A²/O—MBR城市生活污水處理系統的運行特性

郝鵬鵬

摘要：以北京市某再生水廠為例，分析了A2/O-MBR工藝長達240 d的實際運行數據，研究了該工藝處理城市生活污水的運行特性。結果表明，該工藝運行穩定，抗沖擊負荷能力強，對各種污染物都具有良好的處理效果，參照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，出水中的化學需氧量（CODCr）、生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的達標率分別為99.6%、100.0%、100.0%、90.3%、96.5%，基本達到回用水的要求；在實際運行中可采取預處理、優化操作條件和化學清洗等措施有效地控制膜污染；該工藝電耗約0.51 kW·h/m3，藥劑消耗約21 g/m3。

關鍵詞：A2/O-MBR工藝；運行特性；城市生活污水

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）05-1020-04

Operation Characteristics of A2/O-MBR Municipal Domestic Wastewater Treatment System

HAO Peng-peng

（Department of Environmental Engineering， School of Safety and Environmental Engineering， Capital University of Economics and Business， Beijing 100070， China）

Abstract： Based on the analysis of practical operation data in 240 d， the operation characteristics of A2/O-MBR process in a reclaimed water plant in Beijng were studied. The results were as follows. The whole system was stable and had strong anti-shock loading capability. The process had high removal rates of various pollutants. According to “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant（GB 18918-2002）”， the up-to-standard rate of CODCr， BOD5， NH3-N， TN and TP was 99.6%， 100.0%， 100.0%， 90.3% and 96.5% respectively， which preliminarily met the requirements of reclaimed water. During the actual operation of A2/O-MBR process， membrane fouling could be effectively controlled by the measures of pretreatment， optimization of operation conditions， chemical cleaning， and so on. In this plant， power consumption and medicament consumption were approximately 0.51 kW·h/m3 and 21 g/m3， respectively.

Key words： A2/O-MBR process； operation characteristics； municipal domestic wastewater

近年來，水資源匱乏已成為制約中國社會、經濟發展的重要因素。中國人口眾多，人均水資源占有量僅為2 300 m3，不足世界人均水資源占有量的1/4[1]。此外，中國水資源分布不均，水環境污染較為嚴重，水資源利用效率偏低，這些都加劇了水資源短缺問題的嚴峻性。目前，中國已被聯合國列為13個水資源貧乏的國家之一[2]。

為解決水資源緊缺的問題，污水再生利用技術越來越受到人們的關注。傳統的生物脫氮除磷工藝（A2/O工藝）難以同時滿足高效脫氮除磷的要求。而膜生物反應器（Membrane bioreactor，MBR）[3，4]是將膜分離技術和生物反應器有機結合的污水凈化系統，由膜過濾代替傳統污水處理技術中的二沉池進行泥水分離，同時曝氣池中活性污泥濃度也大大提高，具有運行穩定、處理效率高、出水水質好、流程簡單、占地面積少、易于操作管理、可自動化控制等優點，經處理的城市生活污水可用于農業灌溉、綠化灌溉、車輛沖洗、道路沖洗、城市消防等。目前，運用MBR技術處理并再利用污水的研究越來越趨于成熟[5-8]。在中國，MBR工藝在水資源再生利用方面已經逐步被推廣應用[9-12]。本研究以北京市某再生水廠的A2/O-MBR工藝（即將傳統的A2/O工藝與MBR工藝結合）為例，研究了該工藝在處理城市生活污水時的處理效果、膜污染、電能消耗與藥劑消耗等運行特性，為該工藝的推廣應用提供參考。

1 工程介紹

1.1 工藝流程

北京市某再生水廠占地面積2.4 hm2，該廠采用A2/O-MBR工藝。原水首先經過粗格柵去除大漂浮物，再經過6 mm細格柵和曝氣沉沙池去除較大顆粒雜質和漂浮物，然后經過精細格柵（共2道轉鼓格柵：3 mm濾孔型細格柵和0.75 mm精細膜格柵）去除毛發纖維等雜質后進入生物處理階段，最終出水經臭氧接觸消毒后回用或排放至受納水體，剩余污泥輸送至污泥濃縮池和勻質池，經重力濃縮后使用離心脫水機處理，泥餅外運進行無害化處置，具體工藝流程見圖1。

1.2 設計參數

試驗設計規模為40 000 m3/d，設計水溫為12～30 ℃，總泥齡15～30 d，污泥負荷為0.038 kg（BOD5）/[kg（MLSS）·d]，各處理池的主要設計參數與膜參數見表1、表2。

1.3 進水和出水的水質設計

該廠主要處理對象為城市生活污水，進水、出水的水質設計見表3，設計的出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級標準的A標準，滿足回用水的基本要求。

2 A2/O-MBR工藝對廢水的處理效果

2.1 有機物的去除

膜的截留作用延長了污泥停留時間，使系統保持高濃度的活性污泥，有利于專性細菌的培養，提高了系統的生化效率和降解能力，并使系統具有很強的抗沖擊負荷能力。運行期間，系統對CODCr具有良好的去除效果（圖2），進水濃度波動大（140.0～1 380.0 mg/L），平均值（503.7 mg/L）超出設計值12%，但出水CODCr始終保持穩定（8.3～54.0 mg/L），平均值（25.5 mg/L）遠低于設計標準，平均去除率93.5%，達標率99.6%。此外，在日常出水的檢測中BOD5也一直穩定低于4 mg/L，達標率100.0%。

2.2 氮的去除

與傳統二級處理工藝相比，膜系統可截留世代周期較長的硝化菌，硝化效果好。如圖3所示，進水NH3-N濃度范圍為11.1～108.0 mg/L，平均值（24.6 mg/L）低于設計值18%；出水NH3-N濃度穩定，平均值（0.7 mg/L）遠低于設計標準；平均去除率為96.9%，處理達標率為100.0%。

除啟動初期外，系統的反硝化效率一直保持較高水平。良好的硝化和反硝化效果、較高的污泥濃度、穩定的回流比例和充足的進水碳源都是使系統能夠高效脫氮的有利因素。如圖4所示，進水TN的平均值為46.2 mg/L，與設計值相當；出水TN的平均值為11.6 mg/L，低于設計值。在進水TN波動較大（18.1～165.0 mg/L）的情況下，系統對TN的平均去除率為72.8%，處理達標率為90.3%。

2.3 磷的去除

該工藝采用生物除磷輔助化學除磷，化學除磷藥劑為聚氯化鋁（PAC），除磷效果如圖5所示。進水TP的平均值為7.4 mg/L，與設計值相當；出水TP的平均值為0.22 mg/L，低于設計值；系統對TP的平均去除率為96.4%，處理達標率為96.5%。

3 膜污染及控制措施

在膜系統處理污水的過程中不可避免地會產生膜污染。隨著污染的發展，跨膜負壓會逐漸升高，如果不加以控制，最終會導致跨膜負壓的突然躍升，造成系統停機。膜污染的發展過程分為3個階段：第一階段為因膜孔堵塞、被動吸附而引起的初始污染；第二階段為因大分子物質、膠體附著而引起的緩慢污染；第三階段為因固體污泥沉積而引起的快速污染。在膜系統的運行過程中，一般將膜污染控制在第二階段，避免第三階段情況的發生，即快速的污泥顆粒沉積導致膜材料表面污泥堆積、板結，失去過濾性能。為控制膜污染，該工程主要采取以下措施。

1）預處理措施。該工程預處理措施比較完善，主要為4級格柵過濾和曝氣沉沙池系統，可有效地截除進水中的大尺寸顆粒物和沙粒、油脂等，防止其對膜系統造成損害。

2）優化操作條件。主要包括間歇抽吸、控制污泥濃度、控制膜運行通量等措施。①間歇抽吸。該工程采取間歇抽吸（處理7 min，停止1 min）的運行模式，系統停止抽吸后，跨膜壓差消失，膜表面污染物反向擴散速率加快，膜表面附近流體對沉積物的去除效果加強，有效地減緩了顆粒物在膜表面積累的速度。②控制污泥濃度。污泥濃度過高時粘度會迅速升高，膜過濾性能會變差，造成污泥顆粒累積，形成快速污染。為有效控制由此引發的膜污染，該工程控制膜池中的污泥濃度不超過12 g/L。③控制膜運行通量。控制膜運行通量是控制膜污染、保證膜系統穩定運行的關鍵。在一個完整的運行周期內，應保證膜組件的運行通量不超過臨界通量，避免因膜表面泥餅層的淤積所導致的快速膜污染。該工程采用跨膜負壓超高報警系統，在日常運行過程中密切關注跨膜負壓的增長速率，當其超過設定值時，系統報警并停機，安排操作人員進行原因排查，避免了嚴重膜污染情況的發生。此外，該工程采用恒通量出水模式，不會發生瞬時和局部膜通量過高的情況，有效地控制了膜污染增長速率，使膜通量長期保持較高水平，延長了膜的清洗周期，降低了運行費用。

3）化學清洗措施。化學清洗包括在線化學清洗和離線化學清洗。①在線化學清洗。在線化學清洗主要根據污染類型和污染程度確定清洗的類型和強度。膜污染分為有機污染和無機污染兩種類型。有機污染是由污泥混合液中的膠體物質、溶解性物質附著在膜表面和堵塞在膜孔內而造成的膜污染，是膜污染的主要組成部分。在非低溫季節，每周進行一次低濃度次氯酸鈉溶液（500～1 000 mg/L）的在線清洗，每4周進行一次高濃度次氯酸鈉溶液（3 000 mg/L）的在線清洗，有效地控制了有機污染的積累。無機污染是在膜過濾過程中由于濃差極化的作用，膜表面的無機鹽濃度升高，當超過其溶度積時，在膜表面析出、結垢，形成了污染層。每月進行一次2%檸檬酸的在線清洗可有效控制無機污染的發展。②離線化學清洗。離線化學清洗一般每年進行一次。方法是將膜組器完全脫離膜池，進行離線的檢查、清理，以完全去除其表面和內部的各類污染物質。

4 電能消耗與藥劑消耗

本研究估算了直接運行成本中的電能消耗與藥劑消耗2項，其他項目如設備維修、水質檢測、人工管理、污泥處置等與實際情況相關性很大，在此不做統計分析。

1）電能消耗。該工藝的電耗約0.51 kW·h/m3，電耗成本約0.40元/m3，與傳統污水深度處理工藝（二級生物處理工藝后進行混凝、沉淀、過濾單元處理）相比略高。

2）藥劑消耗。該工藝消耗的藥劑主要為膜清洗藥劑、除磷藥劑、碳源藥劑。膜清洗藥劑一般為固定周期、固定濃度使用，其成本相對固定。除磷藥劑和碳源藥劑一般根據進水的水質、水量情況，在充分利用生物脫氮除磷能力的基礎上調整其投加量。經估算，該工藝的藥劑消耗約21 g/m3，藥劑消耗成本約0.08 元/m3。

5 結論

A2/O-MBR城市生活污水處理系統的運行特性如下。

1）該系統長期運行穩定，抗沖擊負荷能力強，對城市生活污水的處理效果好。在長達240 d的運行過程中，出水水質基本達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級標準的A標準，滿足污水回用要求。

2）膜污染的發展過程包括初始污染、緩慢污染、快速污染3個階段。在實際運行過程中，通過采取預處理、優化操作條件和化學清洗等措施有效地將膜污染控制在緩慢污染階段，避免了快速污染情況的發生，保障了整個膜系統的穩定運行。

3）該系統電耗約0.51 kW·h/m3，電耗成本約0.40元/m3；藥劑消耗約21 g/m3，藥劑消耗成本約0.08元/m3。

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