膜生物反应器强化生物除磷工艺及影响因素

吕浩田 ， 卞晓峥 ， 黄健平,2* ， 赵艺豪

(1.华北水利水电大学 ， 河南 郑州 450046 ； 2.河南省水体污染与土壤损害修复工程技术研究中心 ， 河南 郑州 450046)

0 前言

为解决水体富营养化这一环境问题，污染物排放标准越来越严格，生物除磷污水处理工艺得到了广泛的研究与应用。而生物除磷工艺的二次释磷、污泥龄矛盾和碳源竞争等固有缺陷限制了自身的发展。为了克服这些缺陷，近20年来国内外学者将现有的生物除磷工艺与膜生物反应器组合，形成了膜生物反应器强化生物除磷污水处理工艺，取得了良好稳定的处理效果，生物除磷工艺得到了改善。

1 强化生物除磷工艺研究进展

1.1 生物除磷工艺及其存在的缺陷

生物除磷工艺的除磷机制包括两种，一种是活性污泥微生物增殖对污水中磷的同化，另一种是活性污泥中的聚磷菌(PAOs)在交替的厌氧和好氧条件下先释磷后过量吸磷，后者是生物除磷工艺的主要除磷机制[1]。由于生活污水富含氮磷，所以生物除磷工艺通常也包括脱氮。根据不同的流程单元顺序与回流方式，生物除磷工艺可分为A2O工艺、RA2O工艺和UCT工艺。A2O工艺包括厌氧池、缺氧池和好氧池3个流程单元，见图1。

图1 A2O工艺流程

生物除磷工艺存在一些固有缺陷，包括二次释磷、污泥龄矛盾和碳源竞争。混合液在二沉池厌氧环境中会发生不生成胞内有机物的二次释磷现象，导致出水总磷(TP)升高；PAOs生长时间相对较短，而硝化细菌则较长，两者差距较大，致使系统存在污泥龄(SRT)矛盾；除磷与脱氮对碳源的竞争导致两者难以兼顾[2-3]。

1.2 膜生物反应器工艺及其优势

膜生物反应器(MBR)是活性污泥法与膜滤的结合，利用膜组器高效截留有机污染物和微生物，代替二沉池实现泥水分离，提高了生化池的污泥浓度(MLSS)和容积负荷，使水力停留时间(HRT)和SRT分离，显著提高了污染物的去除效果[4-5]。MBR可根据膜组器位置的不同分为两种，一种是浸没式MBR，另一种是外置式MBR。浸没式MBR的膜组器设置在生化池内，见图2；外置式MBR的膜组器设置在生化池后独立膜池内，见图3。

图2 浸没式MBR

图3 外置式MBR

1.3 膜生物反应器改进生物除磷工艺的机制

生物除磷工艺通过与MBR结合克服工艺自身存在的固有缺陷，形成了膜生物反应器强化生物除磷工艺，即在生物除磷的最后一个单元好氧池内设置膜组器，或在生物除磷流程末端设置外置式MBR代替二沉池。此时，二沉池厌氧二次释磷，PAOs与硝化细菌的泥龄矛盾，以及脱氮与除磷的碳源竞争等问题得到了解决。首先MBR代替二沉池进行泥水分离，直接避免了传统生物除磷工艺二沉池厌氧二次释磷。

MBR的高效截留作用解决了PAOs和硝化细菌泥龄矛盾。不同SRT的膜生物反应器强化生物除磷工艺结果见表1。

表1 不同SRT的膜生物反应器强化生物除磷工艺

试验研究的出水NH3-N<2 mg/L，TP<1 mg/L，SRT分布在15～40 d。此时TP和NH3-N在不同SRT条件下都可获得良好的去除效果，且观察到表1中的MLSS维持在6 g/L以上，说明PAOs和硝化细菌在不同SRT条件下都可通过MBR的高效截留作用同时得到有效富集，两者的泥龄矛盾问题得到了解决。

MBR的高效截留作用同样解决了PAOs与反硝化菌的碳源竞争问题。由于MBR的高效截留作用可保证出水COD达标，不受运行条件影响。一些研究直接将沉砂池出水作为进水，利用其较高的COD解决碳源竞争问题，得到出水COD<60 mg/L，TN<15 mg/L，TP<1 mg/L，见表2。其中，王朝朝等[15]在UCT-MBR中分别处理低负荷的初沉池出水和高负荷的沉砂池出水，结果表明，MBR可保障两种负荷的出水COD达标，高负荷下出水TN和TP显著低于低负荷，这说明利用MBR对大分子有机物的截留作用解决碳源竞争问题是可行的。

表2 膜生物反应器强化生物除磷工艺处理沉砂池出水

综上所述，不同类型的生物除磷工艺都通过与MBR结合有效解决了二沉池厌氧二次释磷，PAOs与硝化细菌的泥龄矛盾，以及脱氮与除磷的碳源竞争等问题。

2 除磷效果与膜污染的影响因素

生物除磷工艺能否发挥其优良的除磷特性，取决于PAOs及其活性，这需要适宜该工艺的污水和运行控制条件。MBR运行过程中产生的膜污染不容忽视，膜污染主要由混合液胞外聚合物(EPS)在膜孔和膜表面的沉积而产生。溶解性的EPS又称溶解性微生物产物(SMP)，两者的浓度通常由污水性质和运行控制条件决定。尽管生物除磷工艺涉及到的生化反应更复杂，但其混合液成分的要素与传统活性污泥工艺是一致的。综上所述，污水组成和运行控制条件是膜生物反应器强化生物除磷工艺的除磷效果和膜污染的关键影响因素。

2.1 碳氮比

碳氮比(C/N)对除磷效果影响，本质上是碳源数量能否满足除磷需求的问题，而C/N对膜污染的影响，其机制相对复杂。王朝朝等[20]研究了不同C/N对UCT-MBR除磷效果与膜污染的影响，结果显示：当C/N为3.2时，TP去除率仅为29.5%；当C/N为7.3时，TP去除率提升至98%；C/N由3.2提升至7.3后，膜污染速率提高了32%，此时混合液组分分析表明，EPS多糖和EPS蛋白分别增加了31.8%和94.7%，SMP增加了100%。MANNINA等[21]也做了类似研究，结果显示：当C/N为10时，TP去除率为90%，随后降低C/N至5时，TP去除率降至25%；C/N由10降低至5后，膜污染速率提高了50%，显然与王朝朝等[20]的研究结论相悖，此时，混合液组分分析显示C/N降低后SMP显著升高，这是由于C/N降低会导致污泥解体，污泥粒径随之减小，膜污染加剧。C/N对膜生物反应器强化生物除磷工艺膜污染的影响有待进一步的深入研究。

2.2 水力停留时间

HRT是影响生物除磷效果和膜污染的关键因素。BROWN等[22]研究了HRT对A2O-MBR的影响，结果表明：在好氧HRT为8 h等确定条件下，厌氧HRT在0.5～3 h变化，TP去除率随厌氧HRT先增加后减少；在2 h时最大，为82%。这是因为足够的厌氧HRT为PAOs吸收COD释磷提供了足够的反应时间，而时间过长，可利用COD耗尽时，则会发生不能形成胞内有机物的无效释磷。袁丽梅等[23]研究表明，缩短系统的HRT会直接加速膜污染，系统在HRT为6.96 h期间的膜污染速率是HRT为8.7 h时的3倍。这是因为缩短HRT意味着提高膜通量，则膜污染进程必然随之加快。

2.3 温度

温度决定了混合液微生物活性，且影响膜的性能。SAYI等[24]对A2O-MBR进行长期运行，结果显示：期间温度从41 ℃下降到24 ℃，TP去除率反而从50%逐渐增加到95%，这是由于在较高温度下，厌氧段PAOs较难吸收有机物释磷，糖原积累微生物与PAOs之间存在竞争。而膜运行情况显示：39 ℃下的膜比通量比25 ℃时高43%。这说明随着温度的升高，膜污染趋势有所下降，但生物除磷的过程受到限制。

2.4 溶解氧

溶解氧(DO)对膜生物反应器强化生物除磷工艺的影响与其对传统生物除磷的影响不尽相同。袁丽梅等[25]的研究显示在好氧段DO分别为2.2、1.5、1.0、0.7 mg/L时，TP去除率分别为51.3%、68.5%、71.4%和60.9%，其中DO为1 mg/L时，厌氧段释磷量最大。因为MBR在高DO条件下直接进行泥水分离，回流污泥携带残留DO会阻碍厌氧池的正常释磷，而传统生物除磷工艺则一般不存在这种情况，故本组合工艺宜在好氧池严格控制DO。

3 结语

生物除磷工艺通过与MBR结合形成的膜生物反应器强化生物除磷工艺取得良好稳定的处理效果，其固有缺陷二沉池厌氧二次释磷、PAOs与硝化细菌的泥龄矛盾和脱氮与除磷的碳源竞争等问题，因MBR的高效截留作用得到了有效解决。近年来国内外学者对此组合工艺的脱氮除磷效果和膜污染的影响因素进行了研究，包括碳氮比、水力停留时间、温度和溶解氧等。目前，国内外对于常规好氧MBR或厌氧MBR膜污染的研究已深入至微生物群落及其代谢机制的水平。本文工艺研究的侧重点在于脱氮除磷效果，对膜污染的研究报道较少，所以，应更进一步探明膜生物反应器强化生物除磷工艺的膜污染机理，为工艺的进一步改进提供理论依据。