膜生物反應(yīng)器用于居民區(qū)生活污水處理與回用

陳洪斌，李 辰，劉富強，戴曉虎

（同濟大學(xué) 城市污染控制國家工程研究中心，上海200092）

目前中國人均用水量不斷減少，污水排放量不斷增加［1－2］.我國絕大多數(shù)居住區(qū)的生活污水混合收集處理后排入城市污水管網(wǎng)，有的小區(qū)生活污水進入城市污水管網(wǎng)之前經(jīng)過化糞池簡單預(yù)處理［3］.以生活污水凈化后再生利用具有開源和減少污水排放量的雙重效用［4］.混合生活污水作為中水的水源與優(yōu)質(zhì)雜排水（又稱“灰水”）相比，污染物較高，病原細菌多，處理后的再生水色度有時偏高，常規(guī)處理的水質(zhì)穩(wěn)定性難以保障，很多居住區(qū)或大型建筑物的再生水系統(tǒng)常發(fā)生感官性能差、馬桶內(nèi)的水質(zhì)變差、甚至發(fā)現(xiàn)肉眼可見的蠕蟲等現(xiàn)象，導(dǎo)致居民不愿使用再生水.解決居住區(qū)生活污水可持續(xù)性再生利用難題的思路一方面是將污水源分離，灰水凈化后回用于沖廁，一方面采用更加高效可靠的再生技術(shù)處理混合收集的生活污水，確保再生水的水質(zhì)滿足長期回用的目的.

膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）用于生活污水再生處理具有諸多優(yōu)點［5－6］，北美、歐洲、亞洲等地區(qū)已有廣泛應(yīng)用［7］.國內(nèi)MBR中水回用正處于發(fā)展和推廣應(yīng)用階段［8］.MBR單獨處理生活污水，再生水有時會出現(xiàn)色度偏高的現(xiàn)象.課題組以北方某居民區(qū)的化糞池出水作為中水源，將MBR與活性炭過濾結(jié)合深度處理，再通過紫外線聯(lián)合氯消毒，中試連續(xù)流條件下考察達到生活雜用和景觀用水要求的再生水水質(zhì)和主要參數(shù)，根據(jù)所確定的工藝與生活污水源分離、灰水MBR凈化后再生利用的技術(shù)經(jīng)濟性進行比較，進而討論生活污水不同收集處理方式的適用性.

1 材料和方法

1.1 試驗水質(zhì)

中試研究的污水來自北方某城市居住區(qū)的化糞池出 水，化 學(xué) 需 氧 量 （chemical oxygen demand，COD）、五 日 生 化 需 氧 量 （biochemical oxygen demand，BOD5）、氨氮（ammonia nitrogen，NH3－N）、總氮（total nitrogen，TN）、總磷（total phosphorus，TP）等質(zhì)量濃度分別為104～397，35～160，41.6～75.5，48.1～86.3和2.2～9.9mg·L－1.春、夏季由于洗浴用水量增加以及化糞池凈化效果增強，污染物濃度均比冬季偏低.化糞池進、出水的COD，TN，TP的質(zhì)量濃度比值分別為42∶13∶1和68∶10∶1，試驗后期投加碳源模擬化糞池進水則以該比例為參考.

1.2 中試裝置的工藝流程和設(shè)備

整個中試系統(tǒng)的設(shè)計進水量為1.0～1.5m3·h－1，工藝流程如圖1.

圖1 中試裝置工藝流程圖和實驗裝置Fig.1 Schematic diagram of AO－MBR process and experimental devices

化糞池出水經(jīng)潛水泵提升后，先經(jīng)過5mm毛發(fā)過濾器去除大顆粒懸浮物，再進入MBR池.反應(yīng)池的缺氧段與好氧段體積比為1∶1.5，好氧段被穿孔板隔開分為好氧區(qū)和膜區(qū)，膜組件采用聚偏二氟乙烯材質(zhì)，最大過濾水量為2.7m3·（m2·h）－1.缺氧/好 氧－膜 生 物 反 應(yīng) 器 （anoxic/oxic－membrane bioreactor，AO－MBR）的運行由可編程邏輯控制器控制，膜組件間歇式出水，抽停時間分別為9min和3min，正常運行時每天清水反沖洗1min，恢復(fù)性清洗則采用化學(xué)試劑浸泡法.活性炭濾柱設(shè)有超越管，膜組件出水可以直接消毒處理；當膜出水的色度增加時，則采用活性炭處理，以保證出水水質(zhì)穩(wěn)定.活性炭濾柱的濾速為10m·h－1，運行期間定期采用氣水結(jié)合方式反沖洗.紫外線消毒裝置的最大流量為3m3·h－1，照射劑量為25～38mJ·cm－2，膜出水或炭濾柱出水紫外消毒后投加次氯酸鈉，出水進入清水箱.

1.3 取樣和分析測試

中試裝置運行穩(wěn)定后每天定時取樣，混合后送化驗室分析，COD，BOD5，NH3－N，TN，TP，MLSS、總大腸桿菌數(shù)、總細菌數(shù)等均按標準方法［9］測定；pH值、溫度、溶解氧、色度等均采用便攜式測定儀現(xiàn)場測定.

1.4 居住區(qū)生活污水混合收集與分類收集以及資源化的經(jīng)濟性分析模型

居住區(qū)中水回用經(jīng)濟性計算主要包括管網(wǎng)的投資費用、設(shè)備與構(gòu)筑物投資費用和運行與維修費用3個方面.其中排水管道和再生水管道等的布置模型采用單元簡化模型，與課題組前期研究的灰水收集、再生回用模型相同［10］，見圖2.

圖2 居住區(qū)生活污水混合收集與分類收集的單元簡化模型Fig.2 Simplified unit model of residential area for mixed or classified collection

如圖2所示，該模型一個單元小區(qū)的總面積為500 000m2，其中綠化面積80 000m2，共144棟建筑，每棟建筑按5層20戶計算，總?cè)丝?.15萬人，人均居住密度與一線城市相當.此模型主要用于計算中水回用需要增加的管線、泵站、中水處理站的綜合投資費用，管網(wǎng)計算參照公式［11］，設(shè)備與構(gòu)筑物投資費用和運行維修費用參照費用參數(shù)［12］.設(shè)定人均用水量120L·（人·d）－1［3］，其中收集處理40%回用于家庭沖廁、洗車、小區(qū)綠化等.經(jīng)濟性分析時MBR處理系統(tǒng)的設(shè)計水量為750m3·d－1.混合污水MBR處理的工藝技術(shù)參數(shù)和費用測算根據(jù)中試結(jié)果計算.灰水MBR處理的計算參考前期研究結(jié)果［10］.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 以城市雜用水為回用目標的運行結(jié)果

居住區(qū)中水回用于沖廁、洗車、綠化等雜用的水質(zhì)按城市雜用水類標準執(zhí)行［3］.

圖3 AO－MBR對COD和NH3－N的去除效果Fig.3 Removal of COD and NH3－N in AO－MBR

從圖3可以看出，進水COD質(zhì)量濃度ρCOD、NH3－N質(zhì)量濃度ρ（NH3－N）隨季節(jié)變化很大，春、夏季（階段Ⅱ）進水ρCOD，ρ（NH3－N）平均值相比冬季（階段Ⅰ）分別低100mg·L－1和6.8mg·L－1左右，這和居民用水習(xí)慣隨季節(jié)性變化有很大的關(guān)系［13］，夏季淋浴和洗衣用水等水量的增加均會造成進水中各項污染物濃度降低.從運行結(jié)果來看，冬季（階段Ⅰ）條件下水溫10～18℃、水力停留時間thr為10h、污泥齡tsr為50d、回流比為120%、MLSS質(zhì)量濃度ρMLSS＝6 500～7 500mg·L－1時，膜出水的ρCOD低 于 30mg·L－1、ρBOD5低 于 3mg·L－1、ρ（NH3－N）低于3mg·L－1、濁度低于0.03mg·L－1（以SiO2質(zhì)量濃度計）.春、夏季（階段Ⅱ）運行條件下水溫20～30℃、thr＝8h、tsr＝50d、回流比為100%、ρMLSS＝3 000～5 000mg·L－1，膜出水的ρCOD濃度低于15mg·L－1，ρBOD5濃度低于2mg·L－1，ρ（NH3－N）低于1.6mg·L－1，濁度低于0.04mg·L－1.可以看出，AO－MBR系統(tǒng)抗沖擊負荷能力強，溫度對系統(tǒng)影響不大，膜出水可以穩(wěn)定達到雜用水標準，實際運行可以根據(jù)不同季節(jié)進水負荷的變化相應(yīng)地調(diào)整停留時間和回流比，發(fā)揮系統(tǒng)的最大運行效果.

2.2 以景觀用水為回用目標的運行結(jié)果

考慮到居民區(qū)中水回用達到城市雜用水標準，僅可以作為小區(qū)內(nèi)部循環(huán)使用，如需排入河道，補充自然景觀用水，則必須達到景觀用水標準.中試裝置按照倒置缺氧/厭氧/好氧－膜生物反應(yīng)器（anoxic/anaerobic/oxic－membrane bioreactor，AAO－MBR）方式運行，膜出水ρCOD，ρBOD5和ρ（NH3－N）一直穩(wěn)定于30，3和3mg·L－1以下，均可以達到景觀用水標準.由于景觀用水標準對ρTN，ρTP要求高，需要進一步控制thr、回流比和tsr，以增強脫氮除磷效果.

圖4 倒置AAO－MBR對TN和TP的去除效果Fig.4 Removal of TN and TP in reversed AAO－MBR

從圖4可見，階段Ⅰ（1～40d）在thr＝10h、tsr＝50d、回流比為200%、ρMLSS＝6 500～7 500mg·L－1時，TN平均去除率為61.4%，膜出水的ρTN介于17.8～29.3mg·L－1；階段Ⅱ（40～120d）在thr＝10 h、tsr＝50d、回流比200%、ρMLSS＝6 500～7 500mg·L－1時，膜出水ρTN在21.1～35.3mg·L－1，平均去除率為48.4%，ρTN均不能滿足景觀用水標準.通過增大thr至13h和降低回流比至100%，對TN去除率影響不大.可見，進水停留10h，系統(tǒng)內(nèi)的反硝化過程基本完成，通過延長缺氧反硝化時間，充分利用內(nèi)源反硝化碳源來提高系統(tǒng)反硝化效率的空間不大；盡管膜區(qū)回流液中高濃度溶解氧（dissolved oxygen，DO）會消耗部分進水的碳源，對脫氮不利，但并不是TN去除量不高的主要原因.夏季（81～120d）小區(qū)化糞池出水的ρCOD/ρTN從冬季的3.5～4.0降至3.0，最低時僅有2.0，相同運行條件下進入夏季以后，TN平均去除率僅有45.4%.李紅瑛［14］在AO－MBR處理生活污水的試驗中發(fā)現(xiàn)，ρCOD/ρTN要達到7～9才能實現(xiàn)很好的脫氮效果.可見，居住區(qū)生活污水資源化利用時，如果以化糞池出水作為進水，存在反硝化碳源不足的問題.對該居住區(qū)的水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，化糞池進水的ρCOD∶ρTN∶ρTP為68∶10∶1，階段Ⅲ（121～155d）開始在進水端投加碳源，ρCOD∶ρTN∶ρTP調(diào)整至60∶15∶1，模擬化糞池進水作為中水回用水源，考察系統(tǒng)脫氮除磷效果.膜出水ρTN逐漸降低至15.0mg·L－1左右；階段Ⅳ（156～170d）進一步外加碳源至ρCOD∶ρTN∶ρTP為63∶13∶1時，膜出水ρTN穩(wěn)定于15.0mg·L－1以下.

如圖4所示，在冬季（1～40d）中試進水的ρTP為5.6～7.5mg·L－1，春、夏季（41～170d）的ρTP降低到3.5～5.0mg·L－1；膜出水的ρTP保持在3.0～4.5mg·L－1之間，平均去除率僅有29.1%.一方面由于系統(tǒng)的泥齡過高（tsr＝40～50d），聚磷菌好氧吸磷之后不能及時地從系統(tǒng)中排出.曹斌等［15］在進水ρTP＝2～3 mg·L－1時，tsr＞30d時，TP幾乎沒有去除；tsr＝30d時，出水ρTP＜1.0mg·L－1.另一方面，進水的碳源不足、反硝化菌和除磷菌對于碳源的競爭也是導(dǎo)致系統(tǒng)除磷效果不好的原因.階段Ⅲ投加碳源之后，膜出水TP的平均去除率提高至50%以上，質(zhì)量濃度降低至2.0～3.0mg·L－1，但仍然不能達標.階段Ⅳ在好氧區(qū)投加聚合鋁（有效鋁投加濃度為4～5mg·L－1），TP的去除率達到98%，質(zhì)量濃度降至0.5mg·L－1以下，穩(wěn)定達到景觀用水標準.

居民區(qū)的化糞池雖起到了穩(wěn)定水量和平衡污染物負荷的作用，但是減少了可利用碳源的數(shù)量，難以完全生物脫氮除磷.從模擬化糞池進水水質(zhì)作為中水回用水源并結(jié)合化學(xué)除磷的運行效果來看，運行條件為水溫25～27℃、thr＝10h、tsr＝50d、投加4～5mg·L－1有效鋁，混合液回流比為200%、ρMLSS＝5 500～6 000mg·L－1時，膜出水長期穩(wěn)定，ρCOD低于25mg·L－1，ρBOD5低于1mg·L－1，ρ（NH3－N）低于2.8mg·L－1，ρTN低于15.0mg·L－1，ρTP低于0.5mg·L－1、濁度低于0.03mg·L－1，完全符合景觀用水要求.可見，居住區(qū)生活污水再生利用如需滿足景觀用水標準，最好選擇不經(jīng)過化糞池預(yù)處理污水作為中水源.

2.3 活性炭過濾的作用探討

生活污水臭味的來源主要是揮發(fā)性有機物和少量無機物，色度主要由糞便水中的膽黃素引起，通過活性污泥法和膜過濾可以去除大部分有機物，但仍有極少部分臭味有機物、顯色有機物難降解去除，影響出水的嗅覺和感官效果，長時間停留色度可能會有所加深.中試采用活性炭濾柱進一步去除膜生物反應(yīng)器出水的臭味和色度，降低殘余的有機物濃度，確?；赜盟乃|(zhì).如圖5所示，由于冬季存在MBR出水的色度超過30度的現(xiàn)象，經(jīng)活性炭過濾后出水可穩(wěn)定低于20度.

圖5 活性炭對色度去除效果Fig.5 Removal of chrominance in activated carbon filter

從中試裝置連續(xù)運行的結(jié)果看，膜出水的ρCOD和ρBOD5很低，活性炭過濾柱的進出水的COD和BOD5差異不大，可見，活性炭主要用于保證再生水的色度滿足要求，同時也可說明活性炭的使用壽命遠高于常規(guī)深度工藝.此外活性炭濾柱中的微生物代謝和反沖洗作用能夠在一定程度上實現(xiàn)活性炭再生，還可進一步延長其使用壽命.一般地，飲用水的活性炭濾池的活性炭壽命可達到3～5年.生活污水采用MBR處理，膜出水后如果接活性炭過濾時，活性炭的使用壽命取決于活性炭的總過濾水量和過濾速率，若采用常規(guī)過濾方式，其壽命應(yīng)可達到2～3年.生活污水采用MBR處理后的出水如活性炭過濾會增加投資費用和運行費用，工程應(yīng)用時可設(shè)置超越管，根據(jù)膜出水的色度和有機物去除效果選擇是否運行活性炭濾池，從而降低運行費用.

2.4 紫外聯(lián)合氯消毒裝置運行效果

殺滅再生水水中的細菌、大腸桿菌和蟲卵可以有效控制回用過程中可能帶來的健康風(fēng)險［16］.化學(xué)消毒難以殺滅的病原體采用紫外線消毒，大都能在幾秒或幾十秒內(nèi)殺滅［17］.為保證再生水的水質(zhì)穩(wěn)定，紫外線消毒后加次氯酸鈉消毒.表1和圖6反映了紫外化合氯消毒效果.

表1 系統(tǒng)不同階段出水的細菌、大腸桿菌總數(shù)變化Tab.1 Changes of total bacteria and E－coli on different stages 個·mL－1

圖6 紫外線消毒后投加不同濃度次氯酸鈉后的水中余氯變化趨勢Fig.6 Changes of residual chlorine with different sodium hypochlorite dosing quantities

從表1可以看出，MBR出水的細菌含量在夏季比秋季高，活性炭具有滋生細菌的作用.與細菌相比，大腸桿菌的個體較大，大約為0.5～3.0μm，超濾纖維膜孔徑為0.02μm，對其有明顯的截留作用，膜出水中基本不含大腸桿菌.紫外線的照射劑量為25～38mJ·cm－2，出水無大腸桿菌檢出，偶爾會出現(xiàn)少量細菌，其細菌殺滅率、大腸桿菌殺滅率均達到99%以上.張永吉、王俊嬌等［18－19］研究認為，水質(zhì)條件良好的情況下，紫外劑量為10mJ·cm－2時即可滿足細菌滅活效果.現(xiàn)場中試紫外消毒裝置連續(xù)運行7 500h之后紫外光強度仍未出現(xiàn)衰退，運行結(jié)束后檢查發(fā)現(xiàn)石英套管表面也未出現(xiàn)結(jié)垢及藻類滋生現(xiàn)象.由此表明，MBR出水以及活性炭出水對于濁度和有機物的截留、去除作用減輕了紫外消毒裝置的維護和清洗費用.

雖然紫外線具有較強的殺菌能力，但是其殺菌沒有延時性，無法保證出水在管網(wǎng)中的生物安全性，因此在紫外消毒裝置之后必須輔以加氯裝置.由圖6可以看出，在紫外線消毒裝置后的出水中按照4～5 mg·L－1有效氯投加時，30min后中水的總余氯質(zhì)量濃度高于1.0mg·L－1，2h后中水的總余氯（用以代表管網(wǎng)末端）仍超過0.5mg·L－1，滿足雜用水和景觀用水的要求.

2.5 居住區(qū)污水不同收集方式對比分析

居民區(qū)生活污水混合收集處理和灰水單獨收集處理的工藝流程分別為：混合污水—格柵—調(diào)節(jié)池—AO－MBR—活性炭濾柱—紫外加氯—中水儲水池—中水供水管網(wǎng)；收集管網(wǎng)—灰水—格柵—調(diào)節(jié)池—MBR—紫外加氯—中水儲水池—中水供水管網(wǎng).對于居民區(qū)污水不同收集方式的處理回用成本分析，涉及工藝參數(shù)計算，均參照中試結(jié)果，兩者thr分別為8h和4h，總曝氣需求量分別為13.3和10.5m3·min－1；關(guān)于居民區(qū)模型、處理水量、構(gòu)筑物構(gòu)造、設(shè)備選型、安裝以及其他工程費用均按照相同方式計算［10］.

其投資運行費用如表2所示.居民區(qū)生活污水混合收集的中水系統(tǒng)無需單獨設(shè)置分類收集管網(wǎng)，相比較灰水單獨收集方式，節(jié)省了管網(wǎng)費用.處理系統(tǒng)投資費用主要包括構(gòu)筑物投資和設(shè)備購置、安裝費用，兩種收集方式相差不大.由于灰水水質(zhì)優(yōu)良，污染物濃度低，且不含病原微生物，灰水生化處理的停留時間比混合污水短，無需脫氮除磷，反應(yīng)池體積相應(yīng)減小，但是由于灰水水量變化大、不穩(wěn)定，設(shè)計調(diào)節(jié)池體積較大，而混合污水處理工藝需要增加活性炭濾池，兩者構(gòu)筑物投資估算的差別并不大.至于設(shè)備選型與處理量相關(guān)性較高，受水質(zhì)影響較小，故設(shè)備費用也基本相同.從運行成本來看，不含折舊費灰水處理系統(tǒng)的運行費用僅需0.92元·m－3，而生活污水混合收集處理的運行費用為1.24元·m－3，比前者高0.32元·m－3；算上折舊費之后由于管網(wǎng)費用所占比例較大，兩者運行費用相當，分別為3.06和3.07元·m－3，處理灰水所體現(xiàn)的經(jīng)濟性優(yōu)勢并不明顯，但相比較目前全國大中型城市的水價仍有優(yōu)勢.中水回用所體現(xiàn)經(jīng)濟效益不僅僅節(jié)省了自來水使用費，還減少了排污費用.由于目前自來水費是將清潔水費和排污費合并收取，如果對于使用中水回用的家庭不收取或者少收取排污費用，則中水回用的經(jīng)濟效益更加顯著

表2 污水不同收集方式的回用成本Tab.2 Treatment costs of different collective model

灰水水質(zhì)較好、處理難度小，中水回用系統(tǒng)工藝簡單，造價低，運行成本低，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，但是需要單獨鋪設(shè)灰水收集管道.生活污水混合收集的污染物濃度高，且含有病原微生物，中水回用系統(tǒng)工藝更復(fù)雜，運行成本高，但是不需要單獨鋪設(shè)收集管道，其水量充足穩(wěn)定，回用比例高，除回用以外還可以補充景觀用水.因此，在小區(qū)實際選擇回用方式時不僅僅要考慮經(jīng)濟性，還需要結(jié)合小區(qū)用水量、處理標準、地區(qū)雨水量以及當?shù)卣叩雀鞣矫嬉蛩鼐C合考慮.

3 結(jié)論

（1）AO－MBR組合工藝對居民區(qū)混合污水具有良 好 的 去 除 效 果，MBR 出 水 的ρCOD，ρBOD5，ρ（NH3－N）、濁度分別降低至30，3，3.0和0.03mg·L－1以下，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到城市雜用水標準.

（2）以化糞池出水作為中水回用水源采用AOMBR處理，生物脫氮除磷的碳源不足.模擬化糞池進水作為中水回用水源，當ρCOD∶ρTN∶ρTP為63∶13∶1時，MBR出水的ρTN穩(wěn)定于15.0mg·L－1以下；投加聚合鋁后，出水ρTP降至0.5mg·L－1以下，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到景觀用水標準.

（3）MBR出水采用活性炭過濾可以進一步去除微量有機物，確保出水的色度低于20度，但活性炭出水存在細菌滋生現(xiàn)象，且投資運行費用有所增加.紫外線消毒的劑量為25～38mJ·cm－2時，對細菌、大腸桿菌殺滅率均達到99%以上；進一步投加有效氯4～5mg·L－1，30min后總余氯質(zhì)量濃度超過1.0mg·L－1，可在一定時間內(nèi)控制再生水的微生物再生長.

（4）居民區(qū)以灰水作為水源深度處理回用的運行費用比混合收集處理低0.32元·m－3，但是生活污水混合收集具有水量穩(wěn)定、節(jié)省收集管網(wǎng)費用等特點.在保證回用水水質(zhì)的前提下，可根據(jù)地區(qū)實際情況選擇不同的生活污水收集和回用模式.

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