MBR工藝處理城市污水的中試研究

王素蘭，于 潔，胡 猛，邢傳宏

(1.鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南鄭州450001;2.輝縣市環(huán)境保護局，河南輝縣453007)

0 引言

近幾年來，膜生物反應器作為一種處理效果好、可持續(xù)發(fā)展的新型城市污水處理技術，得到越來越廣泛的應用［1-2］.與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，膜生物反應器技術具有獨特的優(yōu)點:①膜生物反應器代替了沉淀池，使膜池內具有高污泥濃度，并形成局部缺氧環(huán)境有利于同步硝化反硝化，而且降低了工藝對空間的要求［3］;②去除懸浮物和膠體物質的同時，還能去除重金屬、微生物、細菌、病毒等物質，從而提高了出水水質［1］;③剩余污泥產率降低［4-6］.

目前，國內外學者對膜生物反應器工藝的脫氮除磷效果進行了大量研究.MinGu Kim［7］、黃霞［8］、吳念鵬［9］等對膜脫氮除磷工藝進行了研究，出水 TN、TP濃度可達到 GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準.Khac-Uan Do等［10］在減少剩余污泥排放的基礎上研究膜生物反應器的脫氮除磷效果，但TN去除率為60% ～62%，TP去除率僅為38% ～40%.

為此，本試驗以沉砂池出水為研究對象，采用A2/O-MBR組合工藝，對混合型城市污水進行中試研究，考察了該工藝的脫氮除磷效果，試驗歷時3個月，試驗期間減少對剩余污泥的排放.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與流程

A2/O-MBR工藝的試驗裝置見圖1所示.

圖1 A2/O-MBR工藝試驗裝置圖Fig.1 Experimental setup chart of A2/O-MBR process

本試驗裝置由厭氧池、缺氧池、好氧池組成，容積分別為200、75、300 L.厭氧池與缺氧池設為一體，中間設有隔板但底部相通，厭氧池內設攪拌器，攪拌葉輪設于底部，側壁下部設進水管，上部設厭氧出水管與缺氧池下部相連.缺氧池上側壁設有集水槽，連接缺氧出水管與好氧池相接，下部設氣管進行攪拌.好氧池內設有導流隔板，一側放入膜組件，膜組件底部設有曝氣裝置，底部接有排泥管.好氧池混合污泥回流至缺氧池內.試驗中用蠕動泵控制進、出水流量以及回流流量，缺氧池至好氧池間的流動主要依靠液位差進行控制.

試驗中膜組件采用的膜材料為耐生物降解的聚偏氟乙烯(PVDF)，膜孔徑為0.2 μm，膜面積為5.0 m2.

1.2 試驗用水和接種污泥

試驗在鄭州市某城市污水處理廠進行，試驗進水為該廠二期沉砂池出水，經高位水箱提升后進入試驗裝置.設計進水流量為41.7 L·h-1，厭氧池、缺氧池、好氧池的水力停留時間分別為4.0，1.5，6.0 h，好氧池至缺氧池的設計回流比為200%.進水水質特征見表1.

表1 水質特征Tab.1 Influent quality

試驗接種污泥取自該污水處理廠二沉池的回流污泥.

1.3 試驗監(jiān)測指標及方法

監(jiān)測指標包括:溫度、DO，PH，COD，TP，TN，NH3-N，MLSS等指標.其中，溫度、DO，pH 3 個指標每隔一天測定一次，COD，TP，TN，NH3-N，MLSS五個指標每隔兩天測定一次.

COD，TP，TN，NH3-N 指標采用哈希 DR2800便攜式分光光度計測定;DO，pH指標分別采用哈希sension6 DO儀、哈希 sension1 pH儀測定;MLSS依據(jù)水與廢水監(jiān)測分析方法(第四版)中的標準方法測定［11］.

2 結果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除效果分析

系統(tǒng)對COD的去除效果見圖2所示.試驗運行穩(wěn)定后，第一次監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間取為第1 d.

由圖可知，試驗期間，進水COD濃度在131～1 637 mg·L-1之間波動，變化范圍較大，但出水基本低于50 mg·L-1，只有8月21日、9月23日等共6 d出水COD略高于50 mg·L-1，可見系統(tǒng)具有較強的耐沖擊負荷能力.膜孔徑為0.2 μm，對膠體和顆粒狀態(tài)的 COD去除效果明顯［12］，與傳統(tǒng)工藝相比，膜的截留作用進一步提高了出水水質，出水COD的平均濃度為28.24 mg/L，平均去除率為93.04%，最高去除率可達99.8%.

圖2 COD濃度及去除率隨時間的變化圖Fig.2 Variation of COD concentration and removal rate with time

分析計算可得，COD主要在厭氧池內得到大量去除，其次是好氧池.厭氧池中COD大量減少除了被厭氧或兼性微生物利用之外，可能部分被污泥絮體吸附［13］.厭氧池、缺氧池、好氧池(包含膜組件的作用)對COD的去除貢獻依次為:55%，4%，41%.

2.1.2 TP去除效果分析

系統(tǒng)對TP的去除效果見圖3所示.

圖3 TP濃度及去除率隨時間的變化圖Fig.3 Variation of TP concentration and removal rate with time

由圖知，試驗期間，進水總磷濃度維持在1.67～21.7 mg·L-1之間，出水基本低于0.5 mg·L-1，只有8月19日、9月10日等共5 d由于未及時排泥出水總磷略高于0.5 mg·L-1.在基于污泥減排的基礎上，出水總磷的平均濃度為0.28 mg·L-1，平均去除率可達95.10%，取得了良好的除磷效果，這是本系統(tǒng)的優(yōu)勢所在.

分析計算可得，TP主要在好氧池內得到大量去除，其次是缺氧池.缺氧池中TP減少，B表明缺氧池內存在反硝化除磷作用.好氧池內TP去除量最多，符合生物除磷過程的一般規(guī)律，包括聚磷菌的吸磷作用，也可能存在同步硝化反硝化作用.另外，膜分離可以去除不易通過重力分離去除的細小磷酸鹽沉淀或膠體磷，對更好的降低出水磷的濃度起到了一定的作用，這也是MBR工藝在強化除磷方面的優(yōu)勢［8］，好氧池以及膜組件的共同作用對總磷的去除率可達73%.

2.1.3 TN去除效果分析

系統(tǒng)對TN的去除效果見圖4所示.

圖4 TN濃度及去除率隨時間的變化圖Fig.4 Variation of TN concentration and removal rate with time

由圖知，試驗期間，進水總氮濃度維持在10～70 mg·L-1之間，變化范圍較大，但出水基本低于15 mg·L-1，只有8月19日、9月25日等共5 d出水總氮略高于15 mg·L-1.出水總氮的平均濃度為9.51 mg·L-1，平均去除率為74.59%.可能由于好氧池內具有較高的DO(試驗期間，好氧池內平均DO濃度為3.82 mg·L-1，池內最高DO可達5.85 mg·L-1)，回流時提高了溶解氧對污泥絮體的穿透力，卻也破壞了厭氧微環(huán)境使好氧段產生過多的硝酸鹽積累，使出水中氮的含量升高［14］，但試驗期間基本達到預期脫氮目的.

分析計算可得，TN主要在厭、缺氧池內得到大量去除，厭缺氧一體池為主要的脫氮單元，主要通過反硝化作用，可去除68%的總氮.好氧池內有氮的去除作用，可能存在同步硝化反硝化.膜的截留作用也起到了一定的脫氮效果.

2.1.4 NH3-N去除效果分析

系統(tǒng)對NH3-N的去除效果見圖5所示.

由圖知，試驗期間，進水氨氮濃度維持在6.7～42.6 mg·L-1之間，只有8月19、9月25日等共4 d由于好氧池內DO控制不當(DO＜1 mg·L-1)使出水氨氮略高于5 mg·L-1，其余天出水都低于5 mg·L-1，試驗過程中較高的曝氣量和較高的污泥濃度為硝化過程創(chuàng)造了良好的條件［15］，系統(tǒng)硝化作用較為完全.出水氨氮的平均濃度為1.69 mg·L-1，平均去除率為93.70%.

圖5 NH3-N濃度及去除率隨時間的變化圖Fig.5 Variation of NH3-N concentration and removal rate with time

氨氮主要在好氧池內通過硝化作用得到去除，好氧池內消化作用以及膜組件作用可分別去除氨氮70%，11%.缺氧池也可去除一部分氨氮，可能是回流液中攜帶溶解氧的緣故.其中，厭氧池內氨氮量增加，主要是因為進水中有機氮通過氨化作用轉化為氨氮.

2.2 MLSS的變化

圖6表示了各反應器MLSS的變化.

圖6 各反應器內污泥濃度的變化圖Fig.6 Variation of MLSS in different unit

各反應池的平均污泥濃度分別為厭氧池12.65 g·L-1、缺氧池 8.46 g·L-1、好氧池6.82 g·L-1，三池平均污泥濃度為9.31 g·L-1.相對于傳統(tǒng)的A2/O工藝，該工藝的平均污泥濃度要高的多，這為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保證.試驗期間，出水MLSS幾乎為0.

3 結論

(1)A2/O-MBR組合工藝對混合型城市污水具有良好的脫氮除磷效果.系統(tǒng)正常運行情況下，TN、TP、COD、NH3-N 的平均去除率分別為74.59%，95.10%，93.04%，93.70%，平均出水濃度分別為9.51，0.28，28.24 和 1.69 mg·L-1，各指標出水均優(yōu)于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準.

(2)該工藝中COD主要去除單元為厭氧池，對COD的去除率占總去除率的55%;TP的主要去除單元為好氧池和膜組件，對TP的去除率占總去除率的73%;TN主要去除單元為厭氧池和缺氧池，對TN的去除率占總去除率的68%;NH3-N的主要去除單元為好氧池和膜組件，對NH3-N的去除率占總去除率的81%.

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