基于MBR的一體化處理裝置在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用研究進展

李云　李松　劉平　王琛　劉勇麗　王斌　陳盛

摘要 綜述了一體化污水處理裝置，重點介紹了基于MBR的一體化處理裝置核心技術(shù)工藝;概述了MBR工藝的研究現(xiàn)狀，以及A/O-MBR、A2O-MBR、FMBR及其他MBR核心工藝的一體化處理裝置在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀;最后對基于MBR的一體化處理裝置今后研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞 一體化污水處理裝置;農(nóng)村污水;膜生物反應(yīng)器（MBR）;應(yīng)用

中圖分類號 X 703文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）23-0044-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.010

Research Progress of Application of MBR-based Integrated Treatment Device in Rural Sewage Treatment

LI Yun， LI Song， LIU Ping et al

（Technical Centre for Ecology and Environment of Soil，Agriculture and Rural Areas，Ministry of Ecology and Environment，Beijing 100012）

Abstract This paper summarized the integrated wastewater treatment device，focusing on the core technology of the integrated treatment device based on MBR.The research status of MBR process was briefly summarized，and the application status of integrated treatment units of A/O-MBR，A2O-MBR，F(xiàn)MBR and other MBR core processes in rural wastewater treatment was introduced.Finally，the future research direction of MBR based integrated wastewater treatment device was prospected.

Key words Integrated wastewater treatment device;Rural wastewater;MBR;Application

農(nóng)村生活污水治理是全面建設(shè)綠色宜居新農(nóng)村的重要內(nèi)容，關(guān)系到廣大農(nóng)民的獲得感和幸福感，黨和國家對此高度重視。近年來，國家出臺了一系列政策。2018年1月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《中共中央國務(wù)院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》，提出“加強農(nóng)村突出環(huán)境問題綜合治理”。2月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》（以下簡稱《行動方案》），提出“梯次推進農(nóng)村生活污水治理。根據(jù)農(nóng)村不同區(qū)位條件、村莊人口聚集程度、污水產(chǎn)生規(guī)模，因地制宜采用污染治理與資源利用相結(jié)合、工程措施與生態(tài)措施相結(jié)合、集中與分散相結(jié)合的建設(shè)模式和處理工藝。”2018年9月住建部和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合頒布了《關(guān)于加快制定地方農(nóng)村生活污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的通知》，各地正式啟動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。截至目前，全國有29個?。ㄊ校┮呀?jīng)發(fā)布農(nóng)村污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)正式稿或征求意見稿，強化了農(nóng)村污水管控和治理。一體化處理裝置由于具有占地面積小、出水水質(zhì)好、易維護等優(yōu)勢，在分散式農(nóng)村污水處理中受到廣泛關(guān)注。筆者綜述了MBR一體化處理裝置的研究及其在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為農(nóng)村污水治理模式及技術(shù)選擇提供決策參考。

1 一體化農(nóng)村污水處理裝置

目前農(nóng)村污水處理有3種模式，即接入城鎮(zhèn)污水處理管網(wǎng)、集中處理和分散處理。由于我國農(nóng)村面大地廣，各種地理地勢條件差別較大，從國家層面開始重視分散式農(nóng)村污水處理模式，建議對人口較少、居住分散、不宜建設(shè)管網(wǎng)的村莊，可以建成分散式污水處理設(shè)施。農(nóng)村地區(qū)污水常見的分散式農(nóng)村生活污水處理工藝包括化糞池、人工濕地、生態(tài)濾池、土壤滲濾、穩(wěn)定塘、小型一體化設(shè)施等[1]。針對不同進水條件及出水要求，有時單一生物或生態(tài)處理不好，往往將生物工藝或生態(tài)工藝結(jié)合，或多級串聯(lián)，提高污水處理效能。常規(guī)生物處理或生態(tài)處理也存在一些問題，如易堵塞、占地面積大、污染物去除效果有限、運行維護有難度等。

小型一體化處理裝置由較為成熟的生化處理技術(shù)組合而成，將預(yù)處理、生物處理、深度處理、沉淀及消毒等工藝集成到一個反應(yīng)器，具有占地面積小、污水處理效率高、出水穩(wěn)定、運行成本低、易管理等優(yōu)點，在農(nóng)村地區(qū)分散式污水處理中應(yīng)用較廣泛。目前一體化污水處理裝置核心處理工藝或技術(shù)主要有A/O、MBR、MBBR及其他組合工藝。

1.1 A/O工藝

A/O一體化裝置包括厭氧-好氧一體化反應(yīng)器、厭氧-接觸氧化一體化等。A/O工藝多采用推流式或往復(fù)式結(jié)構(gòu)，污水依次經(jīng)過厭氧段、好氧段，部分好氧污水回流至厭氧段，不需要額外增加碳源即可完成反硝化反應(yīng)。該工藝耐沖擊能力強，能很好地去除總氮和總磷，出水水質(zhì)好，易管理。

1.2 MBR工藝

膜生物反應(yīng)器（MBR）是將傳統(tǒng)活性污泥法與膜分離技術(shù)結(jié)合的一種處理技術(shù)。膜一方面起到全部截留活性污泥微生物的作用，提高活性污泥濃度，替代了原有二沉池的功能，減少占地面積，另一方面可以更高效地截留懸浮物，對懸浮物去除效果好。MBR耐沖擊負(fù)荷能力強，基本無污泥膨脹問題，剩余污泥量小，降低成本[2-3]。

1.3 MBBR工藝

移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）是從意大利引進的一種微動力、低能耗技術(shù)，主要由反應(yīng)器主體、旋切式微泡曝氣機和懸浮生物填料幾部分組成。反應(yīng)器投加高性能填料，密度比水小，處理污水時呈懸浮狀態(tài)。填料上供微生物附著生長，形成高效生物膜，提高污水處理效率。通過曝氣，懸浮填料在反應(yīng)器中摩擦和碰撞，降低溶氧氣泡大小，提高氧氣利用率，降低曝氣能耗[4]。但MBBR工藝相比于MBR或A2O，對P的去除較差，需要輔助其他方法除磷。

2 基于MBR的一體化污水處理裝置

由于一體化MBR工藝出水效果好、占地面積小、運行維護簡單等優(yōu)點，目前在我國農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用較多。在普通MBR工藝基礎(chǔ)上，近年來不斷開發(fā)出強化脫氮除磷一體化MBR工藝，如間歇循環(huán)活性污泥（ICAS）-MBR、MUCT-MBR和Post-反硝化膜反應(yīng)器（DNMBR）等[5]。接下來重點介紹常見的基于MBR的一體化污水處理裝置情況，主要模式包括A/O-MBR、A2O-MBR、FMBR及其他組合工藝等。

2.1 A/O-MBR

將膜組件加入A/O反應(yīng)器中，替代二沉池節(jié)省了占地面積。2種工藝的結(jié)合進行互補，膜的加入提高了反應(yīng)器中的污泥濃度，A/O工藝的反硝化預(yù)處理能提高MBR反硝化能力。A/O-MBR或者多級A/O-MBR一體化裝置通過排泥達到除磷目的，但該工藝整體反硝化除磷能力有待提升，當(dāng)對出水總磷要求較高時需要輔助化學(xué)除磷[6]。

2.2 A2O-MBR

A2O-MBR反應(yīng)器被分隔成4個區(qū)，分別是厭氧池、兼氧池、好氧池和MBR池（圖1），工藝流程依次是進行微生物系統(tǒng)的氨化和厭氧釋磷、反硝化、硝化和污泥吸磷，是目前較成熟的一種一體化污水處理技術(shù)，有機物去除效率高，脫氮除磷效果好[8]。

2.3 FMBR

兼氧MBR（FMBR）創(chuàng)造兼氧條件，培育大量兼氧復(fù)合菌群，降解污水中的污染物，結(jié)合MBR過程，能實現(xiàn)有機污泥基本零排放、氣化除磷和同步脫氮（圖2）。該工藝設(shè)備建設(shè)及運行簡單，運行成本低，且低碳節(jié)能，在我國農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用較多[9]。

3 MBR一體化裝置研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外針對MBR研究主要集中在新型膜材料的選擇、膜材料制備優(yōu)化、膜污染控制、模擬優(yōu)化等方面。

3.1 膜材料

膜材料是膜性能的重要載體。選擇及制備合適的膜材料，可以增加污染物截留率，提高膜的抗污染性能，擴大適用范圍。

Etemadi等[10] 將PP/TiO2新材料應(yīng)用到MBR中處理含油污水，研究發(fā)現(xiàn)納米材料制備的MBR膜抗污染性能顯著提高。Pirsaheb等[11] 利用親水性聚硅氧烷（PC-A）納米粒子和聚醚砜（PES）設(shè)計并制備了新型納米復(fù)合超濾膜，研究表明，0.5%的PC-A改性的超濾膜具有較高的純水通量，改性膜親水性強，具有較高的抗污染性能，適用于MBR。Pandiyan等[12] 采用磺化功能化TiO2NPs和TiO2NPs（STiO2）制備改性超濾膜，提高膜抗污染性能的同時擬降低納米粒子的抗菌活性，降低對MBR中細(xì)菌和微生物群落生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)，PES-TiO2和PES-STiO2納米復(fù)合膜在細(xì)菌細(xì)胞活力試驗中顯示出95%的抗菌活性，適用于MBR材料。

3.2 膜污染研究及控制

膜污染是限制MBR應(yīng)用的最主要問題之一[13]，在污水處理系統(tǒng)中長期存在，會降低膜的水通量，從而要求進行頻繁化學(xué)清洗，不利于膜壽命保持。因此研究膜污染問題及控制策略對于提高MBR使用壽命、降低成本具有非常重要的意義。

有很多學(xué)者研究通過向MBR中添加填料的方式降低膜污染[14-15]。填料具有吸附和混凝特性，吸附作用降低了附著和進入膜孔的物質(zhì)濃度，混凝作用增強了污泥的沉降性能。大量研究表明，填料的加入延長了膜過濾周期，改善了臨界通量和污泥特性，能減輕膜污染，但針對不同吸附劑需要優(yōu)化添加量及曝氣強度。楊會會等[16]考察了O3和PAC投加對MBR膜污染及污泥混合液特性的影響，結(jié)果表明，O3和PAC能有效吸附降低混合液中EPS和SMP濃度，改變了膜表面由EPS和SMP形成的凝膠層性質(zhì)，減緩了膜污染。

宋先慶等[17]研究了A/O-MBR一體化裝置中4種不同孔徑PVDF內(nèi)襯膜對膜污染的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有孔徑的膜在MBR系統(tǒng)中濾餅層和凝膠層污染比例均大于80%，表明在實際使用過程中應(yīng)該重點控制濾餅層和凝膠層的污染。Gao等[18]研究了一體化A/O-MBR中微生物群落結(jié)構(gòu)特征，基于微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝產(chǎn)物分析結(jié)果表明微生物群落演替可能是導(dǎo)致代謝產(chǎn)物不同的主要因素，也可能是導(dǎo)致膜污染的主要原因;研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)微生物群落均勻度較低時，膜污染較輕，均勻度較高膜污染較嚴(yán)重。

3.3 模擬優(yōu)化

通過優(yōu)化工藝參數(shù)、曝氣強度和周期、膜清洗方式等提高MBR污染物處理效果[19-20]。近些年越來越多的研究學(xué)者采用模型軟件，實現(xiàn)工藝優(yōu)化、膜污染控制和成本降低的目標(biāo)。肖昂[21]采用BioWin模擬軟件對一體化A2O-MBR反應(yīng)器進行工藝模擬優(yōu)化研究，建立了出水水質(zhì)、總建設(shè)成本和運行成本的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并通過多目標(biāo)之間的權(quán)重設(shè)定，最終實現(xiàn)了綜合優(yōu)化。曹迎晨等[22]通過計算流體力學(xué)（CFD）分析MBR平板膜中氣泡的水力學(xué)特征，以達到優(yōu)化膜組件運行的目的，研究表明，平板膜中使用7 mm的膜間距能增強膜表面剪切力，起到適當(dāng)降低膜污染的作用。Schmitt等[23] 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測A/O-MBR膜污染情況，建立了相關(guān)模型，結(jié)果表明，模型與實際擬合度能達到0.85，能很好地預(yù)測該系統(tǒng)中膜污染情況。

4 MBR一體化裝置在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

Faria等[24]采用厭氧混合污泥床和膜生物反應(yīng)器EGSB-MBR工藝來去除生活污水中的持久性污染物，如普瑞德尼松、非諾貝特、倍他米松和氯雷他定等藥物，結(jié)果表明，該系統(tǒng)對幾種藥物的去除率大于84%，對COD的去除率達到98%以上。

Wang等[25]設(shè)計了A2O-MBR系統(tǒng)處理某社區(qū)生活污水和雨水，結(jié)果表明，COD負(fù)荷、BOD/COD和COD/TN比例是影響污染物去除的關(guān)鍵因素，低溫條件下，膜污染加劇;經(jīng)過一年多的運行和調(diào)試，該系統(tǒng)對COD、BOD5、TN、TP的去除率分別達83.7%、91.6%、69.0%和74.5%，出水能達到景觀用水回用標(biāo)準(zhǔn)和直接排放標(biāo)準(zhǔn)，投資和運行成本約0.406美元/t水;該系統(tǒng)能實現(xiàn)約60%回用，該技術(shù)在集中農(nóng)村社區(qū)污水處理及循環(huán)利用中具有技術(shù)和經(jīng)濟的可行性。楊衛(wèi)等[26]采用倒置A2O-MBR一體化裝置處理太湖流域某農(nóng)村生活污水，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)進水比例為7∶3，膜池污泥齡為15 d，連續(xù)運行情況下對COD、BOD5、NH3-N、SS的去除率分別達92%、96%、95%和97%，TN和TP去除率分別為71%和88%，能達到設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)（一級A標(biāo)準(zhǔn)），工程運行費用0.9元/m3。謝晴等[7]在四川德陽市某農(nóng)村開展了A2O-MBR一體化工藝生活污水（含廁所廢水）處理示范研究，該系統(tǒng)采用了改性超濾膜，在傳統(tǒng)A2O-MBR設(shè)備基礎(chǔ)上集成了“超聲波在線膜清洗技術(shù)”和“PLC自動控制及遠(yuǎn)程控制”，示范研究表明，該系統(tǒng)出水能穩(wěn)定達到GB 18918—2002中一級A標(biāo)準(zhǔn)，每年還能產(chǎn)生回用水1 825 m3進行農(nóng)田灌溉和漁業(yè)養(yǎng)殖等，環(huán)境效益和社會效益較好。

梁珊等[27]采用氧化溝/MBR一體化裝置（圖3）處理村鎮(zhèn)生活污水，膜區(qū)采用的是聚偏氟乙烯中空纖維膜，為了保證除磷效果，采用投加硫酸亞鐵輔助除磷;經(jīng)過3個月的連續(xù)運行，該裝置在水力停留時間13.62 h、污泥齡30 d，進水COD、BOD5、NH3-N、TN、TP濃度分別為345.5、212.6、28.9、44.1和4.5 mg/L條件下，出水TP能達到一級B標(biāo)準(zhǔn)（投藥能達到一級A標(biāo)準(zhǔn)），其他指標(biāo)穩(wěn)定達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

郭海林等[28]設(shè)計了A/O-MBR一體化裝置處理山東某餐飲、沖廁和洗滌農(nóng)村生活污水;MBR區(qū)回流比為3∶1，膜通量12.5 L/（m2·h），膜池在運行時采用氣體增強吹掃和反洗來延緩膜污染;整套裝置采用模塊化設(shè)計，應(yīng)用PLC+觸摸屏自動控制運行;工程實際運行表明，在進水COD、BOD5、NH3-N、SS濃度分別為367.5、200.0、27.1和143.6 mg/L情況下，出水濃度能分別達45.5、6.0、3.4和1.1 mg/L，達到設(shè)計出水標(biāo)準(zhǔn)。付麗霞等[29]設(shè)計了一體化水解酸化-接觸氧化-MBR反應(yīng)器在實驗室條件下處理農(nóng)村生活污水，水解酸化與生物接觸氧化反應(yīng)器由PVC制成，膜生物反應(yīng)器為中空纖維膜，膜過濾時間和反沖洗時間分別是100和4 min;經(jīng)過污泥馴化和系統(tǒng)進水調(diào)試，該系統(tǒng)運行90 d后，出水COD、NH3-N、SS和TP能達到DB 13/2171—2015一級A標(biāo)準(zhǔn)和GB 18918—2002 中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備運行穩(wěn)定。

5 建議

我國農(nóng)村水污染防治底子薄，農(nóng)村面廣、基數(shù)大、相對經(jīng)濟基礎(chǔ)差，專業(yè)技術(shù)人員較缺乏，要結(jié)合農(nóng)村實際氣候、地理、經(jīng)濟、土地、運維管理、污水排放標(biāo)準(zhǔn)及去向等問題綜合考慮治理技術(shù)及設(shè)備。從實際應(yīng)用案例來看，基于MBR的一體化處理裝備由于具有設(shè)備集中、占地面積小、抗沖擊負(fù)荷、出水水質(zhì)好、穩(wěn)定、運行管理方便、能耗低等多方面的優(yōu)勢，在農(nóng)村生活污水處理方面受到廣泛關(guān)注。未來，基于MBR的一體化設(shè)備在以下幾個方面要繼續(xù)開展深入的研究：①高性能膜材料的研究及制備，提高對新型、持久性、微量污染物的截留率，進一步保證出水水質(zhì);強化膜的抗污染性能，延長膜的使用壽命，降低成本。②從理論層面到工藝控制策略等方面全面深入研究膜污染機理、形成機制及控制對策。③真正高效、投資小、運行費用低、易管護的MBR與其他工藝高度集成的一體化裝置的研發(fā)。④MBR一體化裝置長效運行及管護機制研究，保證裝置能長期有效的運行，發(fā)揮其功能。

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基金項目 十三五國家重點研發(fā)計劃項目“鄉(xiāng)村廁所系統(tǒng)技術(shù)集成與應(yīng)用”（2018YFD1100505）。

作者簡介 李云（1987—），女，湖北荊州人，副研究員，博士，從事水處理技術(shù)及資源化利用研究。*通信作者，工程師，從事環(huán)境管理工作。

收稿日期 2020-05-05