基于MBR工藝農村污水處理工程的優化研究

沈 東

（湛江市生態環境局廉江分局，廣東 湛江 524400）

工業生產、居民生活等產生的污水廢水亂排濫放問題直接影響著我國生態建設，已經成為人們關注的焦點。《關于改善農村人居住環境的指導意見》（2014）、《全國農村環境綜合整治“十三五”規劃》（2017）、《農業農村污染治理攻堅戰略行動計劃》（2018）等政策相繼出臺后，我國進一步加大了對農村污水處理的重視力度，運用MER、A/O等新工藝全面改善出水水質，為我國新農村綠色環保發展打下了堅實基礎[1]。

1 農村污水處理的基本特征

（1）污水排放量大，難以收集。網絡數據顯示，截止到2020年底我國農村污水年排放量約70億噸，超過全國污水排放總量的1/2。僅從污水處理能力而言，現階段我國農村污水凈化率僅能達到30%左右，出水質量參差不一，根本無法滿足各項污水處理指標。尤其是在偏遠地區，居民分布較為分散，無法定點進行集中污水采集，導致大量污水亂排濫放，嚴重污染了農村生態環境。因此，在農村污水處理過程中必須根據實際排放量形成占地面積小，易于就地處理的污水處理裝置，以實現經濟性處理目標。

（2）處理工藝落后，效益低下。我國農村污水主要包括生活廢水和工業廢水兩部分，污水中的COD、BOD指標往往高于其他區域。在污水處理時僅僅通過活性泥污處理、生物膜過濾、氨氧厭氧化處理等效益并不顯著，無法達到《關于加快制定地方農村生活污水處理排放標準的通知》（2018）中的出水水質指標，亟待進行農村污水處理工藝的革新和優化[2]。

2 基于MBR工藝的農村污水處理工程

2.1 MBR工藝原理

膜生物反應器（Membrane Bio-reactor）將生物處理技術、固液分離技術等結合在一起，通過膜組件促進反應，從而達到生物降解和顆粒處理效果。一般MBR工藝主要包括分置式（圖1-左）、一體式（圖1-右）等，其中膜組件可有效截留活性泥污微生物，減少污水中的懸浮物、TN、TP，優化COD、BOD指標等，處理后的出水水質明顯提升。

圖1 MBR結構（左為分置式，右為一體式）

分置式裝置中污水進入到反應器后，利用加壓泵加速過濾，分離后的固體有機物直接回流到反應器中進行生物降解。而一體式則先進行降解反應沉淀后，再利用泵抽取上層濾液，完成污水處理工藝。

2.2 MBR工藝設計

（1）材料選擇。目前常見的MBR工藝中主要為高分子有機膜和無機膜兩種，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙稀（PP）等；膜組件主要包括中空纖維式、毛細管式、螺旋卷式等，根據填充密度的不同濾水效果及占地面積存在一定的差異，可根據農村污水處理工藝要求及經濟性指標進行合理選用[3]。

（2）工藝路線。按照MBR工藝指標，一般應設置預處理、生化處理、膜過濾、泥污處理四個環節，見圖2。

圖2 MBR工藝流程

①預處理：利用農村污水處理管道將污水匯集到處理站或處理點，在原水泵加壓作用后借助圓形或孔型格柵（≤1 mm）分篩過濾，實現初步泥污分離；②生化處理：現階段MBR工藝可根據水質情況合理選擇微生物，利用厭氧微生物實現氨氧化反應、厭氧化反應減少氨氮、TP、TN等，還可以利用好氧微生物或兼氧微生物作用，將污水中的雜質、有機物等分解；③膜過濾：該環節利用壓差達到污泥回流效果。一般可以通過前端加壓或后端抽取兩種方式實現，將濾液輸送到消毒池，泥污回流至儲存池；④泥污處理：將格柵過濾、厭氧反應器、好氧反應器、MBR反應器等環節中的泥污集中到存儲池中后集中處理。

2.3 MBR工藝關鍵系統

（1）曝氣系統：利用自動化裝置完成門開關控制，使微生物反應過程中氧氣供給的充足。尤其是在兼氧MBR系統設計過程中可選用10/30曝氣，將偶數列膜組件并列運行，通過10 s開30 s關模式快速完成氧氣供給，并扼制微生物剪切力，以達到兼氧微生物的有效控制，提升生物反應凈水效果[4]。

（2）反應系統：以氨氮處理環節為例，設計的過程中先將格柵處理后的污水通入厭氧反應器，并同時注入缺氧池末端回流混合液，控制回流比在60%、氧含量在0.2 mg/L、反應溫度30 ℃左右，釋放TP并初步厭氧化；處理完后將污水注入缺氧反應池，利用反硝化微生物及厭氧環境完成氨化處理，將氨氮化合物硝化分解為氨氣和有機氮化合物；最終，反應后的污水注入到好氧反應池中，此時調整氧含量到3 mg/L左右，控制氣水比達到9:1，利用好氧微生物有效去除COD、BOD，利用聚磷菌吸收多余TP[5]。

（3）配套系統：一般MBR工藝設計中必須做好加藥配套裝置及反沖洗配套裝置設置。前者主要通過固定添加化學試劑保證MBR膜兩側壓差，為后續反沖洗供藥等；后者則在不破壞膜組件性能的基礎上通過酸、堿、氧化劑等完成化學清洗，使膜組件中的有機物、顆粒物等沖洗、分解，避免MBR膜組件堵塞造成的出水水質不達標問題，見表1。

表1 MBR加藥裝置及反沖洗裝置藥劑情況

（4）出水系統：可根據農村污水處理情況選擇連續運行或間歇運行方式，利用加壓泵進行前端加壓或離心泵后端抽取。該環節需控制壓強低于8個標準大氣壓，避免過壓對系統穩定性的影響。

3 MBR工藝在農村污水處理中的應用

3.1 工程概況

本次研究過程中主要以廣東省廉江市某村污水處理項目為例，分析以小單元村莊為例的MBR污水處理工程。該村莊范圍內無任何工業企業，只包括居民住戶840戶，日常主要為居民生活廢水和牲畜污水。

按照平均每戶4人，每人排污水0.05 m3計算，該農村每日污水排放量約為160 m3。考慮到新農村建設規劃情況及用水裕度，本工程中應保證基于MBR工藝的污水處理系統處理能力在200 m3/d，具體指標見表2。

表2 廣東省廉江市某村污水排放標準

3.2 MBR工藝應用

為達到該村污水處理指標要求，本次MBR工藝主要選擇兼氧處理技術，利用MBR膜及兼氧微生物完成COD、BOD、TN、TP、NH4+等技術處理。

工程選用一體化MBR-100設備，占地面積較小，總裝機容量為4.4 kW，便于進行現場安裝及污水處理，實用性較強（見圖3）。污水處理站總占地面積僅為25 m3，周圍設置濕地公園，處理完的泥污可直接用于林木養料[6]。

圖3 MBR一體化裝備結構

本工程中MBR處理流程為生活污水→預處理池→膜技術污水處理器→表流人工濕地→回用或達標排放。生活污水進入到預處理池中進行初步過濾，去除水質中的泥污、雜質等大顆粒物質，然后在水壓作用下進入兼氧MBR反應池，曝氣處理后，等待厭氧微生物、好氧微生物等硝化反應和總磷吸收反應完成，同時膜組件中的MBR膜對反應后的有機物進行二次過濾，去除原污水中的微生物。處理完成后，由離心泵抽取上層濾液到清水池，用于檢測出水水樣水質，確保其達到達到二次利用的標準，而下層泥污會經分離后被及時清理。

3.3 處理效果評估

與傳統處理工藝相比，本項目可以借助一體化裝置減少污水處理占地面積，并且配合公園設置，有效提升了農村污水處理的美觀效果，可以實現全自動控制、經濟性運行。與此同時，上述一體化裝置中的MBR膜組件可反沖洗使用，經濟效益非常顯著。

在污水處理能力方面，兼容MBR一體化裝置可達到日污水處理量200 m3的基本要求，且出水水質檢測數據均符合排放指標。數據對比結果中，本工程污水處理懸浮物、氨氮、TP、SS等處理有效率分別達到97.1%、99.5%、39.1%、97.5%，明顯高于原來污水處理工藝，見表3。

表3 某村污水處理工藝效果對比

4 結論

農村污水處理過程中必須從MBR新型工藝出發，做好污水處理體系的優化和調整，利用MBR一體化裝置增強農村污水處理的穩定性、經濟性和有效性。尤其是在反應器設置過程中，應根據實際情況合理選擇厭氧氨化反應、兼氧反應等，全面降低出水中COD、BOD、TN、TP、SS等含量，保證新農村污水處理質量邁上一個新臺階。