序批式膜生物反应器附加吸附除磷组合工艺的运行优化

王煊博，吴志超，梅晓洁，王巧英

（同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

膜生物反应器（MBR）是膜分离技术与传统生物处理技术相结合的污水处理工艺。由于膜的引入，省去了传统活性污泥法中的二沉池，实现了水力停留时间（HRT）与污泥龄（SRT）的分离，具有出水水质好、占地面积小、污泥产率低等优点［1］。目前MBR技术在污废水处理与回用方面得到了广泛应用［1-4］。

序批式活性污泥法（SBR）是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥处理技术，主要特点是在运行上的有序和间歇操作［5］，该技术集均化、初沉、生物降解、沉淀等功能于一体，无污泥回流系统，具有投资成本低、抗冲击负荷能力强、脱氮除磷效果好以及操作灵活等优点［6-7］。

序批式膜生物反应器（SBR-MBR）是序批式活性污泥法与膜生物处理技术有机结合的工艺［8］，既保留了SBR工艺简单、抗冲击负荷能力强以及操作灵活等优点，同时结合了MBR工艺出水水质好、占地面积小的优势，并通过HRT和SRT的彻底分离，能实现反应器内较高的污泥浓度和较低的产泥率［9-11］。此外，由于膜的引入，有利于世代周期较长的硝化菌和亚硝化菌的生长与富集，可进一步提升脱氮效果［7］。

SBR-MBR组合工艺可通过调节缺氧和好氧的时间比来实现污水的深度脱氮，然而这一工艺在生物除磷方面存在瓶颈。为达到出水的深度除磷，一种基于给水厂絮凝污泥的新型吸附材料被开发，该吸附材料具有比表面积大、吸附容量高、生产成本低以及原料来源广等优点，将其用于SBR-MBR工艺的尾水处理，可以对出水总磷进行深度脱除。因此，本文采用SBR-MBR附加吸附除磷组合工艺对实际生活污水进行处理，试验考察了组合工艺的膜运行特性、污染物去除效果，探讨了吸附除磷柱的最佳工艺参数，以期为分散式污水的高效、集约化处理提供可行的技术路线。

1 材料与方法

1.1 试验装置

SBR-MBR附加吸附除磷组合工艺流程如图1所示。试验装置由两部分组成，主体工艺为SBRMBR一体化装置，有效体积为0.135 m3；装置内平行放置了6片PVDF平板膜（上海子征环保科技有限公司），膜孔径为 0.2 μm，膜总有效面积为1.44 m2，膜运行通量为 15 L ／（m2·h），膜组件下方设有穿孔曝气管，曝气强度为 0.75 m3／（m2·min）（按投影面积计）。系统运行模式为序批式，具体流程为：进水—缺氧静置—好氧曝气—出水。为提高处理效率，结合膜的运行特点，试验设置在缺氧时进水，好氧曝气时出水，省去进水和静置的时间。各段时间设置为：缺氧60 min，好氧90 min，一个周期的运行时间为2.5 h，主体工艺的HRT为14 h，SRT设置为35 d。反应器污泥取自已稳定运行的MBR装置，在此工况启动前，SBR-MBR反应器已以OMBR方式运行了几个月。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Diagram of the Process

附加工艺为吸附除磷柱，吸附柱高为1.25 m，内径为10 cm，有效容积为10 L。吸附柱内装填吸附材料，装填密度为500 kg／m3。吸附柱从底部进水，上部出水，为了支撑填料同时避免填料的流失，进水口铺设80目不锈钢丝网。

1.2 试验进水

试验进水为曲阳水质净化厂沉砂池出水，其水质如表1所示。接种污泥取自试验基地稳定运行的中试MBR装置。

表1 进水水质Tab.1 Influent Quality

1.3 除磷吸附材料

除磷吸附材料由自来水厂脱水污泥制造而成，污泥取自上海市某自来水厂，该厂采用硫酸铝和聚丙烯酰胺为混凝剂。污泥样品经风干后粉碎，再过80目筛网，后经造粒机挤出成型，在30℃下干化4 h，得到吸附颗粒，其物化性质如表2所示。

表2 除磷填料参数Tab.2 Parameters of the Packings for Phosphorus Removal

1.4 吸附除磷运行工况探究

为确定吸附除磷装置的最佳操作条件，如上升流速、HRT等，本试验开展了以下批次试验。为避免进水磷浓度对吸附效率的影响，吸附柱进水采用KH2PO4配水，TP 浓度为 5 mg／L。

（1）不同上升流速的影响：采用蠕动泵进水，分别设置 4、2、0.6、0.3 L ／h 的流量进水，模拟上升流速为 0.7、1.4、4.6、9.2 cm／min 条件下吸附柱的运行情况。

（2）HRT的影响：首先设置进水流量在1 L／h的条件下，在填料高度为 10、20、30、40、60、80、100、120 cm处取样；再设定进水流量为4 L／h，在填料高度为 10、20、30、40、60、80、100 cm 处取样。得到 HRT介于0～48 min的14组工况。本试验通过模拟不同HRT的运行条件，探究HRT与吸附除磷效率的关系。

1.5 试验分析方法

针对SBR-MBR附加吸附除磷组合工艺，试验定期取样测定主体工艺和附加工艺的进出水水质，取样点有进水原液、滤液，SBR-MBR出水，以及吸附柱进出水，测定指标有化学需氧量（CODCr）、总氮（TN）、总磷（TP）以及氨氮等常规指标，水质测定参照标准方法［12］，每2～4 d进行一次测定。

2 结果与讨论

2.1 SBR-MBR运行情况

2.1.1 膜运行情况

图2为SBR-MBR系统跨膜压差的变化。由图2可知，SBR-MBR共运行了126 d，跨膜压差在0～90 d内上升平缓，在90 d后，跨膜压差迅速增加，于126 d时达到27.8 kPa，预示着膜运行周期结束。SBR-MBR系统中跨膜压差的增长分为两阶段：第一阶段为缓慢发展阶段（0～90 d），跨膜压差在较长时间内缓慢增长，污染速率为0.06 kPa／d；第二阶段为迅速上升阶段（90～126 d），跨膜压差在短时间内快速增长，污染速率为 0.60 kPa／d。SBR-MBR系统中跨膜压差的增长曲线符合传统MBR跨膜压差增长的两阶段理论［13］。

图2 SBR-MBR膜运行情况Fig.2 Membrane Performance of SBR-MBR System

2.1.2 CODCr的去除效果

图3为SBR-MBR进出水CODCr浓度的变化。由图3可知，在反应器稳定运行的126 d内，出水CODCr比较稳定，CODCr浓度稳定在 40 mg／L以下，平均值为 23±9 mg／L，CODCr去除率达 92%，说明SBR-MBR工艺有很好的CODcr去除效果。相比于传统的 SBR 工艺［14］，SBR-MBR工艺在CODCr去除方面更有优势。

图3 主体工艺进出水CODCr情况Fig.3 Performance of CODCrRemoval of SBR-MBR System

2.1.3 氮的去除效果

（1）TN的去除

图4（a）为系统进水及SBR-MBR出水的总氮浓度变化情况。由图4（a）可知，SBR-MBR工艺在经历了12 d的工况启动期后（图上灰色区域），出水总氮趋于稳定，反应器进入稳定阶段。在第13～126 d 的运行期内，出水 TN 为 8.48±2.37 mg／L，去除率达77%。反应器有较好的脱氮效果，一方面是SBR-MBR的间歇曝气使硝化（好氧阶段）和反硝化（缺氧阶段）过程交替进行，并且在缺氧阶段进水，为反硝化菌提供了充足的碳源，保证了一定的反硝化速率［15-16］。另一方面，膜的截留作用使出水水质进一步提高。

图 4 主体工艺对 TN（a）（b）的去除情况Fig.4 Performance of TN （a）and （b）Removal of SBR-MBR System

2.1.4 TP 的去除

图5为系统进水及SBR-MBR出水TP的浓度变化情况。由图5可知，SBR-MBR出水TP为1.18±0.41 mg／L，平均去除率为 73%。SBR-MBR对磷的去除主要通过反应器内的污泥对颗粒以及溶解态磷的吸附而去除。尽管SBR-MBR对TP有一定的去除效果，但其出水仍然无法达到城市污水厂一级排放标准，因此本试验在SBR-MBR工艺后设置了吸附除磷柱作为附加工艺，针对SBR-MBR出水进行深度脱除磷。

2.2 附加吸附除磷工艺探究

2.2.1 吸附除磷运行条件探究

（1）上升流速对吸附效果的影响研究

试验探究了上升流速对吸附除磷效果的影响，设定了四个流速，分别为 0.7、1.4、4.6、9.2 cm／min，测定不同流速下TP的磷吸附率，结果如图6所示。由图6可知，磷吸附率在运行的480 min内，随着运行时间而逐渐降低。对比不同上升流速下磷吸附率随运行时间的曲线，可知上升流速越小，磷吸附率越大。由曲线的斜率变化可知，吸附过程分为两个阶段：快速吸附阶段和吸附稳定阶段，在快速吸附阶段（0～104 min），吸附柱中的磷迅速被吸附，表现为磷吸附率在开始阶段快速降低，而后趋于稳定。当上升流速为 4.6、9.2 cm／min 时，磷吸附率随时间的延长下降较快，稳定磷吸附率分别为10%、20%；当上升流速为1.4 cm／min时，吸附柱的去除率稳定在60%；而当上升流速为0.7 cm／min时，磷吸附率达到80%以上，除磷效果较好。上升流速为0.7 cm／min吸附柱的去除效果最佳，但上升流速与吸附停留时间成反比，低吸附流速虽然能保证高吸附率，但也意味着需要更长的HRT，单位水量需要更大的吸附柱体积，相当于降低了填料吸附容量利用率，增加了占地面积，降低了吸附效率。试验中吸附除磷装置进水为SBR-MBR工艺出水，出水TP为1.2 mg／L，而吸附除磷装置出水需要达到一级排放标准（0.5 mg／L），吸附除磷装置的磷吸附率需要达到58%以上，考虑到占地面积因素，设计吸附柱运行时间需要＜40 min，因此，建议设计上升流速为1.4～4.6 cm／min。

图6 不同吸附流速的磷吸附率比较Fig.6 Comparison of Phosphorus Absorption Rate under Different Volumes

（2）吸附柱停留时间探究

吸附柱停留时间的探究设置了0～48 min的14组停留时间，分别测定在不同吸附时间下的磷吸附率，结果如图7所示。由图7可知，吸附柱的磷吸附效率随HRT的增加而逐渐提升，先经历一个快速吸附过程，再进入去除率平缓上升的阶段。停留时间为1 min时就已经去除了进水TP的40%；停留时间在24 min时，TP吸附率已到80%；在随后的24 min内，TP去除率增长缓慢。

综合吸附上升流速和HRT对吸附除磷效果的试验结果，考虑附加工艺的占地面积和处理效率，在后续的连续流吸附试验中采用吸附停留时间为40 min，空床流速为 2.5 cm／min。

图7 不同HRT下的磷吸附率比较Fig.7 Comparison of Phosphorus Absorption Rate under Different HRT

2.2.2 吸附除磷装置对磷的去除

图8为吸附除磷装置进出水TP浓度及其去除率。由前述分析可知，SBR-MBR主体工艺可去除73%的 TP，出水 TP 平均值为 1.18±0.41 mg／L。主体工艺的出水进入吸附柱后，TP进一步被去除，由图8可知，吸附柱进一步去除16%的磷，则组合工艺的 TP去除率为 89%，系统出水 TP为 0.48±0.08 mg／L，达到城市污水厂一级A排放标准。

吸附除磷颗粒饱和吸附容量可达16.56 mg／g［17］，据此可估算本工艺中吸附除磷装置的更换周期为1年。吸附饱和后的除磷颗粒有潜力作为一种环保的土壤改良剂，可以实现除磷颗粒的资源化利用，避免二次污染。

图8 吸附除磷柱进出水TP情况Fig.8 Influent and Effluent TP of Phosphorus Adsorption Column

3 结论

（1）采用 SBR-MBR附加吸附除磷组合工艺处理实际生活污水。SBR-MBR主体工艺共运行了126 d，出水 CODCr、TN的浓度分别为23±9、8.48±2.37 mg／L 和 1.64±1.15 mg／L，去除率分别为92%、77%和95%，优于城市污水厂一级A排放标准。

（2）开发了一种基于给水厂絮凝污泥的新型吸附除磷材料，30℃下2 h的吸附容量为11 mg／g。在本研究中，吸附柱的设计参数建议：空床流速在1.4～4.6 cm／min，HRT 在 24 min 以上。

（3）在磷去除方面，SBR-MBR主体工艺可去除73%的磷，出水 TP 为 1.18±0.41 mg／L。吸附除磷柱在空床流速为2.5 cm／min、HRT为40 min的条件下，进一步去除了16%的磷，整套工艺的总磷去除率达 89%，系统出水 TP 为 0.48±0.08 mg／L，达到城市污水厂污染物一级A排放标准（GB 18918—2016）。

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