序批式膜生物反應(yīng)器附加吸附除磷組合工藝的運(yùn)行優(yōu)化

王煊博，吳志超，梅曉潔，王巧英

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

膜生物反應(yīng)器（MBR）是膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)相結(jié)合的污水處理工藝。由于膜的引入，省去了傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，實(shí)現(xiàn)了水力停留時間（HRT）與污泥齡（SRT）的分離，具有出水水質(zhì)好、占地面積小、污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn)［1］。目前MBR技術(shù)在污廢水處理與回用方面得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。

序批式活性污泥法（SBR）是一種按間歇曝氣方式來運(yùn)行的活性污泥處理技術(shù)，主要特點(diǎn)是在運(yùn)行上的有序和間歇操作［5］，該技術(shù)集均化、初沉、生物降解、沉淀等功能于一體，無污泥回流系統(tǒng)，具有投資成本低、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、脫氮除磷效果好以及操作靈活等優(yōu)點(diǎn)［6-7］。

序批式膜生物反應(yīng)器（SBR-MBR）是序批式活性污泥法與膜生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的工藝［8］，既保留了SBR工藝簡單、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)以及操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時結(jié)合了MBR工藝出水水質(zhì)好、占地面積小的優(yōu)勢，并通過HRT和SRT的徹底分離，能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度和較低的產(chǎn)泥率［9-11］。此外，由于膜的引入，有利于世代周期較長的硝化菌和亞硝化菌的生長與富集，可進(jìn)一步提升脫氮效果［7］。

SBR-MBR組合工藝可通過調(diào)節(jié)缺氧和好氧的時間比來實(shí)現(xiàn)污水的深度脫氮，然而這一工藝在生物除磷方面存在瓶頸。為達(dá)到出水的深度除磷，一種基于給水廠絮凝污泥的新型吸附材料被開發(fā)，該吸附材料具有比表面積大、吸附容量高、生產(chǎn)成本低以及原料來源廣等優(yōu)點(diǎn)，將其用于SBR-MBR工藝的尾水處理，可以對出水總磷進(jìn)行深度脫除。因此，本文采用SBR-MBR附加吸附除磷組合工藝對實(shí)際生活污水進(jìn)行處理，試驗(yàn)考察了組合工藝的膜運(yùn)行特性、污染物去除效果，探討了吸附除磷柱的最佳工藝參數(shù)，以期為分散式污水的高效、集約化處理提供可行的技術(shù)路線。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

SBR-MBR附加吸附除磷組合工藝流程如圖1所示。試驗(yàn)裝置由兩部分組成，主體工藝為SBRMBR一體化裝置，有效體積為0.135 m3；裝置內(nèi)平行放置了6片PVDF平板膜（上海子征環(huán)?？萍加邢薰荆?，膜孔徑為 0.2 μm，膜總有效面積為1.44 m2，膜運(yùn)行通量為 15 L ／（m2·h），膜組件下方設(shè)有穿孔曝氣管，曝氣強(qiáng)度為 0.75 m3／（m2·min）（按投影面積計）。系統(tǒng)運(yùn)行模式為序批式，具體流程為：進(jìn)水—缺氧靜置—好氧曝氣—出水。為提高處理效率，結(jié)合膜的運(yùn)行特點(diǎn)，試驗(yàn)設(shè)置在缺氧時進(jìn)水，好氧曝氣時出水，省去進(jìn)水和靜置的時間。各段時間設(shè)置為：缺氧60 min，好氧90 min，一個周期的運(yùn)行時間為2.5 h，主體工藝的HRT為14 h，SRT設(shè)置為35 d。反應(yīng)器污泥取自已穩(wěn)定運(yùn)行的MBR裝置，在此工況啟動前，SBR-MBR反應(yīng)器已以O(shè)MBR方式運(yùn)行了幾個月。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Diagram of the Process

附加工藝為吸附除磷柱，吸附柱高為1.25 m，內(nèi)徑為10 cm，有效容積為10 L。吸附柱內(nèi)裝填吸附材料，裝填密度為500 kg／m3。吸附柱從底部進(jìn)水，上部出水，為了支撐填料同時避免填料的流失，進(jìn)水口鋪設(shè)80目不銹鋼絲網(wǎng)。

1.2 試驗(yàn)進(jìn)水

試驗(yàn)進(jìn)水為曲陽水質(zhì)凈化廠沉砂池出水，其水質(zhì)如表1所示。接種污泥取自試驗(yàn)基地穩(wěn)定運(yùn)行的中試MBR裝置。

表1 進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent Quality

1.3 除磷吸附材料

除磷吸附材料由自來水廠脫水污泥制造而成，污泥取自上海市某自來水廠，該廠采用硫酸鋁和聚丙烯酰胺為混凝劑。污泥樣品經(jīng)風(fēng)干后粉碎，再過80目篩網(wǎng)，后經(jīng)造粒機(jī)擠出成型，在30℃下干化4 h，得到吸附顆粒，其物化性質(zhì)如表2所示。

表2 除磷填料參數(shù)Tab.2 Parameters of the Packings for Phosphorus Removal

1.4 吸附除磷運(yùn)行工況探究

為確定吸附除磷裝置的最佳操作條件，如上升流速、HRT等，本試驗(yàn)開展了以下批次試驗(yàn)。為避免進(jìn)水磷濃度對吸附效率的影響，吸附柱進(jìn)水采用KH2PO4配水，TP 濃度為 5 mg／L。

（1）不同上升流速的影響：采用蠕動泵進(jìn)水，分別設(shè)置 4、2、0.6、0.3 L ／h 的流量進(jìn)水，模擬上升流速為 0.7、1.4、4.6、9.2 cm／min 條件下吸附柱的運(yùn)行情況。

（2）HRT的影響：首先設(shè)置進(jìn)水流量在1 L／h的條件下，在填料高度為 10、20、30、40、60、80、100、120 cm處取樣；再設(shè)定進(jìn)水流量為4 L／h，在填料高度為 10、20、30、40、60、80、100 cm 處取樣。得到 HRT介于0～48 min的14組工況。本試驗(yàn)通過模擬不同HRT的運(yùn)行條件，探究HRT與吸附除磷效率的關(guān)系。

1.5 試驗(yàn)分析方法

針對SBR-MBR附加吸附除磷組合工藝，試驗(yàn)定期取樣測定主體工藝和附加工藝的進(jìn)出水水質(zhì)，取樣點(diǎn)有進(jìn)水原液、濾液，SBR-MBR出水，以及吸附柱進(jìn)出水，測定指標(biāo)有化學(xué)需氧量（CODCr）、總氮（TN）、總磷（TP）以及氨氮等常規(guī)指標(biāo)，水質(zhì)測定參照標(biāo)準(zhǔn)方法［12］，每2～4 d進(jìn)行一次測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR-MBR運(yùn)行情況

2.1.1 膜運(yùn)行情況

圖2為SBR-MBR系統(tǒng)跨膜壓差的變化。由圖2可知，SBR-MBR共運(yùn)行了126 d，跨膜壓差在0～90 d內(nèi)上升平緩，在90 d后，跨膜壓差迅速增加，于126 d時達(dá)到27.8 kPa，預(yù)示著膜運(yùn)行周期結(jié)束。SBR-MBR系統(tǒng)中跨膜壓差的增長分為兩階段：第一階段為緩慢發(fā)展階段（0～90 d），跨膜壓差在較長時間內(nèi)緩慢增長，污染速率為0.06 kPa／d；第二階段為迅速上升階段（90～126 d），跨膜壓差在短時間內(nèi)快速增長，污染速率為 0.60 kPa／d。SBR-MBR系統(tǒng)中跨膜壓差的增長曲線符合傳統(tǒng)MBR跨膜壓差增長的兩階段理論［13］。

圖2 SBR-MBR膜運(yùn)行情況Fig.2 Membrane Performance of SBR-MBR System

2.1.2 CODCr的去除效果

圖3為SBR-MBR進(jìn)出水CODCr濃度的變化。由圖3可知，在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的126 d內(nèi)，出水CODCr比較穩(wěn)定，CODCr濃度穩(wěn)定在 40 mg／L以下，平均值為 23±9 mg／L，CODCr去除率達(dá) 92%，說明SBR-MBR工藝有很好的CODcr去除效果。相比于傳統(tǒng)的 SBR 工藝［14］，SBR-MBR工藝在CODCr去除方面更有優(yōu)勢。

圖3 主體工藝進(jìn)出水CODCr情況Fig.3 Performance of CODCrRemoval of SBR-MBR System

2.1.3 氮的去除效果

（1）TN的去除

圖4（a）為系統(tǒng)進(jìn)水及SBR-MBR出水的總氮濃度變化情況。由圖4（a）可知，SBR-MBR工藝在經(jīng)歷了12 d的工況啟動期后（圖上灰色區(qū)域），出水總氮趨于穩(wěn)定，反應(yīng)器進(jìn)入穩(wěn)定階段。在第13～126 d 的運(yùn)行期內(nèi)，出水 TN 為 8.48±2.37 mg／L，去除率達(dá)77%。反應(yīng)器有較好的脫氮效果，一方面是SBR-MBR的間歇曝氣使硝化（好氧階段）和反硝化（缺氧階段）過程交替進(jìn)行，并且在缺氧階段進(jìn)水，為反硝化菌提供了充足的碳源，保證了一定的反硝化速率［15-16］。另一方面，膜的截留作用使出水水質(zhì)進(jìn)一步提高。

圖 4 主體工藝對 TN（a）（b）的去除情況Fig.4 Performance of TN （a）and （b）Removal of SBR-MBR System

2.1.4 TP 的去除

圖5為系統(tǒng)進(jìn)水及SBR-MBR出水TP的濃度變化情況。由圖5可知，SBR-MBR出水TP為1.18±0.41 mg／L，平均去除率為 73%。SBR-MBR對磷的去除主要通過反應(yīng)器內(nèi)的污泥對顆粒以及溶解態(tài)磷的吸附而去除。盡管SBR-MBR對TP有一定的去除效果，但其出水仍然無法達(dá)到城市污水廠一級排放標(biāo)準(zhǔn)，因此本試驗(yàn)在SBR-MBR工藝后設(shè)置了吸附除磷柱作為附加工藝，針對SBR-MBR出水進(jìn)行深度脫除磷。

2.2 附加吸附除磷工藝探究

2.2.1 吸附除磷運(yùn)行條件探究

（1）上升流速對吸附效果的影響研究

試驗(yàn)探究了上升流速對吸附除磷效果的影響，設(shè)定了四個流速，分別為 0.7、1.4、4.6、9.2 cm／min，測定不同流速下TP的磷吸附率，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，磷吸附率在運(yùn)行的480 min內(nèi)，隨著運(yùn)行時間而逐漸降低。對比不同上升流速下磷吸附率隨運(yùn)行時間的曲線，可知上升流速越小，磷吸附率越大。由曲線的斜率變化可知，吸附過程分為兩個階段：快速吸附階段和吸附穩(wěn)定階段，在快速吸附階段（0～104 min），吸附柱中的磷迅速被吸附，表現(xiàn)為磷吸附率在開始階段快速降低，而后趨于穩(wěn)定。當(dāng)上升流速為 4.6、9.2 cm／min 時，磷吸附率隨時間的延長下降較快，穩(wěn)定磷吸附率分別為10%、20%；當(dāng)上升流速為1.4 cm／min時，吸附柱的去除率穩(wěn)定在60%；而當(dāng)上升流速為0.7 cm／min時，磷吸附率達(dá)到80%以上，除磷效果較好。上升流速為0.7 cm／min吸附柱的去除效果最佳，但上升流速與吸附停留時間成反比，低吸附流速雖然能保證高吸附率，但也意味著需要更長的HRT，單位水量需要更大的吸附柱體積，相當(dāng)于降低了填料吸附容量利用率，增加了占地面積，降低了吸附效率。試驗(yàn)中吸附除磷裝置進(jìn)水為SBR-MBR工藝出水，出水TP為1.2 mg／L，而吸附除磷裝置出水需要達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)（0.5 mg／L），吸附除磷裝置的磷吸附率需要達(dá)到58%以上，考慮到占地面積因素，設(shè)計吸附柱運(yùn)行時間需要＜40 min，因此，建議設(shè)計上升流速為1.4～4.6 cm／min。

圖6 不同吸附流速的磷吸附率比較Fig.6 Comparison of Phosphorus Absorption Rate under Different Volumes

（2）吸附柱停留時間探究

吸附柱停留時間的探究設(shè)置了0～48 min的14組停留時間，分別測定在不同吸附時間下的磷吸附率，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，吸附柱的磷吸附效率隨HRT的增加而逐漸提升，先經(jīng)歷一個快速吸附過程，再進(jìn)入去除率平緩上升的階段。停留時間為1 min時就已經(jīng)去除了進(jìn)水TP的40%；停留時間在24 min時，TP吸附率已到80%；在隨后的24 min內(nèi)，TP去除率增長緩慢。

綜合吸附上升流速和HRT對吸附除磷效果的試驗(yàn)結(jié)果，考慮附加工藝的占地面積和處理效率，在后續(xù)的連續(xù)流吸附試驗(yàn)中采用吸附停留時間為40 min，空床流速為 2.5 cm／min。

圖7 不同HRT下的磷吸附率比較Fig.7 Comparison of Phosphorus Absorption Rate under Different HRT

2.2.2 吸附除磷裝置對磷的去除

圖8為吸附除磷裝置進(jìn)出水TP濃度及其去除率。由前述分析可知，SBR-MBR主體工藝可去除73%的 TP，出水 TP 平均值為 1.18±0.41 mg／L。主體工藝的出水進(jìn)入吸附柱后，TP進(jìn)一步被去除，由圖8可知，吸附柱進(jìn)一步去除16%的磷，則組合工藝的 TP去除率為 89%，系統(tǒng)出水 TP為 0.48±0.08 mg／L，達(dá)到城市污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

吸附除磷顆粒飽和吸附容量可達(dá)16.56 mg／g［17］，據(jù)此可估算本工藝中吸附除磷裝置的更換周期為1年。吸附飽和后的除磷顆粒有潛力作為一種環(huán)保的土壤改良劑，可以實(shí)現(xiàn)除磷顆粒的資源化利用，避免二次污染。

圖8 吸附除磷柱進(jìn)出水TP情況Fig.8 Influent and Effluent TP of Phosphorus Adsorption Column

3 結(jié)論

（1）采用 SBR-MBR附加吸附除磷組合工藝處理實(shí)際生活污水。SBR-MBR主體工藝共運(yùn)行了126 d，出水 CODCr、TN的濃度分別為23±9、8.48±2.37 mg／L 和 1.64±1.15 mg／L，去除率分別為92%、77%和95%，優(yōu)于城市污水廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）開發(fā)了一種基于給水廠絮凝污泥的新型吸附除磷材料，30℃下2 h的吸附容量為11 mg／g。在本研究中，吸附柱的設(shè)計參數(shù)建議：空床流速在1.4～4.6 cm／min，HRT 在 24 min 以上。

（3）在磷去除方面，SBR-MBR主體工藝可去除73%的磷，出水 TP 為 1.18±0.41 mg／L。吸附除磷柱在空床流速為2.5 cm／min、HRT為40 min的條件下，進(jìn)一步去除了16%的磷，整套工藝的總磷去除率達(dá) 89%，系統(tǒng)出水 TP 為 0.48±0.08 mg／L，達(dá)到城市污水廠污染物一級A排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2016）。

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