一体式A2O-MBR系统处理高速公路服务区污水的研究

谭斌，黄阳鹏，肖勇，林冰，张运杰，张倩

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070）

在全球鼓励可持续发展的大背景下，高速公路服务区污水处理设施的建设对于服务区的生态建设和自然环境起到了决定性的保护作用，是实现水资源合理配置、科学保护、循环利用的重要手段。然而，高速公路服务区现有污水处理设施普遍存在原设计标准偏低、设备能效下降等问题，大型公厕产生尿液量多致使污水NH4+-N高，造成污水处理设施不能达标处理污水〔1〕。与此同时，还存在着化粪池大片渣料进入格栅池，好氧池内挂膜偏少，污泥负荷过高以及停留时间偏短等共性问题〔2〕。这些问题是高速公路污水处理运行策略优化研究的重点，寻找一种经济高效的方法处理高速公路服务区污水迫在眉睫。

高速公路服务区的污废水主要由尿液、冲厕水、粪便组成，通常含有高浓度有机物和氮磷污染物。许多学者对MBR工艺进行了研究，并对现有污水处理厂进行了升级和改造〔3〕。MBR是一种将生化处理工艺与膜分离技术相结合的高效污水处理工艺，该工艺出水水质优良、活性污泥浓度高、固液分离能力强以及污泥残留量少，同时占地面积小。因此，MBR工艺是很有前途的去除氮和磷的方法之一〔4〕。M. V. A. CORPUZ等〔5〕利用MBR处理污水，发现MBR对污染物的去除有显著效果，但是膜污染程度比较严重。单一的MBR技术通常受到高运营成本的制约，并受到膜污染问题的影响。一体化A2OMBR工艺近年来在污水处理中崭露头角。研究发现，A2O-MBR工艺可以有效提高氮和磷的去除效率〔6〕。H. FALAHTI-MARVAST等〔7〕将A2O与MBR相结合处理市政污水，发现总氮（TN）和总磷（TP）的最大去除率分别为86.2%和55.9%，同时实现了高活性污泥浓度、良好的出水水质和低污泥产量。Jingmei SUN等〔8〕设计了一种集成A2O-MBR用于处理高盐城市污水，结果表明，该系统对NH4+-N、TN和TP的去除率分别为95%、50%~70%和60%~80%。颜建国等〔9〕研究了A2O-MBR工艺处理景区厕所高浓度粪污废水，发现出水COD、NH4+-N和TP均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。

基于此，本研究采用一体式A2O-MBR反应器处理高速公路服务区的污水，在反应器成功启动并稳定运行的基础上，探究其对COD、TP、BOD5、NH4+-N、SS的去除效果。同时，研究了DO、硝化液回流比和碳氮比对系统中污染物去除效果的影响。

1 实验装置与方法

1.1 一体式A2O-MBR工艺流程

一体式A2O-MBR处理工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺Fig.1 Sewage treatment process

高速公路服务区污水先经过粗格栅对漂浮物或悬浮污染物进行拦截之后，依次进入细格栅、调节沉淀池和膜格栅，进一步为后续处理工艺的主体部分降低负荷。该装置主体部分由厌氧池、缺氧池和好氧-MBR池等组成。好氧-MBR池配1套膜组件材质为中空纤维的平板膜，其框架材质为SUS304，膜片材质为PTFE/PVDF。采用堆密度为19~21 kg/m3，孔隙率>95%的聚氨酯（PU）海绵填料置于厌氧池和缺氧池中，填充比为40%。PU海绵填料上可以富集好氧、缺氧和厌氧微生物，可强化反应器对COD、氮和磷的去除效果。污废水依次经过各个生化处理单元，然后经过次氯酸钠消毒池的处理，达标后进行回用。

1.2 一体式A2O-MBR的运行

1.2.1 一体式A2O-MBR的启动

由于高速公路服务区污水的COD和NH4+-N变化幅度大且上限高，从传统硝化菌（AOB）生长周期长的角度出发，要实现更高的NH4+-N去除率和有机物降解率，必须在合理的范围内拥有足够的反应时长。因此，设置该工艺生化单元总水力停留时间（HRT）为18 h，其中厌氧池2 h，缺氧池4 h，好氧-MBR池12 h。调节好氧-MBR池到厌氧池的污泥回流比为100%，好氧-MBR池到缺氧池的硝化液回流比为300%，C/N为6。好氧池的接种污泥取自湖北省武汉市某污水处理厂A2O工艺的曝气池，对污泥进行闷曝24 h处理以耗尽有机质，随后调整污泥质量浓度（MLSS）为（7 000±1 000）mg/L，DO为（4±0.3） mg/L，污泥龄为12~15 d左右。以5 d为周期采用了逐步提高污染物质量浓度的方法启动反应器，进水污染物质量浓度如表1所示。此外，本研究的污水处理量为0.1 t/h。实验期间监测反应器出水的SS、BOD5、COD、NH4+-N、TP等指标，判断反应器是否成功启动及稳定运行。

表1 启动期的进水污染物质量浓度Table 1 Influent pollutant mass concentration during start-up period mg/L

1.2.2 溶解氧的控制研究

在反应器启动成功后，为了实现完全脱氮和节约能耗的目标，进一步对反应器DO进行为期两个月的控制研究。其他工艺参数参照启动运行阶段，将A2O-MBR反应器中好氧池DO分别控制在3、4、5 mg/L左右，每个DO控制阶段运行20 d，监测系统出水水质的动态变化情况。

1.2.3 硝化液回流比的控制研究

在最佳DO确定后，为使系统有更好的处理效果，对硝化液回流量的控制也进行了为期两个月的研究。其他工艺参数参照启动运行阶段，将好氧-MBR池到缺氧池的硝化液回流比依次控制在200%、300%以及400%，监测系统的出水水质变化情况。

1.2.4 C/N的控制研究

确定最佳DO和最佳硝化液回流比之后，其他工艺参数参照启动运行阶段，将A2O-MBR反应器进水C/N依次控制为4、6和8，进行为期两个月的C/N控制研究。考察在不同C/N下系统的出水水质变化情况。

1.3 进出水水质

根据高速公路服务区污水的水质指标配制模拟污水用于后续试验，出水标准采用《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020），主要水质指标如表2所示，模拟污水中相关物质指标见表3。

表2 高速公路服务区污水水质Table 2 Sewage quality in expressway service area mg/L

表3 模拟污水的配制Table 3 Preparation of simulated sewage g/L

1.4 水质指标检测方法

在一体式A2O-MBR工艺中好氧-MBR池的出水端设置取样点，每3天收集出水进行水质测定。根据《水和废水监测分析方法》（第4版）〔10〕，用紫外-可见分光光度计（UV-1100，Mapada仪器上海有限公司）测定NH4+-N。此外，采用重铬酸钾法测定COD；用稀释与接种法测定BOD5；采用钼锑抗分光法测定TP；SS采用重量法测定。每个样本的水质测定重复3次，计算出平均值并采用origin软件以图表的形式反映水质的变化。在影响因素研究阶段，为方便对比，最终的去除率和各指标浓度为每个控制因素运行20 d内的平均值。

2 结果与讨论

2.1 反应器的启动与运行

服务区污水氨氮含量高，如果服务区污水直接进入A2O-MBR生化处理单元，冲击生化处理单元的活性污泥，很有可能导致污泥失活。因此，为了保证A2O-MBR反应器的成功启动，以5 d为周期采用了逐步提高污染物浓度的方法。反应装置进出水水质如图2所示。

图2 启动阶段A2O-MBR进出水水质Fig.2 Water quality of the inlet and outlet of A2O-MBR during start-up process

从图2可以看出，A2O-MBR反应器的启动过程中COD、BOD5和TP去除率均随着运行时间而增加，直到第15天左右达到稳定运行，A2O-MBR反应器出水COD、BOD5和TP去除率分别达到了（90±2）%、（93±3）%和（92±1.5）%。稳定运行期间，A2O-MBR反应器对BOD5去除率能够维持在95%以上，出水BOD5在11 mg/L上下浮动，经过后续的混凝沉淀和过滤工艺进一步处理，出水BOD5能降到10 mg/L以下，可达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）的要求。A2O-MBR中缺氧池可以有效去除污水中的COD，为后续好氧池进行专一硝化作用创造了有利的条件。有研究表明好氧-MBR池中的膜组件在曝气作用下与污水充分接触，可以截留部分有机物和有效脱氮除磷，在对污染物的降解中发挥了主要作用〔11〕。好氧-MBR池出水的NH4+-N和SS分别为（4.5±1） mg/L和（4.7±0.7） mg/L，并且自从稳定运行之后最终出水没有出现超标现象。在A2O-MBR中好氧段，一方面聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷去除，另一方面，AOB将NH4+-N通过生物硝化作用，转化成硝酸盐〔12〕。总之，在同一反应器中多种菌的相互作用，以及不同反应器中不同功能菌的协同作用使得污染物被活性污泥和生物膜有效地捕获、黏附、吸收、转化和降解，最终达到稳定的运行效果。

2.2 影响因素的研究

2.2.1 DO对A2O-MBR工艺的影响

DO是影响微生物氮代谢的重要参数，同时也是实际工程中运行成本主要来源之一。当DO过低时，会严重抑制AOB的活性，影响系统的处理性能；当DO过高时，会破坏系统的反硝化过程，并导致运行成本升高。因此，为一体化A2O-MBR工艺选择适宜的DO具有重要意义。一体化A2O-MBR好氧池出水污染物质量浓度随DO上升的演变规律如图3所示。

图3 DO对A2O-MBR处理效果的影响Fig.3 Effects of DO on A2O-MBR treatment

由图3可知，COD去除率随DO的增加而稍有增加，这是由于DO不足会直接抑制好氧菌消耗有机质的活动。同时，由于MBR膜上完全保留了颗粒状的COD，使得COD去除率保持在高水平，BOD5的去除率也维持在92%以上。出水NH4+-N随着DO的上升而下降，DO越大，NH4+-N去除率越高，高浓度的DO有利于AOB的生长代谢。SS随着溶解氧的变化虽然有一定的波动，但是出水SS没有超过4.5 mg/L。然而，TP的去除率却随DO的变化呈现先上升后下降的趋势。对TP去除率而言，相比于4、5 mg/L，3 mg/L的DO条件下，可能存在有些反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争，从而影响了聚磷菌的除磷过程〔13-14〕，但其TP去除率依然能达到85.6%左右。当DO上升到4、5 mg/L时，聚磷菌在系统中占据了优势地位，从而TP去除率有所提升。因此，综合曝气能耗、运行成本与整体污染物去除效果考虑，控制溶解氧在4 mg/L最为适宜。

2.2.2 硝化液回流比对A2O-MBR工艺的影响

确定最佳DO为4 mg/L之后，将反应器的硝化液回流比依次控制在200%、300%以及400%，考察硝化液回流比对该工艺处理效果的影响，结果见图4。

图4 硝化液回流比对A2O-MBR处理效果的影响Fig.4 Effects of nitrification reflux ratio on A2O-MBR treatment

由图4可知，硝化液回流比对COD、BOD5和SS去除率的影响不显著，不同硝化液回流比时，反应器的COD去除率均超过了90%，BOD5去除率维持在94%左右，出水平均SS均控制在5.0 mg/L以下。然而，与上述指标不同，出水NH4+-N受硝化液回流比影响显著，在硝化液回流比为300%时，出水NH4+-N达到了最低，为4.2 mg/L，系统的硝化效果达到了最佳。这可能是因为较低的硝化液回流比会导致缺氧池反硝化不完全，缺氧池部分碳源进入好氧池，增大了好氧池耗氧量〔15〕，与自养AOB竞争DO，不可避免地降低了整个系统的硝化效率。然而过高的回流比会将大量的DO带入缺氧池，增加了缺氧池的氧化还原电位，破坏了反硝化环境，使硝化反硝化作用不能正常进行〔16〕。同样，TP的去除率受硝化液回流比影响显著，随着硝化液回流比的增加，TP去除率也呈现先上升后下降的变化趋势。有研究表明异养菌（OHOs）的反硝化能力明显高于聚磷菌（PAOs）〔17〕。当较少的硝化液回流到缺氧池，带入的硝酸盐负荷小于OHOs的反硝化能力时，OHOs将优于PAOs进行反硝化；而当缺氧池硝酸盐负荷超过OHOs的反硝化潜能时，PAOs可以利用多余的硝酸盐进行反硝化除磷，TP降低。这也正是当硝化液回流比为200%时，反应器的TP去除率要低于回流比为300%时的原因。然而，随着硝化液回流比继续增加，更多的硝酸盐进入A2O的缺氧池，这可能影响PAOs的反硝化除磷作用。从碳源角度来看，已有研究表明硝酸盐的存在抑制了厌氧过程中磷的释放，因为反硝化菌吸收转化硝酸盐的过程需要碳源作为电子供体〔18〕，而PAOs与反硝化菌对碳源的竞争有可能处于劣势，会降低P的释放量〔19〕。此外，反硝化产生的一氧化氮（NO）对厌氧菌具有毒性，可以抑制PAOs的活性〔20〕。因此，过高的硝化液回流比反而会降低反应器的除磷效果，将硝化液回流比设为300%可实现对内循环的最优控制。

2.2.3 进水C/N对A2O-MBR工艺的影响

当进水C/N过低时，为提高硝态氮去除率，需补充反硝化反应所需电子供体，C/N过高时，会加大外碳源药剂费用。另外，大量有机物不可避免地溢流到好氧池会增加耗氧量以及污泥产量。当进水C/N分别为4、6、8时，反应器出水各指标的变化规律见图5。

图5 C/N对A2O-MBR处理效果的影响Fig.5 Effects of C/N on A2O-MBR treatment

由图5可以看出，随着C/N的增加，COD和BOD5的去除率没有显著地变化。这是因为反硝化反应及厌氧释磷对有机物的需求量很大，投加的碳源会被充分利用。随着C/N的升高，出水SS分别为4、4.5、4 mg/L，C/N变化对SS的影响微乎其微。值得注意的是，在3个不同C/N情况下，出水NH4+-N呈现出显著的差异性，在C/N为6时获得了最好的NH4+-N处理效果。这可能是由于高C/N条件下促进了异养细菌的繁殖，抑制了自养硝化细菌的繁殖。此外，当C/N较低时，系统的反硝化菌由于缺乏碳源无法进行反硝化，作为有毒有害物质的硝酸盐和亚硝酸盐的积累会抑制相对敏感的硝化菌的活性〔21〕。因此，当C/N为4时反而硝化效果不佳。TP去除效率随着C/N增加呈现先增加后减少的趋势。这是因为随着C/N的增加，聚磷菌在厌氧池中能够摄入更多的有机物来在体内形成更多的聚羟基烷酸酯（PHAs），进入好氧环境后，聚磷菌具备更强的吸磷动力〔22〕。在厌氧期间，底物被PAOs吸收，并以PHAs的形式储存在细胞内，然后将磷酸盐释放到液相中。在缺氧和好氧阶段，PHAs被用作生长和补充内部糖原和聚磷菌的碳和能量来源。超过释放量的磷酸盐被PAOs吸收，PAOs得以恢复。但过高的C/N比会影响PHAs和糖原的转化，最终影响微生物对磷的吸收和除磷效率〔23〕。因此，将C/N为6最适合。

2.3 一体式A2O-MBR工艺优势分析

该一体式A2O-MBR反应器通过将MBR膜组件置于好氧池中，将聚氨酯海绵填料置于缺氧池、厌氧池中，可以获得相对于单一的A2O或MBR工艺来说的诸多优势，见表4。

表4 A2O、MBR与一体式A2O-MBR的性能比较Table 4 Comparative analysis of performance among traditional A2O， MBR process and integrated A2O-MBR process

分别采用A2O、MBR与一体式A2O-MBR工艺处理水量为200~300 m3/d的生活污水时，成本比较分析见表5。

表5 A2O、MBR与一体式A2O-MBR的投资费用比较Table 5 Comparative analysis of investment cost among traditional A2O， MBR process and integrated A2O-MBR process

从表4、表5可见，一体式A2O-MBR具有的优势主要体现在以下几个方面：

1）高效去除污染物。聚氨酯海绵填料和膜组件为厌氧微生物、缺氧微生物和好氧微生物提供附着位点，维持了系统的生物多样性〔26〕。好氧-MBR池中的氧转移效率高、微生物活性高〔27〕，强化了生化反应池对COD、氮和磷的去除效果，缩短了好氧-MBR池的运行周期。此外，利用MBR膜组件能够有效地进行固液分离，悬浮物和浊度明显减少，出水水质好且稳定。通过该生化反应器的处理之后，出水指标基本达到了《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2020）中的要求，从而达到资源化利用的目的。

2）工艺安装和附加成本。A2/O工艺是目前污水厂脱氮除磷应用最广泛的传统工艺。由于其设备供应商多，检修维护方便，购买成本也相对较低。在A2/O的不同反应池分别放置聚氨酯海绵填料和MBR膜组件，将A2/O好氧池和MBR反应池相结合，一方面，可以减少占地面积并简化工艺，降低处理构筑物搭建成本；另一方面，一体式A2O-MBR反应器操作灵活、易于实现高度自动化、抗冲击性强、出水水质好，可以大大减少后续处理工艺的负荷，甚至可以减少部分工艺的使用，比如曝气沉砂池、二沉池等，间接减少污水处理厂总的处理成本和附加构筑物成本，具有一定的经济效益。

3）设备更新及检修维护。单一的MBR工艺膜组件使用年限不超过4 a，使用3 a后一般要进行清洗更换。而一体式A2O-MBR反应器进水先通过厌氧池和缺氧池，聚氨酯海绵填料上形成的生物膜中的微生物以污水中的有机污染物为营养物质，在新陈代谢过程中将有机物降解，从而大大降低好氧-MBR池中的处理负荷〔11〕。同时，这在一定程度上可以降低膜组件的污染程度，减少对膜组件的清洗和更换频率，保持膜过滤性能的稳定，从而降低系统的运行成本，为高速公路服务区污水处理实际工程改造提供参考。

3 结论

针对高速公路服务区污水污染物含量高以及处理设备效能低下的两大主要问题，采用一体式A2OMBR工艺处理污水。反应器成功启动并稳定运行后，系统出水NH4+-N和SS分别为（4.5±1） mg/L和（4.7±0.7） mg/L左右，COD、BOD5和TP去除率分别达到了（90±2）%、（93±3）%和（92±1.5）%。该工艺实现了高效的污水脱氮除磷效果，且易于管理，能实现高速公路服务区污水的达标排放。当DO、硝化液回流比和C/N分别为4 mg/L、300%和6时，系统出水COD和BOD5的去除效率分别达到了90.57%和93.75%，出水TP、NH4+-N、SS分别为0.56、4.2、4.5 mg/L，达到了回用水标准（NH4+-N≤5 mg/L，SS≤10 mg/L）的要求。虽然该工艺能耗和安装成本相对较高，但管理费用、运行费用有所减少，省却了部分构筑物的使用，具有一定的经济效益。