A²/O—MBR城市生活污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行特性

郝鵬鵬

摘要：以北京市某再生水廠為例，分析了A2/O-MBR工藝長達(dá)240 d的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，研究了該工藝處理城市生活污水的運(yùn)行特性。結(jié)果表明，該工藝運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對各種污染物都具有良好的處理效果，參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，出水中的化學(xué)需氧量（CODCr）、生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的達(dá)標(biāo)率分別為99.6%、100.0%、100.0%、90.3%、96.5%，基本達(dá)到回用水的要求；在實際運(yùn)行中可采取預(yù)處理、優(yōu)化操作條件和化學(xué)清洗等措施有效地控制膜污染；該工藝電耗約0.51 kW·h/m3，藥劑消耗約21 g/m3。

關(guān)鍵詞：A2/O-MBR工藝；運(yùn)行特性；城市生活污水

中圖分類號：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）05-1020-04

Operation Characteristics of A2/O-MBR Municipal Domestic Wastewater Treatment System

HAO Peng-peng

（Department of Environmental Engineering， School of Safety and Environmental Engineering， Capital University of Economics and Business， Beijing 100070， China）

Abstract： Based on the analysis of practical operation data in 240 d， the operation characteristics of A2/O-MBR process in a reclaimed water plant in Beijng were studied. The results were as follows. The whole system was stable and had strong anti-shock loading capability. The process had high removal rates of various pollutants. According to “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant（GB 18918-2002）”， the up-to-standard rate of CODCr， BOD5， NH3-N， TN and TP was 99.6%， 100.0%， 100.0%， 90.3% and 96.5% respectively， which preliminarily met the requirements of reclaimed water. During the actual operation of A2/O-MBR process， membrane fouling could be effectively controlled by the measures of pretreatment， optimization of operation conditions， chemical cleaning， and so on. In this plant， power consumption and medicament consumption were approximately 0.51 kW·h/m3 and 21 g/m3， respectively.

Key words： A2/O-MBR process； operation characteristics； municipal domestic wastewater

近年來，水資源匱乏已成為制約中國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。中國人口眾多，人均水資源占有量僅為2 300 m3，不足世界人均水資源占有量的1/4[1]。此外，中國水資源分布不均，水環(huán)境污染較為嚴(yán)重，水資源利用效率偏低，這些都加劇了水資源短缺問題的嚴(yán)峻性。目前，中國已被聯(lián)合國列為13個水資源貧乏的國家之一[2]。

為解決水資源緊缺的問題，污水再生利用技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝（A2/O工藝）難以同時滿足高效脫氮除磷的要求。而膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor，MBR）[3，4]是將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)器有機(jī)結(jié)合的污水凈化系統(tǒng)，由膜過濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)污水處理技術(shù)中的二沉池進(jìn)行泥水分離，同時曝氣池中活性污泥濃度也大大提高，具有運(yùn)行穩(wěn)定、處理效率高、出水水質(zhì)好、流程簡單、占地面積少、易于操作管理、可自動化控制等優(yōu)點，經(jīng)處理的城市生活污水可用于農(nóng)業(yè)灌溉、綠化灌溉、車輛沖洗、道路沖洗、城市消防等。目前，運(yùn)用MBR技術(shù)處理并再利用污水的研究越來越趨于成熟[5-8]。在中國，MBR工藝在水資源再生利用方面已經(jīng)逐步被推廣應(yīng)用[9-12]。本研究以北京市某再生水廠的A2/O-MBR工藝（即將傳統(tǒng)的A2/O工藝與MBR工藝結(jié)合）為例，研究了該工藝在處理城市生活污水時的處理效果、膜污染、電能消耗與藥劑消耗等運(yùn)行特性，為該工藝的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程介紹

1.1 工藝流程

北京市某再生水廠占地面積2.4 hm2，該廠采用A2/O-MBR工藝。原水首先經(jīng)過粗格柵去除大漂浮物，再經(jīng)過6 mm細(xì)格柵和曝氣沉沙池去除較大顆粒雜質(zhì)和漂浮物，然后經(jīng)過精細(xì)格柵（共2道轉(zhuǎn)鼓格柵：3 mm濾孔型細(xì)格柵和0.75 mm精細(xì)膜格柵）去除毛發(fā)纖維等雜質(zhì)后進(jìn)入生物處理階段，最終出水經(jīng)臭氧接觸消毒后回用或排放至受納水體，剩余污泥輸送至污泥濃縮池和勻質(zhì)池，經(jīng)重力濃縮后使用離心脫水機(jī)處理，泥餅外運(yùn)進(jìn)行無害化處置，具體工藝流程見圖1。

1.2 設(shè)計參數(shù)

試驗設(shè)計規(guī)模為40 000 m3/d，設(shè)計水溫為12～30 ℃，總泥齡15～30 d，污泥負(fù)荷為0.038 kg（BOD5）/[kg（MLSS）·d]，各處理池的主要設(shè)計參數(shù)與膜參數(shù)見表1、表2。

1.3 進(jìn)水和出水的水質(zhì)設(shè)計

該廠主要處理對象為城市生活污水，進(jìn)水、出水的水質(zhì)設(shè)計見表3，設(shè)計的出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)，滿足回用水的基本要求。

2 A2/O-MBR工藝對廢水的處理效果

2.1 有機(jī)物的去除

膜的截留作用延長了污泥停留時間，使系統(tǒng)保持高濃度的活性污泥，有利于專性細(xì)菌的培養(yǎng)，提高了系統(tǒng)的生化效率和降解能力，并使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。運(yùn)行期間，系統(tǒng)對CODCr具有良好的去除效果（圖2），進(jìn)水濃度波動大（140.0～1 380.0 mg/L），平均值（503.7 mg/L）超出設(shè)計值12%，但出水CODCr始終保持穩(wěn)定（8.3～54.0 mg/L），平均值（25.5 mg/L）遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率93.5%，達(dá)標(biāo)率99.6%。此外，在日常出水的檢測中BOD5也一直穩(wěn)定低于4 mg/L，達(dá)標(biāo)率100.0%。

2.2 氮的去除

與傳統(tǒng)二級處理工藝相比，膜系統(tǒng)可截留世代周期較長的硝化菌，硝化效果好。如圖3所示，進(jìn)水NH3-N濃度范圍為11.1～108.0 mg/L，平均值（24.6 mg/L）低于設(shè)計值18%；出水NH3-N濃度穩(wěn)定，平均值（0.7 mg/L）遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；平均去除率為96.9%，處理達(dá)標(biāo)率為100.0%。

除啟動初期外，系統(tǒng)的反硝化效率一直保持較高水平。良好的硝化和反硝化效果、較高的污泥濃度、穩(wěn)定的回流比例和充足的進(jìn)水碳源都是使系統(tǒng)能夠高效脫氮的有利因素。如圖4所示，進(jìn)水TN的平均值為46.2 mg/L，與設(shè)計值相當(dāng)；出水TN的平均值為11.6 mg/L，低于設(shè)計值。在進(jìn)水TN波動較大（18.1～165.0 mg/L）的情況下，系統(tǒng)對TN的平均去除率為72.8%，處理達(dá)標(biāo)率為90.3%。

2.3 磷的去除

該工藝采用生物除磷輔助化學(xué)除磷，化學(xué)除磷藥劑為聚氯化鋁（PAC），除磷效果如圖5所示。進(jìn)水TP的平均值為7.4 mg/L，與設(shè)計值相當(dāng)；出水TP的平均值為0.22 mg/L，低于設(shè)計值；系統(tǒng)對TP的平均去除率為96.4%，處理達(dá)標(biāo)率為96.5%。

3 膜污染及控制措施

在膜系統(tǒng)處理污水的過程中不可避免地會產(chǎn)生膜污染。隨著污染的發(fā)展，跨膜負(fù)壓會逐漸升高，如果不加以控制，最終會導(dǎo)致跨膜負(fù)壓的突然躍升，造成系統(tǒng)停機(jī)。膜污染的發(fā)展過程分為3個階段：第一階段為因膜孔堵塞、被動吸附而引起的初始污染；第二階段為因大分子物質(zhì)、膠體附著而引起的緩慢污染；第三階段為因固體污泥沉積而引起的快速污染。在膜系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，一般將膜污染控制在第二階段，避免第三階段情況的發(fā)生，即快速的污泥顆粒沉積導(dǎo)致膜材料表面污泥堆積、板結(jié)，失去過濾性能。為控制膜污染，該工程主要采取以下措施。

1）預(yù)處理措施。該工程預(yù)處理措施比較完善，主要為4級格柵過濾和曝氣沉沙池系統(tǒng)，可有效地截除進(jìn)水中的大尺寸顆粒物和沙粒、油脂等，防止其對膜系統(tǒng)造成損害。

2）優(yōu)化操作條件。主要包括間歇抽吸、控制污泥濃度、控制膜運(yùn)行通量等措施。①間歇抽吸。該工程采取間歇抽吸（處理7 min，停止1 min）的運(yùn)行模式，系統(tǒng)停止抽吸后，跨膜壓差消失，膜表面污染物反向擴(kuò)散速率加快，膜表面附近流體對沉積物的去除效果加強(qiáng)，有效地減緩了顆粒物在膜表面積累的速度。②控制污泥濃度。污泥濃度過高時粘度會迅速升高，膜過濾性能會變差，造成污泥顆粒累積，形成快速污染。為有效控制由此引發(fā)的膜污染，該工程控制膜池中的污泥濃度不超過12 g/L。③控制膜運(yùn)行通量。控制膜運(yùn)行通量是控制膜污染、保證膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在一個完整的運(yùn)行周期內(nèi)，應(yīng)保證膜組件的運(yùn)行通量不超過臨界通量，避免因膜表面泥餅層的淤積所導(dǎo)致的快速膜污染。該工程采用跨膜負(fù)壓超高報警系統(tǒng)，在日常運(yùn)行過程中密切關(guān)注跨膜負(fù)壓的增長速率，當(dāng)其超過設(shè)定值時，系統(tǒng)報警并停機(jī)，安排操作人員進(jìn)行原因排查，避免了嚴(yán)重膜污染情況的發(fā)生。此外，該工程采用恒通量出水模式，不會發(fā)生瞬時和局部膜通量過高的情況，有效地控制了膜污染增長速率，使膜通量長期保持較高水平，延長了膜的清洗周期，降低了運(yùn)行費(fèi)用。

3）化學(xué)清洗措施。化學(xué)清洗包括在線化學(xué)清洗和離線化學(xué)清洗。①在線化學(xué)清洗。在線化學(xué)清洗主要根據(jù)污染類型和污染程度確定清洗的類型和強(qiáng)度。膜污染分為有機(jī)污染和無機(jī)污染兩種類型。有機(jī)污染是由污泥混合液中的膠體物質(zhì)、溶解性物質(zhì)附著在膜表面和堵塞在膜孔內(nèi)而造成的膜污染，是膜污染的主要組成部分。在非低溫季節(jié)，每周進(jìn)行一次低濃度次氯酸鈉溶液（500～1 000 mg/L）的在線清洗，每4周進(jìn)行一次高濃度次氯酸鈉溶液（3 000 mg/L）的在線清洗，有效地控制了有機(jī)污染的積累。無機(jī)污染是在膜過濾過程中由于濃差極化的作用，膜表面的無機(jī)鹽濃度升高，當(dāng)超過其溶度積時，在膜表面析出、結(jié)垢，形成了污染層。每月進(jìn)行一次2%檸檬酸的在線清洗可有效控制無機(jī)污染的發(fā)展。②離線化學(xué)清洗。離線化學(xué)清洗一般每年進(jìn)行一次。方法是將膜組器完全脫離膜池，進(jìn)行離線的檢查、清理，以完全去除其表面和內(nèi)部的各類污染物質(zhì)。

4 電能消耗與藥劑消耗

本研究估算了直接運(yùn)行成本中的電能消耗與藥劑消耗2項，其他項目如設(shè)備維修、水質(zhì)檢測、人工管理、污泥處置等與實際情況相關(guān)性很大，在此不做統(tǒng)計分析。

1）電能消耗。該工藝的電耗約0.51 kW·h/m3，電耗成本約0.40元/m3，與傳統(tǒng)污水深度處理工藝（二級生物處理工藝后進(jìn)行混凝、沉淀、過濾單元處理）相比略高。

2）藥劑消耗。該工藝消耗的藥劑主要為膜清洗藥劑、除磷藥劑、碳源藥劑。膜清洗藥劑一般為固定周期、固定濃度使用，其成本相對固定。除磷藥劑和碳源藥劑一般根據(jù)進(jìn)水的水質(zhì)、水量情況，在充分利用生物脫氮除磷能力的基礎(chǔ)上調(diào)整其投加量。經(jīng)估算，該工藝的藥劑消耗約21 g/m3，藥劑消耗成本約0.08 元/m3。

5 結(jié)論

A2/O-MBR城市生活污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行特性如下。

1）該系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對城市生活污水的處理效果好。在長達(dá)240 d的運(yùn)行過程中，出水水質(zhì)基本達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)，滿足污水回用要求。

2）膜污染的發(fā)展過程包括初始污染、緩慢污染、快速污染3個階段。在實際運(yùn)行過程中，通過采取預(yù)處理、優(yōu)化操作條件和化學(xué)清洗等措施有效地將膜污染控制在緩慢污染階段，避免了快速污染情況的發(fā)生，保障了整個膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3）該系統(tǒng)電耗約0.51 kW·h/m3，電耗成本約0.40元/m3；藥劑消耗約21 g/m3，藥劑消耗成本約0.08元/m3。

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