MBR工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

王鴻遠(yuǎn), 陳子愛, 潘 科, 施國中

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所， 四川 成都 610041)

我國農(nóng)村每年產(chǎn)生的生活污水量約為70億噸，占全國污水排放總量的50%以上。但我國農(nóng)村污水處理率僅為13%～34%，而城市污水處理率達91.97%[1]。農(nóng)村生活污水氮磷含量高，COD含量低，屬于低碳氮比污水，并具有排放點分散、水質(zhì)水量變化大的特點，而且許多地區(qū)并不具備管網(wǎng)收集系統(tǒng)。截至2020年3月，已經(jīng)近30個省市自治區(qū)發(fā)布了地方性的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染排放標(biāo)準(zhǔn)，對農(nóng)村生活污水處理提出了更嚴(yán)格的要求。

與傳統(tǒng)的活性污泥法和生物膜法等工藝相比，MBR工藝是一種新興的工藝。膜生物反應(yīng)器(MBR)是以傳統(tǒng)活性污泥法為主體的生物處理技術(shù)與以超濾或微濾為主體的固液分離技術(shù)的有機結(jié)合，它的主要特點是利用膜組件代替了傳統(tǒng)活性污泥法中末端的二次沉淀池。由于MBR技術(shù)的獨特優(yōu)勢，大多數(shù)MBR工藝可以獲得相當(dāng)穩(wěn)定的處理性能；膜的高效分離也為MBR工藝提供了良好的抗沖擊的能力。

1 MBR工程的主流工藝——A2O-MBR

在生活污水處理領(lǐng)域，MBR工程所采取的主流工藝為厭氧/缺氧/好氧-膜生物反應(yīng)器(A2O-MBR)工藝及其變形，以適應(yīng)生活污水處理中同步生物脫氮除磷的要求，它是一種常用的二級污水處理技術(shù)。謝晴[2]等在四川農(nóng)村地區(qū)示范點運行A2/O-MBR一體化設(shè)施出水中COD，BOD5，氨氮，TP濃度分別為21.4，4.6，0.24，0.42 mg·L-1，糞大腸菌群濃度為916個·L-1，SS未檢出。黃正文[3]等采用一體式A/O-MBR處理農(nóng)村污水出水的CODcr，氨氮，SS平均值分別為17.13，1.38，3.31 mg·L-1。陳欣儀[4]等發(fā)現(xiàn)倒置A2/O-MBR工藝可解決農(nóng)村水體黑臭問題，試驗中當(dāng)水處理量為0.75 m3·h-1，HRT=15.5 h時，系統(tǒng)對有機物、氨氮、TN和TP去除率分別達到84.90%，96.42%，30.22%和47.75%。

2 適用于農(nóng)村地區(qū)的一體化設(shè)施

農(nóng)村生活污水一般呈粗放型排放，排放收集體制不健全。我國村莊污水收集率僅為10%[5]。農(nóng)村生活污水處理設(shè)施主要有人工濕地(潛流式和表面流)、生態(tài)塘、生物滴濾、一體化MBR設(shè)備等方案。人工濕地適合在有充足土地資源和一些氣溫變化不大的南方地區(qū)。污水一體化設(shè)備具有占地面積小、處理負(fù)荷大、分散性好、施工方便等優(yōu)點，目前鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水治理總體朝一體化設(shè)備方向發(fā)展。目前針對農(nóng)村污水的一體化MBR實驗的處理效果如表1所示。

表1 MBR一體化設(shè)施處理農(nóng)村生活污水的出水效果

3 組合工藝的研究

除了A2O-MBR 之外，MBR經(jīng)常與其他污水處理工藝聯(lián)用，結(jié)合MBR和其他技術(shù)的優(yōu)點達到更好的效果。裴亮[12]等采用MBR-AOP工藝處理農(nóng)村污水，其中高級氧化工藝(AOP)把MBR出水經(jīng)過光電化學(xué)反應(yīng)激活分子，同時產(chǎn)生氧化能力極強的羥基自由基，降解水中的難氧化物質(zhì)，脫色除味和滅菌,結(jié)果表明，該工藝處理農(nóng)村生活污水，對CODCr，BOD5，氨氮和濁度的平均降解率分別為96.4%，95.1%，94.3%和99.1%，且出水中未檢測出懸浮物和大腸菌群。

吳召富[14]等采用淹沒式生物膜-穩(wěn)定塘組合技術(shù)處理農(nóng)村生活污水研究，利用穩(wěn)定塘進一步提高出水水質(zhì)和實現(xiàn)污水資源化，用于綠化、農(nóng)田灌溉等。系統(tǒng)對COD,氨氮,TN和TP的平均去除率分別為84.33%,97.02%,80.18%和77.34%，出水平均濃度分別為14.88，1.06，9.92，0.53 mg·L-1。穩(wěn)定塘中藻類、微生物等進一步降解剩余氨氮，提高出水水質(zhì)。

劉璐[15]等采用多介質(zhì)膜生物反應(yīng)器-復(fù)合人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水中試試驗，整個系統(tǒng)在冬季對于SS平均去除率達90%;COD的平均去除率達55%;對氨氮，TN，TP的平均去除率分別為75%,42%,30%。

4 強化脫氮除磷的研究

4.1 強化脫氮研究進展

盡管MBR技術(shù)在處理廢水方面體現(xiàn)了獨特優(yōu)勢，但為了適應(yīng)日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)或回用標(biāo)準(zhǔn)，如何提高MBR的處理效果，仍是眾多研究學(xué)者的關(guān)注點。除了通過改變水力停留時間、曝氣量等操作條件外，通過在反應(yīng)器內(nèi)添加填料，生物促進劑、無機混凝劑或有機混凝劑等均能有效提高膜生物反應(yīng)器處理效果。黃正文[3]采用了A/0-MBR系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水，在對氨氮的去除上，發(fā)現(xiàn)整個污水處理系統(tǒng)總?cè)コ屎蜕锓磻?yīng)器的去除率沒有很大的差別。因此膜的分離、截留作用對氨氮的去除并無太大的貢獻，對含氮有機物的去除主要是微生物新陳代謝的作用。

MBR的膜截留作用使硝化菌能夠在較短的HRT條件下在MBR內(nèi)生存繁殖，從而使得反應(yīng)器內(nèi)NH3-N的去除效率通常能在90%以上，但對TN的去除效果不理想。通過在MBR中增加厭氧段或按照A/O工況運行，TN的去除效率可以提高至60%～80%。如果裝置中沒有設(shè)置嚴(yán)格的缺氧段來強化其脫氮效果，則反硝化效果不明顯，TN的去除率隨進水波動大[8]。張麗麗[16]等發(fā)現(xiàn)前置式反硝化系統(tǒng)可達到較好地去除有機物和氮的目的,其中水力停留時間為影響硝化作用的重要參數(shù)。

農(nóng)村污水普遍存在C/N比偏低的問題，嚴(yán)重制約了脫氮效率，出水總氮往往不能達標(biāo)。應(yīng)對的措施為節(jié)約碳源好氧消耗、增加內(nèi)源碳利用(提高回流比)，或者投加外部碳源[17]。李紅瑛[18]研究發(fā)現(xiàn)相比膜截留，微生物對氨氮的去除起著主導(dǎo)作用;但因為碳源不足，硝化效果良好,但反硝化效果欠佳。陳欣儀[4]研究發(fā)現(xiàn)由于在低碳源條件下，缺氧池的反硝化作用不徹底，系統(tǒng)在最優(yōu)運行條件時，對總氮去除率僅有34.13%。

唐舒雯[19]等探究了陶瓷膜生物反應(yīng)器強化脫氮除磷所需的最佳操作參數(shù)，認(rèn)為優(yōu)化回流比為200%，好氧池HRT為4h，DO濃度為2.00 mg·L-1，陶瓷膜生物反應(yīng)器脫氮效果顯著提高，TN去除率可達69.39%，平均出水濃度為12.52mg·L-1，滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 強化除磷研究進展

影響系統(tǒng)生物除磷效果的主要原因可能包括以下兩方面：一是缺氧池反硝化脫氮過程消耗系統(tǒng)內(nèi)大量碳源，導(dǎo)致后續(xù)單元碳源減少，不利于聚磷菌進行有效除磷。二是厭氧池內(nèi)高濃度硝酸鹽對聚磷菌釋磷的過程產(chǎn)生一定的影響。可通過縮短泥齡來強化系統(tǒng)除磷的效果。當(dāng)MBR工藝污泥齡較長、生物除磷不足以滿足要求時，往往輔以化學(xué)除磷。比如在MBR中投加鋁鹽和鐵鹽等無機化學(xué)混凝劑改變混合液特性。

控制污泥齡是MBR去除磷的重要手段，但是MBR系統(tǒng)如果為了保證反應(yīng)裝置中足夠的微生物量，采用無排泥方式運行，對磷的去除則幾乎無法實現(xiàn)[3]。劉強[20]等發(fā)現(xiàn)污泥齡對有機物去除效果、硝化效果和脫氮除磷效果有重要影響。

陸繼來[21]等采用投加聚合氯化鐵并控制泥齡為20 d的方法進行A/O-MBR同步生物脫氮與化學(xué)除磷,在聚合氯化鐵投量(以全鐵計)為10～15 mg·L-1的條件下,對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別達到86.2%,98.8%,52%和91%。

唐舒雯[19]等利用粉煤灰多孔填料對污水中的磷進行吸附去除，在水力負(fù)荷0.33 m3·d-1條件下，TP去除率可達90.90%，平均出水濃度為0.42 mg·L-1。

與傳統(tǒng)工藝相比，盡管MBR脫氮除磷工藝尚不成熟，但采用MBR工藝對現(xiàn)有的污水處理廠進行提質(zhì)改造，可增加處理水量，并提高COD、氮和磷的去除。

5 膜清洗的研究

MBR運行過程中膜污染不可避免，需要對膜進行清洗和反沖洗?；瘜W(xué)清洗使用的清洗劑一般分為4類：酸(如HCl)、堿(如NaOH)、氧化劑或消毒劑(如NaOCl或H2O2)、表面活性劑和絡(luò)合劑等。只有當(dāng)膜受到嚴(yán)重污染時，才進行異位化學(xué)清洗。與此相反，原位化學(xué)清洗，如維護清洗、就地清洗(CIP)和化學(xué)強化反沖洗(CEB)，具有更多的優(yōu)點：在不拆卸膜組件的情況下恢復(fù)膜的滲透性，降低清洗頻率。盡管化學(xué)方法可以有效地清除膜污染，但是其可能會破壞膜組件的完整性，影響微生物的生存能力且產(chǎn)生化學(xué)廢液等。在對膜進行清洗時，要根據(jù)自身需求選擇清洗方式，在恢復(fù)膜通量的同時，盡量保證膜的使用壽命。

郭浩[8]等在試驗中每10 d對膜組件進行反沖洗，結(jié)果表明經(jīng)過反沖洗后的膜組件，膜通量可以維持在35 L·m-2·h-1以上，跨膜壓力可保證在0.02 MPa以下。裴亮[12]等發(fā)現(xiàn)采用地下水反沖洗、弱酸洗、弱堿洗可分別使膜通量恢復(fù)至新膜的66%，89%和84%。于玉彬[10]等發(fā)現(xiàn)農(nóng)村污水中膜污染類型主要為微生物有機物污染，試驗中通過500 mg·L-1NaClO和0.5%NaOH混合進行在線恢復(fù)性化學(xué)清洗時，基本可以確保膜性能100%恢復(fù)。

6 適用于農(nóng)村地區(qū)的新型膜材料

除了傳統(tǒng)的膜材料之外，一些成本低，操作簡單，適用于人口稀少的農(nóng)村地區(qū)的膜材料被開發(fā)出來。Wang等以尼龍網(wǎng)為過濾材料出處理低強度生活污水(平均進水COD=145.7±59.9mg·L-1)。在HRT=5h時，COD和氨氮的去除率分別為86.3%和98.1%。污泥濃度為4.15±0.15g·L-1，這種網(wǎng)狀過濾器MBR成本低、簡單高效，有在人口稀少地區(qū)的應(yīng)用潛力[23]。Ren等使用非織造布濾袋(NFFB)作為膜生物反應(yīng)器，通過重力進行膜過濾，無需抽吸泵。由于F/M比低(0.04～0.10 kgBOD5·m-3·d-1)沒有多余污泥。反硝化作用發(fā)生在生物被膜層，以恢復(fù)堿度，從而消除了補充堿度的需要。該系統(tǒng)操作簡單，成本低，是人口稀少地區(qū)污水處理的一個解決方案[24]。

7 總結(jié)和展望

MBR應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理具有出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定，剩余污泥少，占地面積小，可去除難降解有機物，易于自動控制等優(yōu)點,在生活污水處理中，MBR的主流工藝為厭氧/缺氧/好氧-膜生物反應(yīng)器(A2O-MBR)工藝，主要是通過一體化設(shè)施來應(yīng)用，在排放要求較嚴(yán)格時，MBR可以通過結(jié)合多種工藝、調(diào)整流程，添加化學(xué)藥劑等方式實現(xiàn)脫氮除磷，以達到更好的水處理效果。目前限制MBR工藝主要問題有膜污染和高能耗，MBR若要更廣泛地應(yīng)用，在以上兩個問題的研究上應(yīng)當(dāng)有所突破。