低溫環(huán)境下A/O/A/O-MBR一體式污水處理技術(shù)應用研究

李春林，范小妮，劉文乾，臧小龍

（青島冠中生態(tài)股份有限公司，山東 青島 266100）

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化迅速推進，水污染日益嚴重。近些年，國家實施多項政策，鼓勵發(fā)展環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)，污水處理行業(yè)快速發(fā)展。其中，缺氧/好氧-膜生物反應器（A/O-MBR）技術(shù)受到廣泛關(guān)注，并逐漸應用于處理城市生活污水和工業(yè)污水。A/O-MBR 技術(shù)是不同污水處理技術(shù)組合而成的新工藝，隨著膜技術(shù)發(fā)展，污水處理工藝不斷改進，將膜生物反應器與常規(guī)脫氮除磷工藝相結(jié)合，可以快速高效實現(xiàn)污水的脫氮除磷。目前，特定條件下，A/O-MBR 技術(shù)對污水中化學需氧量（COD）的去除率為94.5%，總氮（TN）去除率為98.3%。但受到環(huán)境和工藝參數(shù)不匹配的影響，低溫環(huán)境下A/O-MBR技術(shù)的污水處理效果并不好。鄭建國等研究發(fā)現(xiàn)，低溫環(huán)境下，溶解氧（DO）溶度為3～5 mg/L，水力停留時間（）為5 h，污泥回流比為200%時，污水TN 去除率僅為80%左右。何興海等研究指出，DO 濃度控制在6.4～8.2 mg/L，為3～5 h，污泥回流比為100%，TN 去除率可以達到95%。此外，中國北方冬季寒冷，不利于微生物的生化作用，A/O-MBR 技術(shù)達不到良好的處理效果。雖然目前低溫環(huán)境下A/O-MBR 技術(shù)得到廣泛研究，但上述研究局限于實驗室或小型中試條件。

作為一種一體式污水處理技術(shù)，缺氧/好氧-厭氧/好氧-膜生物反應器（A/O/A/O-MBR）技術(shù)是A/O-MBR 技術(shù)的改進工藝。本研究利用A/O/A/O-MBR一體式污水處理技術(shù)，分析了低溫環(huán)境下不同DO 濃度、不同和不同污泥回流比對生活污水COD 和TN 去除效果的影響，探討了其最佳工藝參數(shù)，為北方冬季生活污水處理提供一定參考。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

針對單體辦公建筑的生活污水處理要求，本試驗采用A/O/A/O-MBR 技術(shù)，自行構(gòu)建一體式污水處理設(shè)施（長27 m，寬2.3 m，高2.9 m），其工藝流程如圖1所示。系統(tǒng)包含化糞池、調(diào)節(jié)池、缺氧池、好氧池1、厭氧池、好氧池2、膜生物反應器（MBR）池、二沉池和清水池。該設(shè)施日污水處理量為5～10 m，日進污水量為6 m，試驗季節(jié)為冬季。

圖1 A/O/A/O-MBR 工藝流程

1.2 試驗材料

活性污泥（含水率80%～90%）取自青島市嶗山區(qū)張村污水處理廠。試驗污水為產(chǎn)業(yè)園辦公樓產(chǎn)生的生活污水（含廁所污水、餐飲廢水等），其初始COD 濃度為50～120 mg/L，TN 濃度為20～45 mg/L，pH 為6.8～7.9，外界環(huán)境溫度為0 ℃左右，污水溫度為0～8 ℃。過硫酸鉀、氫氧化鉀、重鉻酸鉀、硫酸亞鐵、鄰苯二甲酸氫鉀、鹽酸、氫氧化鈉和硫酸均購自國藥集團化學試劑有限公司，硝酸鉀標準液購自上海麥克林生化科技有限公司。去離子水利用實驗室超純水儀器制取。所有化學藥品均為分析純。

1.3 試驗方案

本試驗選取3 個影響污水處理效果的參數(shù)，包括DO 濃度、以及污泥回流比，所有試驗均重復兩次以上。一是DO 條件試驗。（6 h）與污泥回流比（100%）保持不變，好氧池DO 含量分別調(diào)為0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L 和8 mg/L，不同DO 條件下，污水處理系統(tǒng)運行6 h 后，清水池取樣。二是條件試驗。保持DO 濃度（6 mg/L）與污泥回流比（100%）不變，污水處理系統(tǒng)的分別調(diào)為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h 和6 h，清水池取樣。三是污泥回流比條件試驗。保持DO 濃度（6 mg/L）與（6 h）不變，污泥回流比分別調(diào)為40%、60%、80%、100%、120%和150%，污水處理系統(tǒng)運行12 h 后，清水池取樣。

1.4 試驗方法

COD 濃度采用重鉻酸鹽法測定；TN 濃度采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定；好氧池污水DO 含量采用溶解氧儀測定；污水處理系統(tǒng)溫度監(jiān)測采用數(shù)顯式溫度計；污水pH 采用pH 計測定。

2 結(jié)果分析

為了解低溫環(huán)境下（室外溫度0 ℃，污水溫度4～15 ℃）不同工藝參數(shù)對生活污水處理效果的影響，本文研究了不同DO 濃度、不同和不同污泥回流比條件下生活污水COD 和TN 的去除率。

2.1 不同DO 濃度對污水COD、TN 去除效果的影響

好氧池DO 濃度是決定污水COD、TN 去除效率的重要因素之一，不同濃度DO 對污水處理系統(tǒng)出水COD、TN 濃度的影響如圖2所示。隨著DO 濃度由0.5 mg/L 增加至6 mg/L，清水池COD 去除率不斷降低，當DO 濃度大于6 mg/L 時，清水池COD 去除率緩慢降低并趨于平穩(wěn)。隨著DO 濃度的增加，生活污水COD 去除率先增大，后趨于平穩(wěn)。這表明，DO濃度越高，COD 去除效果越好，COD 去除越快。隨著DO 濃度由0.5 mg/L 增加至2 mg/L，清水池TN 去除率迅速增加，當DO 濃度大于2 mg/L 時，污水TN去除率趨于穩(wěn)定甚至出現(xiàn)反彈。隨著DO 濃度的增加，污水C/N 不斷降低，這也反映出溶解氧濃度越高，污染物去除效果越好。但過高濃度的DO 既不經(jīng)濟，也不利于提高污水COD、TN 去除率，因此DO 濃度維持在6 mg/L，這時可以保持較高的COD、TN 去除率。

圖2 不同DO 濃度條件下污水COD、TN 去除率以及C/N

2.2 不同HRT 對污水COD、TN 去除效果的影響

在生物處理工藝中，是一個非常重要的參數(shù)，不同的直接影響微生物與有機物的接觸時間和傳質(zhì)過程，進而影響污水處理效果。若過短，則微生物與有機物的接觸時間較短，污水處理效果差；若過長，則造成能源浪費，也不能繼續(xù)提高污水處理效果。因此，要確定合理的，保證系統(tǒng)處理效能并節(jié)省工程投資。

不同條件下，污水處理系統(tǒng)出水COD、TN的去除效果如圖3所示。當大于2 h 時，出水COD 濃度穩(wěn)定在20 mg/L 左右，隨著由2 h 增加至5 h，COD 去除率緩慢增加。大于2 h 時，COD 去除率很高，但不同條件下的COD 去除率差異很小。這也表明，較高的對COD 去除率影響較小，很短也可以實現(xiàn)COD 去除。不同的是，的長短對污水TN 去除率有很大影響。隨著的增加，TN 去除率不斷增加，超過4 h 后，污水TN 去除率趨于平穩(wěn)。大于3 h 時，污水TN去除率提高。由圖3可知，隨著的增加，C/N 不斷減小，但超過2 h 時，C/N 不斷上升，這說明污水TN 去除率提高。因此，北方低溫環(huán)境下，控制在4 h，可以保證污水COD、TN 的去除效果。

圖3 不同HRT 條件下污水COD、TN 去除率以及C/N

2.3 不同污泥回流比對污水COD、TN 去除效果的影響

污泥回流比是污泥回流量與曝氣池進水量的比值，其直接影響厭氧池的反硝化效果和污水處理系統(tǒng)的脫氮除磷效果，是污水處理過程的重要參數(shù)之一。不同污泥回流比條件下，污水處理系統(tǒng)出水COD、TN 去除率如圖4所示。

圖4 不同污泥回流比條件下污水COD、TN 去除率以及C/N

隨著污泥回流比的增加，污水COD 去除率迅速增加，當污泥回流比增加至60%時，污水COD 去除效果趨于穩(wěn)定，但隨著污泥回流比的增加，TN 去除率也不斷增加，當污泥回流比增加至80%時，TN 去除率趨于穩(wěn)定。隨著污泥回流比的增加，污水C/N 趨于增加，這表明污水TN 去除效果不斷增強。此外，污泥回流比也會影響污水COD 濃度，因為系統(tǒng)TN 去除率和進水COD 濃度具有一定的相關(guān)性，隨著污泥回流比和進水COD 濃度的變化，TN 去除率相應升高或降低。因此，污泥回流比控制在80%～100%，即可保證污水COD、TN 的去除效果。

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下，DO 含量影響污水COD、TN去除效果，DO濃度由0.5 mg/L增加至6 mg/L，污水COD、TN 去除率不斷增加，最佳DO 濃度為6 mg/L；大于2 h 時，COD 去除率趨于穩(wěn)定，但TN去除率隨著增加而增加，因此控制在4 h，即可保證污水COD、TN 的去除效果；污泥回流比對COD、TN 的去除影響有限，當其大于100%時，污水COD、TN 去除率趨于穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，最佳DO濃度為6 mg/L，好氧微生物在高濃度DO 條件下更加活躍，可以快速分解有機物。DO 濃度大于6 mg/L時，隨著DO 濃度增加，好氧微生物快速繁殖，但過度曝氣造成黏附在填料上的活性污泥分散溶解甚至老化，影響COD 去除效果。同樣，DO 濃度足夠時，硝化菌可以將NH-N 轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物亞硝態(tài)氮（NO-N）、硝態(tài)氮（NO-N），其混合液流入缺氧池，在缺氧環(huán)境下，反硝化菌將二者還原成N，實現(xiàn)脫氮。但DO 濃度大于6 mg/L 時，NO-N、NO-N 混合液含有較高濃度的DO，不利于反硝化菌的反硝化。高濃度DO 還會造成污泥絮凝性變差，污泥齡變短，大量污泥過度老化，生化效果降低。

反硝化過程相較于好氧分解過程十分緩慢，因此較短容易導致反硝化菌大量流失，造成污泥負荷大幅度上升，反應體系的硝化和反硝化性能惡化，但DO 充足時，COD 去除效果不會受到影響。較長可以為反硝化菌提供充足生化時間，若持續(xù)增加，則會加快污水TN 去除。在A/O/A/O-MBR 污水處理系統(tǒng)中，微生物先分解大分子有機物，因此COD 去除效果好，污泥回流比達到80%，大部分有機物得到分解；但TN 去除需要時間，污泥回流比越大，硝酸鹽氮在系統(tǒng)內(nèi)的越長，污水中硝酸鹽氮被反硝化得越徹底，去除效果越好。當DO 濃度為6 mg/L，控制在4 h，污泥回流比為80%～100%時，A/O/A/O-MBR 技術(shù)可以很好地實現(xiàn)低溫環(huán)境下生活污水處理和達標排放，這為低溫環(huán)境下居民社區(qū)生活污水的處理指明了方向。