低温环境下A/O/A/O-MBR一体式污水处理技术应用研究

李春林，范小妮，刘文乾，臧小龙

（青岛冠中生态股份有限公司，山东 青岛 266100）

随着经济快速发展，我国城镇化和工业化迅速推进，水污染日益严重。近些年，国家实施多项政策，鼓励发展环境保护产业，污水处理行业快速发展。其中，缺氧/好氧-膜生物反应器（A/O-MBR）技术受到广泛关注，并逐渐应用于处理城市生活污水和工业污水。A/O-MBR 技术是不同污水处理技术组合而成的新工艺，随着膜技术发展，污水处理工艺不断改进，将膜生物反应器与常规脱氮除磷工艺相结合，可以快速高效实现污水的脱氮除磷。目前，特定条件下，A/O-MBR 技术对污水中化学需氧量（COD）的去除率为94.5%，总氮（TN）去除率为98.3%。但受到环境和工艺参数不匹配的影响，低温环境下A/O-MBR技术的污水处理效果并不好。郑建国等研究发现，低温环境下，溶解氧（DO）溶度为3～5 mg/L，水力停留时间（）为5 h，污泥回流比为200%时，污水TN 去除率仅为80%左右。何兴海等研究指出，DO 浓度控制在6.4～8.2 mg/L，为3～5 h，污泥回流比为100%，TN 去除率可以达到95%。此外，中国北方冬季寒冷，不利于微生物的生化作用，A/O-MBR 技术达不到良好的处理效果。虽然目前低温环境下A/O-MBR 技术得到广泛研究，但上述研究局限于实验室或小型中试条件。

作为一种一体式污水处理技术，缺氧/好氧-厌氧/好氧-膜生物反应器（A/O/A/O-MBR）技术是A/O-MBR 技术的改进工艺。本研究利用A/O/A/O-MBR一体式污水处理技术，分析了低温环境下不同DO 浓度、不同和不同污泥回流比对生活污水COD 和TN 去除效果的影响，探讨了其最佳工艺参数，为北方冬季生活污水处理提供一定参考。

1 材料和方法

1.1 试验装置

针对单体办公建筑的生活污水处理要求，本试验采用A/O/A/O-MBR 技术，自行构建一体式污水处理设施（长27 m，宽2.3 m，高2.9 m），其工艺流程如图1所示。系统包含化粪池、调节池、缺氧池、好氧池1、厌氧池、好氧池2、膜生物反应器（MBR）池、二沉池和清水池。该设施日污水处理量为5～10 m，日进污水量为6 m，试验季节为冬季。

图1 A/O/A/O-MBR 工艺流程

1.2 试验材料

活性污泥（含水率80%～90%）取自青岛市崂山区张村污水处理厂。试验污水为产业园办公楼产生的生活污水（含厕所污水、餐饮废水等），其初始COD 浓度为50～120 mg/L，TN 浓度为20～45 mg/L，pH 为6.8～7.9，外界环境温度为0 ℃左右，污水温度为0～8 ℃。过硫酸钾、氢氧化钾、重铬酸钾、硫酸亚铁、邻苯二甲酸氢钾、盐酸、氢氧化钠和硫酸均购自国药集团化学试剂有限公司，硝酸钾标准液购自上海麦克林生化科技有限公司。去离子水利用实验室超纯水仪器制取。所有化学药品均为分析纯。

1.3 试验方案

本试验选取3 个影响污水处理效果的参数，包括DO 浓度、以及污泥回流比，所有试验均重复两次以上。一是DO 条件试验。（6 h）与污泥回流比（100%）保持不变，好氧池DO 含量分别调为0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L 和8 mg/L，不同DO 条件下，污水处理系统运行6 h 后，清水池取样。二是条件试验。保持DO 浓度（6 mg/L）与污泥回流比（100%）不变，污水处理系统的分别调为1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 和6 h，清水池取样。三是污泥回流比条件试验。保持DO 浓度（6 mg/L）与（6 h）不变，污泥回流比分别调为40%、60%、80%、100%、120%和150%，污水处理系统运行12 h 后，清水池取样。

1.4 试验方法

COD 浓度采用重铬酸盐法测定；TN 浓度采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定；好氧池污水DO 含量采用溶解氧仪测定；污水处理系统温度监测采用数显式温度计；污水pH 采用pH 计测定。

2 结果分析

为了解低温环境下（室外温度0 ℃，污水温度4～15 ℃）不同工艺参数对生活污水处理效果的影响，本文研究了不同DO 浓度、不同和不同污泥回流比条件下生活污水COD 和TN 的去除率。

2.1 不同DO 浓度对污水COD、TN 去除效果的影响

好氧池DO 浓度是决定污水COD、TN 去除效率的重要因素之一，不同浓度DO 对污水处理系统出水COD、TN 浓度的影响如图2所示。随着DO 浓度由0.5 mg/L 增加至6 mg/L，清水池COD 去除率不断降低，当DO 浓度大于6 mg/L 时，清水池COD 去除率缓慢降低并趋于平稳。随着DO 浓度的增加，生活污水COD 去除率先增大，后趋于平稳。这表明，DO浓度越高，COD 去除效果越好，COD 去除越快。随着DO 浓度由0.5 mg/L 增加至2 mg/L，清水池TN 去除率迅速增加，当DO 浓度大于2 mg/L 时，污水TN去除率趋于稳定甚至出现反弹。随着DO 浓度的增加，污水C/N 不断降低，这也反映出溶解氧浓度越高，污染物去除效果越好。但过高浓度的DO 既不经济，也不利于提高污水COD、TN 去除率，因此DO 浓度维持在6 mg/L，这时可以保持较高的COD、TN 去除率。

图2 不同DO 浓度条件下污水COD、TN 去除率以及C/N

2.2 不同HRT 对污水COD、TN 去除效果的影响

在生物处理工艺中，是一个非常重要的参数，不同的直接影响微生物与有机物的接触时间和传质过程，进而影响污水处理效果。若过短，则微生物与有机物的接触时间较短，污水处理效果差；若过长，则造成能源浪费，也不能继续提高污水处理效果。因此，要确定合理的，保证系统处理效能并节省工程投资。

不同条件下，污水处理系统出水COD、TN的去除效果如图3所示。当大于2 h 时，出水COD 浓度稳定在20 mg/L 左右，随着由2 h 增加至5 h，COD 去除率缓慢增加。大于2 h 时，COD 去除率很高，但不同条件下的COD 去除率差异很小。这也表明，较高的对COD 去除率影响较小，很短也可以实现COD 去除。不同的是，的长短对污水TN 去除率有很大影响。随着的增加，TN 去除率不断增加，超过4 h 后，污水TN 去除率趋于平稳。大于3 h 时，污水TN去除率提高。由图3可知，随着的增加，C/N 不断减小，但超过2 h 时，C/N 不断上升，这说明污水TN 去除率提高。因此，北方低温环境下，控制在4 h，可以保证污水COD、TN 的去除效果。

图3 不同HRT 条件下污水COD、TN 去除率以及C/N

2.3 不同污泥回流比对污水COD、TN 去除效果的影响

污泥回流比是污泥回流量与曝气池进水量的比值，其直接影响厌氧池的反硝化效果和污水处理系统的脱氮除磷效果，是污水处理过程的重要参数之一。不同污泥回流比条件下，污水处理系统出水COD、TN 去除率如图4所示。

图4 不同污泥回流比条件下污水COD、TN 去除率以及C/N

随着污泥回流比的增加，污水COD 去除率迅速增加，当污泥回流比增加至60%时，污水COD 去除效果趋于稳定，但随着污泥回流比的增加，TN 去除率也不断增加，当污泥回流比增加至80%时，TN 去除率趋于稳定。随着污泥回流比的增加，污水C/N 趋于增加，这表明污水TN 去除效果不断增强。此外，污泥回流比也会影响污水COD 浓度，因为系统TN 去除率和进水COD 浓度具有一定的相关性，随着污泥回流比和进水COD 浓度的变化，TN 去除率相应升高或降低。因此，污泥回流比控制在80%～100%，即可保证污水COD、TN 的去除效果。

3 结论

研究发现，在低温环境下，DO 含量影响污水COD、TN去除效果，DO浓度由0.5 mg/L增加至6 mg/L，污水COD、TN 去除率不断增加，最佳DO 浓度为6 mg/L；大于2 h 时，COD 去除率趋于稳定，但TN去除率随着增加而增加，因此控制在4 h，即可保证污水COD、TN 的去除效果；污泥回流比对COD、TN 的去除影响有限，当其大于100%时，污水COD、TN 去除率趋于稳定。试验结果表明，最佳DO浓度为6 mg/L，好氧微生物在高浓度DO 条件下更加活跃，可以快速分解有机物。DO 浓度大于6 mg/L时，随着DO 浓度增加，好氧微生物快速繁殖，但过度曝气造成黏附在填料上的活性污泥分散溶解甚至老化，影响COD 去除效果。同样，DO 浓度足够时，硝化菌可以将NH-N 转化为中间产物亚硝态氮（NO-N）、硝态氮（NO-N），其混合液流入缺氧池，在缺氧环境下，反硝化菌将二者还原成N，实现脱氮。但DO 浓度大于6 mg/L 时，NO-N、NO-N 混合液含有较高浓度的DO，不利于反硝化菌的反硝化。高浓度DO 还会造成污泥絮凝性变差，污泥龄变短，大量污泥过度老化，生化效果降低。

反硝化过程相较于好氧分解过程十分缓慢，因此较短容易导致反硝化菌大量流失，造成污泥负荷大幅度上升，反应体系的硝化和反硝化性能恶化，但DO 充足时，COD 去除效果不会受到影响。较长可以为反硝化菌提供充足生化时间，若持续增加，则会加快污水TN 去除。在A/O/A/O-MBR 污水处理系统中，微生物先分解大分子有机物，因此COD 去除效果好，污泥回流比达到80%，大部分有机物得到分解；但TN 去除需要时间，污泥回流比越大，硝酸盐氮在系统内的越长，污水中硝酸盐氮被反硝化得越彻底，去除效果越好。当DO 浓度为6 mg/L，控制在4 h，污泥回流比为80%～100%时，A/O/A/O-MBR 技术可以很好地实现低温环境下生活污水处理和达标排放，这为低温环境下居民社区生活污水的处理指明了方向。