MBR-CRI组合工艺在农村生活污水处理中的应用研究

吕银河

(定边县环卫园林所，陕西 榆林 718699)

0 引言

近年来，我国农村地区的集中供水率不断提高，农户的洗涤、冲厕、洗浴用水量和排水量不断增加。与城市布局不同，农村地区的人口分布较为分散，导致污水的处理存在较大困难，大量农村生活污水没有得到妥善的处理，便以直排方式进入其他环境介质，污染环境甚至造成潜在安全风险[1-2]。探寻适合于农村地区生活污水高效净化的技术，对农村生态环境保护而言具有重要的现实意义。

农村分散式生活污水的处理方法较为多样化，其中生物处理法多数是基于活性污泥法和生物膜法展开的。丁毅等[3]为改善农村生态环境，以A2/O-MBR作为核心工艺处理农村生活污水，结果表明，应用该工艺可实现90%以上的有机物、悬浮物、NH4+-N去除，但是对TN和TP的去除效果相对差一些，去除率仅在75%左右。尤立等[4]针对农村生活污水脱氮除磷效率低的问题，构建了UCT工艺并进行改良后用于净化某村落的实际污水，对NH4+-N的去除性能较优异，去除率可达到94.5%，对TN的去除性能相对较劣，去除率仅为72%左右，但出水仍能满足排放限值，可为该类废水处理提供有益的技术参考。武品等[5]为提高传统A/O法的脱氮效能，将其与双污泥体系联合构成改良型A/O工艺，实现了对NH4+-N和COD等污染物的有效去除，且对冲击负荷的耐受性较强。张克等[6]将微生物燃料电池技术应用于处理农村生活污水，COD去除率由87.67%升至96.19%，对TN和悬浮物的净化性能也有所提升，但NH4+-N和TP的去除效能没有得到显著的增强。LI等[7]开发了一种多土壤分层-地下废水渗透集成系统(MSL-SWI)，用于高水力负荷率下的分散式生活污水处理，通过间歇运行和分流分配废水使得COD去除率达到93.41%，TP去除率达到97.91%，NH4+-N去除率达到74.02%，TN去除率达到73.56%。王皓等[8]探索了复合潜流人工湿地工艺在农村生活污水污染物处理中的效果，结果表明该工艺可使COD去除率达到61.63%，NH4+-N去除率达到98.67%，TN去除率达到89.84%，TP去除率达到70.21%。然而，在实际应用中活性污泥法操作起来较为复杂，运行和管理成本也较高；生物膜法在运行操作和维护管理上较为便捷，但是农村生活污水通常具有碳源含量低的特点，致使污水中的氮、磷水质指标难以达到排放标准[9]。在选择农村生活污水处理工艺时，需充分考虑农村地区污水分布、水质水量的特点，而不宜照搬城市污水处理工艺[10]，研发占地面积少、处理效果好、运行能耗低的处理工艺成为农村污水处理领域未来的热门方向。

本研究将膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)和人工快渗系统(Constructed Rapid Infiltration，CRI)进行组合，构建MBR-CRI组合工艺应用于农村生活污水的处理，探究其对污水中有机物、氮、磷等主要污染物的去除性能，以期为农村生活污水的高效低耗处理提供一条新途径。

1 材料与方法

1.1 反应装置

组合工艺的反应装置如图1所示，由MBR池和CRI池组合而成。其中，MBR池的有效容积为100 L，内部装有好氧活性污泥，池外侧下方设有排泥口，池底部设有微孔气泡盘，与池外的空气泵连通，池内设有中空纤维膜组件，膜组件的产水口通过管路与CRI池的进水口相连通，连通的管路上设有产水泵和继电器。CRI池位于MBR池的下方，从上往下依次设有释碳区(高15 cm，内填废弃玉米芯，填充比为60%)、碎石区(高5 cm，内填5～15 mm粒径的碎石)、滤料区(高100 cm，内填0.1～0.3 mm粒径的河砂，已接种厌氧活性污泥)、陶粒区(高5 cm，内填2～5 mm粒径的陶粒)。CRI池的进水口位于释碳区的一侧，出水口位于陶粒区的底部，出水统一收集到排水箱内。

1.2 进水条件

采用成都某农户化粪池的实际生活污水作为本反应装置的进水，进水中的COD质量浓度为140.5～182.1 mg/L，BOD5质量浓度为95.3～123.2 mg/L，NH4+-N质量浓度为31.4～38.5 mg/L，TN质量浓度为37.6～48.6 mg/L，TP质量浓度为3.1～4.2 mg/L，pH为7.1～8.3，进水前先滤去较大的悬浮和漂浮杂质。

图1 组合工艺装置示意图

1.3 运行方案

设置日处理水量为200 L，通过不定期排泥使MBR池内混合液悬浮固体浓度维持在3 500 mg/L左右，通过空气泵和微孔气泡盘向池内供氧，保持溶解氧浓度在4 mg/L左右，采用继电器控制抽水和停止抽水的时间比为8 min：2 min。稳定运行60 d，每3 d检测1次出水水质，运行期间温度为25℃左右。

1.4 分析方法

水质指标均采用国家标准方法进行检测。

2 结果与讨论

2.1 有机物去除效果

图2为MBR-CRI组合工艺对农村生活污水中COD的去除效果。由图2可见，该组合工艺的出水COD质量浓度的波动不大，范围为11.5～20.4 mg/L，平均值为15.6 mg/L，平均去除率已达90.6%。分析认为，由于MBR池内接种有好氧活性污泥，当农村生活污水进入后，污水中的COD能被污泥絮体快速吸附捕获，再被污泥中的异养微生物氧化分解，使其浓度下降。进入CRI池后，污水中剩余的COD被滤料颗粒吸附，再被滤料表面附着生长的生物膜上的缺氧或厌氧微生物转化，使其浓度进一步降低。

图2 COD的去除效果

MBR-CRI组合工艺对农村生活污水中BOD5的净化效果见图3。在进水浓度均值为108.2 mg/L的情况下，经过MBR-CRI组合工艺的处理后，BOD5的出水质量浓度要低于COD，范围为2.9～9.5 mg/L，出水浓度均值为5.9 mg/L，平均去除率高达94.5%。由此可见，MBR-CRI组合工艺对BOD5的去除效率优于对COD的去除效率，这是因为污水中可能还含有部分不易生物降解的有机物，只能随出水排出系统外，因而COD的平均去除率比BOD5的平均去除率要低3.9%。综合来看，MBR-CRI组合工艺能实现农村生活污水中有机物的高效去除，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标对应的COD、BOD5排放限值，即ρ(COD)<50 mg/L、ρ(BOD5)<10 mg/L。

图3 BOD5的去除效果

2.2 脱氮效果

2.2.1 氨氮去除效果

污水中NH4+-N的去除情况如图4所示。在稳定运行期间，出水NH4+-N浓度较低，波动范围仅为0.3～1.9 mg/L，去除率波动范围为94.5%～99.2%，NH4+-N的出水浓度均值为1.2 mg/L，去除率均值为96.7%。可以看出，MBR-CRI组合工艺有着较为优异的NH4+-N去除效果，出水可以达到NH4+-N的排放限值，即ρ(NH4+-N)<5 mg/L，较低的NH4+-N浓度可以减缓水体富营养化的发生进程。

图4 氨氮的去除效果

2.2.2 总氮去除效果

除NH4+-N外，污水中还可能存在其他形式的氮素污染物，考察MBR-CRI组合工艺对农村生活污水中TN的去除性能显得十分必要。图5表示稳定运行期间对农村生活污水中TN的去除情况，可以看出，虽然该工艺对NH4+-N去除效果明显，但是对TN的去除并没有达到同样优异的效果。出水TN的质量浓度波动范围为4.3～8.9 mg/L，出水浓度均值为6.1 mg/L，比NH4+-N出水浓度均值上升了4.9 mg/L，而TN的去除率波动范围为81.5%～89.9%，去除率均值为85.8%，比NH4+-N去除率均值降低了10.9%。尽管如此，TN出水质量浓度依然能满足排放限值要求，即ρ(TN)<15 mg/L。

图5 总氮的去除效果

2.2.3 脱氮原理分析

脱氮是农村生活污水处理工艺的关键任务之一，本工艺独特的结构设置，为高效脱氮创造了有利条件。在MBR池内，污水中的NH4+-N首先被亚硝化菌所利用，通过该菌的亚硝化功能转化成NO2--N，再进一步被硝化菌所利用，通过该菌的硝化功能转化成NO3--N，此时虽然NH4+-N被高效去除，但是TN去除率并未提高，因为处理水中含有大量未被还原的NO3--N或NO2--N。经产水泵作用实现MBR池的泥水分离，分离出来的污水进入释碳区内，污水与缓释碳源材料充分接触后，缓慢释放出有机碳，为后续反硝化脱氮补充有机碳源。滤料区内的滤料在填充前采用厌氧活性污泥进行了接种挂膜，滤料表面形成了具有厌氧功能的生物膜，污水中的部分有机物被厌氧微生物进一步分解，NO3--N、NO2--N则被反硝化菌所利用，通过该菌的反硝化功能协同有机碳源而被还原为以N2为代表的气态氮脱除，原理示意图见图6。

图6 脱氮原理示意图

值得一提的是，虽然农村生活污水中含有一定量的有机物，但是经过MBR池处理后，大部分有机物已经被降解或转化，而CRI池内释碳区的设置解决了反硝化阶段碳源缺失的问题，从而确保了硝化-反硝化脱氮流程的顺利完成。释碳区内填充的是废弃玉米芯，既充分利用了玉米芯具有缓慢释放碳源的特性，又为废弃玉米芯的资源化利用提供了一条新出路，符合农村地区的实际情况。

图7 总磷的去除效果

2.3 除磷效果

图7反映了MBR-CRI组合工艺对农村生活污水中TP的去除情况。经MBR-CRI组合工艺处理后，TP的出水质量浓度范围为0.15～0.47 mg/L，浓度均值仅为0.36 mg/L，净化效果较为理想；对TP的去除率范围为86.1%～95.3%，去除率均值达到了90.2%，满足TP排放要求，即ρ(TP)<0.5 mg/L。MBR-CRI组合工艺对TP的去除主要依靠两条途径，第一条途径是MBR池内活性污泥及CRI池内滤料的吸附去除，第二条途径是MBR池内活性污泥和CRI池内生物膜中微生物的转化去除。

3 结语

为实现农村生活污水的高效处理，构建了基于MBR和CRI的组合工艺，研究了其对农村生活污水中主要污染物的去除性能，得到如下结论：

(1)MBR-CRI组合工艺有着较高的除碳效果，经处理后，COD、BOD5的平均出水质量浓度分别为15.6 mg/L、5.9 mg/L，平均去除率分别达到90.6%、94.5%。

(2)在稳定运行期间，NH4+-N、TN的出水浓度均值分别为1.2 mg/L、6.1 mg/L，去除率均值分别达到了96.7%、85.8%，释碳区的设置为TN的去除过程提供了充足的有机碳源。

(3)当进水TP浓度为3.1～4.2 mg/L时，经MBR-CRI组合工艺处理后，出水TP质量浓度范围仅为0.15～0.47 mg/L，去除率均值可达到90.2%，其去除主要通过介质吸附和生物转化。