净水技术|春夏即将来临，MBR工艺处理生活污水究竟该如何选择？
随着国家对污水排放标准的提高以及污水厂升级改造方案的提出，MBR工艺作为提标改造之一也面临着处理效果的提标。目前，MBR工艺存在夏季碳源不足，春季出水水质不稳定等问题。来自同济大学环境学院的张骏尧立足传统AO-MBR工艺的改良，考察不同改良工艺的运行水质情况和膜渗透能力，以期提出一套适用于污水厂升级改造的MBR运行方案。
本研究采用了三套膜生物处理设备，对比了三个工艺的膜运行特性及污染物去除效率。三个工艺的运行时间为4月至8月，具体运行工艺参数及工艺流程如表1和图1所示。其中R1和R2均为AO-MBR（缺氧-好氧）工艺，区别在于R2的缺氧段HRT较长，对比R1和R2可得到HRT对脱氮效率的影响；R3为AAO-MBR（厌氧-缺氧-好氧）工艺，对比R2和R3可得到相同HRT下厌氧段对脱氮效率的影响。三种工艺的膜池均放置四片聚偏氟乙烯平板膜，平均孔径0.2 μm，每片膜有效面积为0.125 m2，膜底部安装有曝气管，通过真空泵向好氧段供氧，为微生物降解污染物提供氧气，同时在膜表面形成错流，控制膜面泥饼层的形成。曝气量用气体流量计控制，曝气强度为0.67 m3/(m2·mim)（按单位膜投影面积计算）。工艺进出水及回流采用适宜量程的蠕动泵（兰格，北京），膜出水和R4好氧段的间歇曝气采用继电器控制（膜出水抽停比为10 min:2min）。跨膜压差（TMP）通过水银压力计每天测定，当TMP达到30 kPa时，用0.5% V/V NaClO溶液离线化学清洗。三个工艺的进水均为上海市曲阳污水处理厂沉砂池出水，平均进水水质为：化学需氧量（COD）459 mg/L，总氮（TN）47.3 mg/L，总磷（TP）6.39mg/L，氨氮（NH4+-N）35.9 mg/L。
(a)AO-MBR,(b)AO-MBR（长HRT）,(c)AAO-MBR
图1 不同工艺流程图
表1 主要运行参数表（其中回流比是指百分比）
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工艺参数 |
R1 |
R2 |
R3 |
|
工艺构型 |
A/O-MBR |
A/O-MBR（长HRT） |
A/A/O-MBR |
|
HRT/h |
A:2h, O:3h |
A:4h, O:3h |
A:2h, A:2h, O:3h |
|
SRT/d |
100 |
100 |
100 |
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回流比 |
200 |
200 |
1为200, 2为100 |
|
膜通量/LMH |
20 |
20 |
20 |
|
污泥浓度(MLSS)/g·L-1 |
12.7±4.5 |
14.6±3.9 |
14.7±2.9 |
|
污泥浓度 (MLVSS)/ g·L-1 |
8.8±2.7 |
9.9±2.0 |
9.8±1.5 |
|
有机容积负荷/kgCOD·m-3·d-1 |
2.20 |
1.56 |
1.56 |
|
污泥氮负荷/kgTN·kg-1VSS·d-1 |
0.026 |
0.016 |
0.016 |
本试验涉及的分析项目如COD，TN，TP，NH4+-N，硝酸盐氮(NO3--N)，亚硝酸盐氮(NO2--N)，总悬浮固体(MLSS)，挥发性悬浮固体(MLVSS)，均采用国标方法测定。
图2为三个工艺运行过程中温度、TMP和通量的情况。图2中(a)、(b)、(c)的虚线是指入夏。对比得知，春季由于环境温度较低，三套工艺的膜污染周期较短，入夏后，随着环境温度的升高，R1相比于R2和R3的清洗周期延长，这主要是由于R1较R2和R3的污泥浓度略低，而影响膜运行通量的主要因素为污泥浓度、曝气强度和温度。
3.2.1对COD的去除效果
图3为运行期间三个工艺进出水COD的情况。出水COD始终维持在较低的浓度水平，均小于50 mg/L，满足一级A标准，可见MBR工艺具有良好的有机物降解能力和抵抗进水负荷冲击的能力。
3.2.2 对氮的去除效果
Kuba等提出当进水C/N低于3.4时，需投加外碳源来保证达到较好的生物脱氮效果；也有研究认为，只有当C/N＞4时，才能保证反硝化过程顺利进行，达到完全脱氮的目的。在本研究中，R1，R2和R3的运行期间（主要是夏季）的C/N比为8.14间（主要是（n=19），从理论上讲进水满足反硝化脱氮的碳源需求。图4为运行期间R1、R2和R3进出水中TN和NH4+-N的情况，由图4(a)可知，除了运行起始阶段，稳定阶段时R2和R3的出水TN达到一级A标准，稳定在10 mg/L以下（均值分别为4.86值/L脱氮的碳源需求（n=19）和5.51值/L脱氮的碳源需求（n=19）），而R1的处理效果相对不太稳定（个别天数出水TN会超过15 mg/L，均值为10.61/L不太稳定（个别天（n=19））；由此可得，不论是AO-MBR工艺还是AAO-MBR工艺，对氮的去除效果均优于传统活性污泥法[15-16]，可见传统工艺与MBR的结合对提升脱氮效果大有裨益。此外，对比R1和R2可得，延长缺氧段水力停留时间可以进一步提高脱氮效果；同时，对比R2和R3，AO-MBR和AAO-MBR在氮的去除上并无明显差异，而R3由于设计了厌氧段从而对磷有一定的去除（但去除率有限，如表2所示），考虑到AAO-MBR的运行维护高于AO-MBR（回流泵及管线等），因此在脱氮提标方案中应优先考虑较长HRT（5~7 h）的AO-MBR工艺。此外，由图4(b)可知，三套工况运行稳定后，出水中的NH4+-N均在1 mg/L以下，并无明显差异，说明三种工艺的硝化作用不受HRT及工艺构型的影响。
表2 各个工艺的污染物去除情况汇总（n=19）
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进水 |
R1 |
R2 |
R3 |
|
|
COD/mg·L-1 |
394))ss |
154) |
174)) |
164) |
|
TN/mg·L-1 |
42.10ssesnt |
10.61ssesn |
4.86±1.92 |
5.51±1.34 |
|
NH4+-N/mg·L-1 |
30.95ssesn |
0.605sses |
0.21±0.20 |
0.51±0.71 |
|
TP/mg·L-1 |
6.115sses |
2.525sses |
2.085sses |
1.455sses |
为了解不同工艺对氮素的迁移转化，图5给出了三个工艺进出水中氮素的组成情况。对比R1，R2和R3，R2和R3较R1的缺氧段/厌氧段多了2 h，于是有更长的时间进行反硝化作用，从而提高了脱氮效果，值得注意的是，虽然R2和R3在TN去除上没有明显差别，但是从有机氮（DON）含量的角度来看，R3有更好的DON去除能力，这是因为R3设计了厌氧段，厌氧氨化作用将DON充分转化为NH4+-N，再经过硝化反硝化作用以达到脱氮的目的。
1）在春夏季，可以通过延长缺氧段HRT或者增加厌氧段，改AO-MBR工艺为AAO-MBR工艺来进一步提高MBR的脱氮效率。
2）在春夏季，延长缺氧段HRT或者增加厌氧段，改AO-MBR工艺为AAO-MBR工艺虽然均能够提高MBR的脱氮效率，但是在本研究并未发现的显著差异，从运行稳定及维护成本的角度来讲，优先考虑延长缺氧段HRT来提高MBR的脱氮效率。
本文原标题为《三种MBR脱氮工艺与稳定运行性能的比较》，发表在《净水技术》2017年第一期。本文略有删减与调整。阅读文章全文可登陆中国知网http://kns.cnki.net/KCMS/detail/31.1513.TQ.20170124.1543.012.html查看。
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