MBR工藝強化脫氮除磷處理滇池農業面源污水的調控方法及實際應用

吳 思，馬志龍，楊占強，丁文川，鄭良秋，王濤濤，曾曉嵐

(重慶大學 a.三峽庫區生態環境教育部重點實驗室；b.低碳綠色建筑國際聯合研究中心，重慶 400045)

有關研究表明，面源污染是影響河流、水庫及湖泊等水體持續污染的重要因素[1-4]，其中又以農村農業面源污染貢獻率最大[5, 6]?！兜岢亓饔蛩h境保護治理“十四五”規劃》中對滇池入湖污染物組分和比例的分析表明，2019年進入滇池的CODCr、TN和TP負荷中農村農業面源污染排放的百分比依次為5.6%、16.0%和34.2%[7]，因而控制農村農業面源污染是滇池富營養化治理的重點?？刂屏饔蛎嬖次廴境２捎梦廴驹纯刂?、過程阻斷及末端處理等方法[7]，基于后兩者建成的環湖截污治污體系已運用于滇池面源污染防控。該體系利用農灌溝渠收集農業面源污水(包括旱季耕地徑流、雨季初期雨水及農村生活污水)，通過末端的高效截留井將高質量濃度部分截留進入環湖截污干渠，再經截污干渠輸送至末端混合水質凈化廠處理，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(簡稱ⅠA標準，且TP執行昆明市地方排放標準≤0.3 mg/L)后排放。目前共有3座混合水質凈化廠采用MBR工藝，由于MBR工藝一般用于處理污染物質量濃度較高的污水，如城市生活污水及工業廢水等[9, 10]，而環湖截污體系截留的農業面源污水質量濃度較低，如位于滇池東岸的洛龍河混合水質凈化廠(設計規模5萬m3/d)具有常年進水水質質量濃度、碳氮比以及碳磷比均較低的特點，TP成為了該廠出水達標的難點；另一方面，旱季進水TN質量濃度會超過30 mg/L，兩者都會導致現有的MBR工藝不能良好穩定運行，凈化廠出水無法達到ⅠA標準，影響了環湖截污治污體系綜合效能的充分發揮。為此，本研究依托洛龍河混合水質凈化廠，分別針對進水TN質量濃度相對較高且常規運行出水氮磷均不能達標，以及進水TN質量濃度較低且出水總磷不能達標的2種情況，探討了MBR工藝脫氮除磷技術的強化方案，并結合現場中試實驗對MBR工藝參數進一步優化調控，以實現該廠穩定達標運行。

1 洛龍河凈化廠及中試系統MBR工藝調控

1.1 MBR工藝流程

洛龍河混合水質凈化廠將4組MBR池作為其主體，每組設計規模為12 500 m3/d，目前運行2組，包含缺氧池、厭氧池、好氧池及膜池等單元，其處理流程為：需處理的污水首先流入缺氧池中，與來自好氧池回流的硝化液充分混合，發生反硝化脫氮作用；隨后流至厭氧池，釋放磷；再進入好氧池，進行硝化作用與好氧吸磷；最終利用膜池處理污水以達到泥水分離的效果。MBR處理工藝內置2個回流：1)好氧池內的硝化液回流至缺氧池；2)通過膜池分離后的污泥回流至好氧池前端。中試裝置主要參照洛龍河混合水質凈化廠工藝進行設計，并在該廠內完成搭建。裝置總尺寸為7.4 m×3.2 m×2.5 m(L×W×H)，有效容積為38.07 m3，設計日處理水量為100 m3。圖1為中試系統處理工藝的流程，其膜組件是利用PVDF材料制造的中空纖維膜(杭州凱濾膜有限公司)，總計20片。

圖1 MBR中試系統工藝流程圖

1.2 MBR工藝進水水質

中試試驗期間進水(取自洛龍河混合水質凈化廠細格柵出水)平均水質與該廠MBR工藝年均進水水質如表1所示，兩者相差不大，故中試研究成果可用于指導凈化廠實際的生產運營。

表1 洛龍河混合水質凈化廠及中試系統進水水質

1.3 MBR工藝運行參數

在中試規模下，對影響MBR工藝處理效果的各種運行參數進行研究，得到MBR工藝系統基本運行參數，并將該參數用于進一步指導生產規模的洛龍河混合水質凈化廠實際運行和優化。最終在研究期間中試系統和洛龍河水質凈化廠采用的運行參數如表2所示。

表2 洛龍河混合水質凈化廠及中試系統MBR工藝運行參數

1.4 強化脫氮除磷試驗研究

中試系統于2015年10月開始，主要針對以下兩種進水水質進行試驗：1)在進水TN質量濃度相對較高，現有MBR工藝出水氮磷均不能達標的情況下，于MBR工藝進水處投加外碳源，研究外碳源的投加量對去除污水內TN、NH3-N、COD與TP等污染物效果的影響；2)在進水TN質量濃度較低，現有MBR工藝出水僅TP不能穩定達標的情況下，于MBR處理工藝膜池處投加聚合氯化鋁(PAC)，研究PAC投加量對系統除磷效果的影響。自2016年4月開始，根據中試參數選用適當的方案對凈化廠進行強化脫氮除磷調控，通過出水水質的反饋對運行參數進行優化，直至出水穩定達標。

2 結果與討論

2.1 中試MBR系統外加碳源強化處理

外加碳源是顯著提高低C/N污水TN、TP去除率的常用調控方法[11-13]，其主要包括傳統碳源(如乙酸鈉等可溶性低分子有機物、糖類)及新型碳源(如天然纖維素、有機工業廢水等)等[14]。乙酸鈉因具有運輸成本低、環保、適應性強、2倍于葡萄糖或白砂糖的高反應速率[15]以及除磷效果較葡萄糖、乙醇、淀粉等更佳[16, 17]的優點，常常作為污水處理廠的外加碳源。通過隔膜泵向進水管中投加乙酸鈉，投加量分別為0，30，60 mg/L，考察了外加碳源投加量對MBR工藝去除TN、NH3-N、CODcr和TP效果的影響。從圖2(a)可看出，隨乙酸鈉投加量的增加，中試處理系統對TN的去除率逐漸升高。在未加乙酸鈉的情況下，系統中的C/N比約是3.2，出水中TN大概為15 mg/L，TN的平均去除率為28.04%；在乙酸鈉的投加量為60 mg/L的情況下，TN平均去除率達到了62.89%，提高了約33%，出水中TN大約為7 mg/L。TN去除率與乙酸鈉投加量的相關性較好，據此以乙酸鈉投加量為60 mg/L時TN的出水質量濃度計算，當進水TN質量濃度低于40.42 mg/L時可實現出水TN質量濃度達到ⅠA標準。不過在中試試驗期間，進水TN質量濃度總體在15.5～20.5 mg/L內波動，處于較低水平，不投加外碳源時出水TN質量濃度已達到ⅠA標準。

圖2 碳源投加對污染物去除效果影響

從圖2(b)可以看出，無論是否投加乙酸鈉，中試處理系統去除NH3-N的效率均在96%以上，其出水的質量濃度遠低于ⅠA標準，基本不受外加碳源的影響。由于MBR系統好氧池中污泥質量濃度高于常規工藝，存在大量的硝化菌，對NH3-N具有較高去除能力，而且系統前端缺氧池和厭氧池中的反硝化細菌及除磷菌會迅速消耗額外增加的碳源，導致好氧池中有機物增加量不大，因此好氧池中硝化菌仍然能夠獲得充分的溶解氧以保持較高活性，對NH3-N氧化效果好[18]。檢測系統出水的CODcr(圖2(c))確實也發現，乙酸鈉投加量的增加對系統出水CODcr質量濃度沒有顯著影響，基本維持在14 mg/L左右，遠低于ⅠA標準。在中試期間，實際進水中TP質量濃度波動較大，從圖2(d)可以看出，不同乙酸鈉投加量下出水TP質量濃度變化趨勢與進水質量濃度相似，雖然乙酸鈉投加量增加后可以提高TP去除率，但即使投加量達到60 mg/L，出水TP質量濃度平均值為0.63 mg/L，仍不能達標排放。有研究表明，單獨的生物脫氮除磷工藝在進水BOD5質量濃度150 mg/L以下時，出水TP質量濃度常常無法達到ⅠA標準要求[19]，而本試驗期間進水BOD5平均質量濃度約為17.7 mg/L。并且，本研究的MBR系統采用缺氧池前置工藝，在缺氧池內存在的反硝化菌首先消耗了大量碳源，進入厭氧池的碳源減少，厭氧段聚磷菌的釋磷效果降低。因此要達到昆明市地方排放標準ρTP≤0.3 mg/L的要求，采用增加碳源投加量的方法提高生物除磷效果，從技術上可行，但不具備經濟性。

2.2 中試MBR系統外加除磷劑強化處理

針對上述進水碳源不足導致出水TP不能穩定達標的情況，采用在膜池單獨投加PAC輔助化學除磷，投加量分別為0，10，20 mg/L，考察PAC投加量對MBR工藝去除TP效果的影響。由圖3可知，隨著PAC投加量的上升，中試系統對TP的去除作用增強。在PAC投加量是20 mg/L的情況下，系統實際進出水的TP質量濃度均值分別是1.17 mg/L和0.36 mg/L，此時其對TP的去除率達69.62%。利用PAC化學除磷是絮體沉淀吸附、配位沉淀、絡合物吸附、網捕和吸附架橋等綜合作用的結果，理論上隨著PAC投加量增大，沉淀生成量也會隨之增大，MBR系統對TP的去除效果也越好。分析數據發現，在0～20 mg/L的PAC投加量下，TP去除率隨投加量呈線性上升關系，因此在實際運行中可以根據進水TP質量濃度調控PAC投加量。

圖3 外加PAC對TP去除的影響

2.3 混合水質凈化廠實際運行調控效果及優化

根據上述中試研究結果，提出了洛龍河混合水質凈化廠MBR工藝強化脫氮除磷的2種方案。方案1：當進水TN質量濃度較高，出水氮磷均不能達標時，采用外加乙酸鈉以及PAC的雙調控方法，以外加乙酸鈉和PAC投加量分別為60 mg/L和20 mg/L為基準對凈化廠實際運行進行調試；方案2：當進水TN質量濃度較低，出水總磷不能達標時，則采用投加PAC的單調控方法。由于調控運行期間實際進水TN質量濃度低(14.8～31.6 mg/L)，不進行強化脫氮除磷時出水除TP外其他指標均可達標，故采用方案2進行除磷調控。根據該廠實際處理水量為2.0～2.5萬m3/d，按中試確定的20 mg/L計算出膜池中PAC投加量為 0.5 t/d，并結合凈化廠實際運行工況及出水TP質量濃度小于0.3 mg/L的提標要求，逐漸提高PAC投加量，最終確定投加量應在1.0～1.5 t/d的范圍內，投藥成本約為0.3～0.45元/m3。在2016年4月18日至2016年5月12日運行中，TP平均去除率提高到84.84%，出水基本達標，但仍存在TP質量濃度波動較大(0.26～0.71 mg/L)，其中2 d出水不能達標的問題。

經對整個調控流程的考察，分析導致上述問題的原因可能是：1)投加PAC的螺桿泵(額定流量：0.06～0.3 m3/h)橡膠襯套性能因PAC呈酸性易腐蝕而受到影響；2)通過計算，PAC的投加流量約為0.028 m3/h，低于螺桿泵的額定流量，效率降低。為提高PAC投加量，穩定出水TP質量濃度，提出將該螺桿泵換為流量調節范圍較廣、耐腐蝕性強的隔膜泵。PAC投加泵更換后，自當月23日起出水TP質量濃度可穩定達標。由圖4可知，在2016年5月～12月期間，凈化廠的TP出水質量濃度均值是0.28 mg/L，去除率的平均值達83%，這一結果表明即使進水TP質量濃度具有較大波動，采用強化措施后的MBR工藝仍然能夠使出水的TP質量濃度穩定地滿足昆明市地方排放標準要求。其后在2017年1～7月間的第三方監測機構檢測結果顯示，采用調控優化后參數運行，洛龍河混合水質凈化廠整體出水水質穩定達到ⅠA標準，如表3所示。

圖4 2016年混合水質凈化廠進出水TP月平均質量濃度

表3 第三方監測進出水水質

根據混合水質凈化廠實際運行調控后的第三方監測水質數據，由式(1)可以計算相應TP污染負荷削減增量。

ΔM=(C0-C1)×Q×T×10-6，

(1)

式中：ΔM為TP削減增量，t；C0表示進水平均TP質量濃度(第三方監測的數據是2.04 mg/L)；C1表示出水平均TP質量濃度(第三方監測數據為0.25 mg/L)；Q為混合水質凈化廠日處理量(取實際運行數據2.5萬m3/d)；T為混合水質凈化廠的年運行時間，取365 d，則該廠目前每年排入滇池TP削減量約增加16.3 t。推廣到滇池東岸相同處理工藝、相同處理水量的另一座待運行混合水質凈化廠，則以兩廠達到總設計處理水量為10萬m3/d計，預計每年削減排入滇池TP的量約為65.3 t。

3 結 論

1)在實際生產中，當出水TP要求在0.3 mg/L以下時，采用投加外碳源強化生物除磷仍不能保證其穩定達標，而采用輔助化學除磷是可行方法，且注意選擇合適的加藥泵，如采用流量調節范圍較廣、耐腐蝕性強的隔膜泵。

2)針對農業面源污水常年進水水質質量濃度、碳氮比以及碳磷比均較低，TN和TP質量濃度波動大的特點，可靈活采用外加碳源(乙酸鈉)和輔助化學除磷(PAC)的雙調控方法或輔助化學除磷的單調控方法，在出水氮磷穩定達標得到保障的前提下，使運行成本降低。

3)在生產中采用MBR工藝強化脫氮除磷的中試研究參數為基準，能有效地指導凈化廠的實際運行調控，使整個優化過程時間縮短，并實現出水穩定達標。