改進型MBR一體化設備在低濃度生活污水處理中的應用研究

王銀生，廖 侃，孫 亮，陳旭懷，戚廣賢，王建明，陳順權*

(1.廣東省林茂科技有限公司，廣東 廣州 511458；

伴隨城鎮化進程的不斷加速、各類生產工藝以及污水處理技術的不斷革新，城市地區的水環境污染情況已得到極大的緩解與控制[1]，而分散性的農村生活污水處理問題更為突出，目前廣大農村地區的生活污水一般未經處理直接排入附近溝渠或者河道并最終進入江河等受納水體，導致整個地區的水環境污染呈現不斷加劇的趨勢[2-3]，這給農村污水處理帶來嚴峻考驗，為確保農村水源安全和農民身體健康，農村污水治理刻不容緩。目前對于生活污水處理工藝，主要涉及活性污泥法，厭氧好氧工藝法(A/O)，序批式活性污泥法(SBR)，膜生物反應器法(MBR)等以及在此基礎上出現的升級組合工藝[4-7]。A/O 工藝集好氧和缺氧段為一體，厭氧段用于脫氮除磷，好氧段用于去除水中的有機物，該工藝對有機物及氨氮等的去除具有很好的效果，但是占地面積大，運行能耗高；MBR工藝作為一種新型工藝，集成了膜分離與生物處理各自的技術優勢，近年來在城鎮污水處理與回用方面得到了廣泛的應用[8-9]，但是在分散性較強的廣大農村，由于受各種條件制約，該工藝的應用受到限制。充分考慮到農村污水分散實際現狀以及農村生活污水濃度低、變化系數大、各時段排放水質差別大等特點[10-11]，研究以低濃度農村污水處理技術為導向，通過優化改進MBR一體化設備，建立適用于分散性的農村生活污水處理的簡單高效工藝及其裝備，對于推動改進型MBR一體化設備在分散的農村地區的規模化應用具有一定的指導意義。

1 實驗部分

1.1 裝備及其工藝流程

本試驗采用改進型的一體式MBR裝備，裝置內采用自主研發的高性能內襯增強PVDF中空纖維膜。生活污水流經調節池，首先進入一體化裝備厭氧段進行厭氧處理，然后經由底部溢流口進入MBR膜池，厭氧池和MBR池隔板上方留空，利用膜池曝氣翻滾實現污泥的半回流。膜池內部脈沖曝氣，日常開啟一臺風機，間歇性開啟兩臺風機以增大風量，強化對膜絲的氣擦洗。膜池溶解氧保持在3.0 mg/L以上，用自吸泵抽吸產水，系統配置清洗泵以及加藥裝置，采用PLC自動控制。

圖1 農村生活污水處理工藝流程圖

圖2 一體化設備實物圖

1.2 水質及其檢測方法

1.2.1 實驗用水

試驗所用的污水以廣州市南沙區某污水廠調節池水為研究對象，進水口與污水處理設備出水口采樣按照同一時間點采樣，經取樣測定其BOD5/COD>0. 3，污水的可生物降解性良好，采樣依據《地表水和污水檢測技術規范》(HJ/T91-2002)執行，采樣后樣品根據《水質采樣樣品保存和管理技術規定》(HJ493-2009)執行，樣品采樣及其保存方法以及水質指標數據匯總如表1、2所示。

表1 樣品采樣及其保存方法

表2 實測水質相關指標

1.2.2 檢測方法及其依據

研究對水質分析采用的方法如表3所示。

表3 水質檢測方法

2 運行結果及討論

2.1 系統運行概況

實驗采用改進型MBR一體化設備處理低濃度農村污水，裝備實際出水量均高于設計值，設備經調試一周后穩定運行；設備運行噪音為 61.3 dB(A)(由于水廠特殊環境，該項數值偏大，實際運行噪聲小于該值)，設備出水指標CODcr、NH3-N、TP平均值均優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002一級A排放標準，運行穩定后總體達標率100%；設備正常運行期間未發現令人不適氣味，運行期間由于設置儲泥池，一體化設備未排泥，設備系統內部全部設備由 PLC+觸摸屏控制，自動化程度高，可無人值守。

2.2 水處理量及其經濟性分析

評估期內實際處理水量基本穩定，設計處理量為50.0 t/d，實際處理水量為51.0～59.4 t/d，平均處理水量為57.2 t，最低處理量為設計處理量102.0%，最高處理量達到設計處理量118.8%，波動適應范圍約 2.0%～18.8%，設備處理的污水均由污水處理廠供給，設備主要耗電部件為風機、計量泵、污水提升泵、產水泵、反洗泵、加藥泵，污泥的處理能耗暫不考慮，設備自身平均噸水能耗均值為0.858 kWh，另外穩定運行后藥劑投加量平均為1.7 kg/d，噸水運行成本計算如下，衡算后綜合能耗以及整體運行成本詳見圖3所示。

圖3 裝置噸水處理能耗及其運行成本

運行總體成本C=WE×CE+M×CM/(Q×1t/m3) (1)

式中：C，平均噸水處理成本，元/t；

We，設備自身平均噸水能耗，kWh/t；

CE，用電成本，取平均工業電價，0.58 元/kWh；

M，每日藥劑添加量；

CM，藥劑單價，按1000 元/t 算；

Q，平均每日水處理量，m3。

由圖3可知，噸水處理整體能耗跟噸水處理成本呈正相關趨勢，噸水處理整體能耗在0.79～1.00 kWh，噸水處理成本0.49～0.53元，平均噸水處理成本0.53元，藥劑成本在處理總成本中占比相對較小，能耗主要為風機、水泵、加藥泵等耗電部件。一般情況下處理能耗以及噸水處理成本同處理水量呈負有關，該裝備設計水量為50 t/d，若處理水量進一步增大，純水處理能耗及其成本將進一步降低。此外，由于生活污水CODcr、NH3-N、TP數值偏低，經過一體化裝備內部厭氧-MBR工藝綜合處理，外加藥劑的化學除磷作用，完全滿足處理要求，此外，由表4對比可知，相比于其它工藝，一體化裝備因其具有更短的水力停留時間，占地小，采用的A-MBR工藝更為簡單，結構緊湊，相同規模處理量情況下，一體化裝備整體能耗更低，對于水量小、分散的低濃度農村生活污水適用性更強。

表4 工藝對比分析[12-13]

2.3 系統處理效果分析

從圖4可知，改進型MBR一體化反應裝置的進水CODcr 濃度范圍在77.9～180.2 mg/L之間，平均濃度值為112.2 mg/L，進水濃度波動性相對比較大；而產水CODcr呈現逐步降低的趨勢，特別是在一體化反應裝置運行6 d后，系統運行基本趨于穩定，出水CODcr 濃度較低，數值穩定在3.0～15.0 mg/L之間，平均CODcr 濃度為7.8 mg/L，平均去除率為92.9%，在一體化裝備運行初期中，對CODcr去除率相對較低，該階段對有機物的去除作用以分離膜截留作用為主，而微生物降解去除作用相對較弱，后期由于采用污水處理廠活性污泥，膜池內微生物對污水適應能力較強，此外，膜組件代替傳統活性污泥法中的二沉池，截留生物系統的大量微生物菌群，促使系統的微生物菌群數量和生物種類的聚增，提高了污水處理能力和效率，從而使系統出水水質和容積負荷都得到了大幅度的提高，膜池中保持較高的污泥濃度，微生物降解作用逐漸增強，最終微生物對有機污染物去除起主導作用，在微生物跟膜分離截留綜合作用下產水最終趨于穩定。

圖4 進出水CODcr隨運行時間變化曲線

從圖5可知，反應裝置的進水總磷濃度波動比較小，濃度范圍在2. 02～3.76 mg/L 之間，平均濃度值為 2.73 mg/L，系統穩定后產水總領含量在0.25～0.50 mg/L，系統中總磷平均去除率87.2%。在一體化裝備運行過程中，由于考慮到總磷去除無法降低到0.50 mg/L以下，前期即通過添加化學藥劑進行調控，一體化裝備運行前6 d內，總磷的含量迅速降低，總磷的降低是化學除磷和微生物生長吸收部分磷的共同作用的結果，但是前期降低主要以化學除磷為主，隨著生化系統的馴化完善，生化系統穩定后微生物對磷需求量逐漸減少，系統產水中總磷含量也逐步趨于穩定，但是由于一體化裝備測試期間沒有排出剩余富磷污泥，造成一體化裝備后期系統中磷的部分累積，系統中總磷在后期在排放標準限值以下存在小幅波動，為了確保產水總磷低于0.5 mg/L，系統運行過程中通過化學藥劑調控進行化學除磷，進而確保出水穩定，一體化裝備運行藥劑日均投加量為1.7 kg。

圖5 進出水總磷濃度隨運行時間變化曲線

從圖6可知，一體化裝備進水相對穩定，氨氮含量在13.38～25.39 mg/L之間，而產水氨氮含量呈現逐漸降低后趨于穩定的變化趨勢。進水與產水氨氮平均值為18.39 mg/L與0.42 mg/L，平均去除率97.7%，系統對氨氮去除率較高，出水水質穩定。由于膜孔為微米級膜孔，膜的分離截留作用對氨氮的去除貢獻相對較小，對含氮有機物的去除主要是微生物新陳代謝的作用，通過前6 d的運行調試，外加水廠自帶活性污泥的天然優勢，系統很快實現高效穩定運行，此外，系統可以通過增加曝氣量跟曝氣時間，進一步提升好氧硝化菌的生長富集，增長了氨氮與活性污泥中的微生物的接觸時間，提高了污水中氨氮的去除效率。

圖6 進出水氨氮濃度隨運行時間變化曲線

由上圖7可知，改進型MBR一體化設備反應裝置對低濃度農村生活污水中 CODcr、NH3-N、TP的去除效果比較理想，其出水的CODcr、NH3-N、TP平均去除率分別為92.9%、97.7%、87.2%，裝置運行穩定性較好，進入處理系統的活性污泥由于采用水廠生化系統污泥，具有較好的適應性，污泥沉降比(SV)保持在在30～40%，污泥濃度(MLSS)穩定在4500～6000 mg /L左右，實現對供試污水污染物的高效處理，通過微生物降解、化學除磷以及膜法分離技術耦合，最終實現對低濃度生活污水的高效低成本處理。

圖7 系統穩定后對CODcr、NH3-N、TP的去除率隨運行時間變化曲線

3 結論

(1)改進型MBR一體化設備反應裝置對低濃度農村生活污水中CODcr、NH3-N、TP的去除效果比較理想，裝置運行穩定性較好，其出水的CODcr、NH3-N、TP平均值分別為7.83，0.42，0.35 mg/L，均優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918 -2002一級A排放標準。

(2)改進型MBR一體化設備處理低濃度農村生活污水，具有穩定的出水水質和良好的經濟性，試驗設備平均每日水處理量 57.2 t，設備自身平均噸水能耗 0.858 kWh，出水水質三項指標COD、NH3-N、TP平均去除率分別為92.9%，97.7%，87.2%，水質排放達標率為 100%，藥劑投加量1.7 kg/d，綜合平均噸水處理成本 0.53元。

(3)提出的適用于低濃度農村生活污水處理的改進型MBR一體化工藝及其裝備，同傳統的生化工藝相比，設備自動化及智能化程度高，工藝簡單易控，設備能耗低，占地面積小，易于在分散性較高的農村生活污水中廣泛應用。