的截留作用也起到了一定的脱氮效果.

2.1.4 NH3-N去除效果分析

系统对NH3-N的去除效果见图5所示.

由图知，试验期间，进水氨氮浓度维持在6.7～42.6 mg·L-1之间，只有8月19、9月25日等共4 d由于好氧池内DO控制不当(DO＜1 mg·L-1)使出水氨氮略高于5 mg·L-1，其余天出水都低于5 mg·L-1，试验过程中较高的曝气量和较高的污泥浓度为硝化过程创造了良好的条件［15］，系统硝化作用较为完全.出水氨氮的平均浓度为1.69 mg·L-1，平均去除率为93.70%.

图5 NH3-N浓度及去除率随时间的变化图Fig.5 Variation of NH3-N concentration and removal rate with time

氨氮主要在好氧池内通过硝化作用得到去除，好氧池内消化作用以及膜组件作用可分别去除氨氮70%，11%.缺氧池也可去除一部分氨氮，可能是回流液中携带溶解氧的缘故.其中，厌氧池内氨氮量增加，主要是因为进水中有机氮通过氨化作用转化为氨氮.

2.2 MLSS的变化

图6表示了各反应器MLSS的变化.

图6 各反应器内污泥浓度的变化图Fig.6 Variation of MLSS in different unit

各反应池的平均污泥浓度分别为厌氧池12.65 g·L-1、缺氧池 8.46 g·L-1、好氧池6.82 g·L-1，三池平均污泥浓度为9.31 g·L-1.相对于传统的A2/O工艺，该工艺的平均污泥浓度要高的多，这为系统的稳定运行提供了保证.试验期间，出水MLSS几乎为0.

3 结论

(1)A2/O-MBR组合工艺对混合型城市污水具有良好的脱氮除磷效果.系统正常运行情况下，TN、TP、COD、NH3-N 的平均去除率分别为74.59%，95.10%，93.04%，93.70%，平均出水浓度分别为9.51，0.28，28.24 和 1.69 mg·L-1，各指标出水均优于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准.

(2)该工艺中COD主要去除单元为厌氧池，对COD的去除率占总去除率的55%;TP的主要去除单元为好氧池和膜组件，对TP的去除率占总去除率的73%;TN主要去除单元为厌氧池和缺氧池，对TN的去除率占总去除率的68%;NH3-N的主要去除单元为好氧池和膜组件，对NH3-N的去除率占总去除率的81%.

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