MABR與生物接觸氧化池處理微污染原水對比試驗研究

＊葛紹根 朱一凡 蘇銀祥 甄樹聰

（1.建湖縣自來水有限公司 江蘇 224700 2.鹽城工學院 江蘇 224051）

近年來，南方多水地區由于水質原因造成的缺水現象日益嚴重[1]。水源水季節性污染嚴重，主要表現為夏季雨季氨氮濃度增加、溶解氧減少、有機污染物增加、原水水質顯著下降[2]。因此，在遇到污染時，對微污染原水進行預處理，提高供水質量的安全性就顯得尤為重要。尋求有效去除水中氨氮和有機污染物的新工藝方法是當前水凈化工藝面臨的主要問題之一[3-4]。

在傳統的預處理工藝中，生物預處理工藝被認為是最有效的技術之一[5]。生物處理是污水處理的常用方法，是利用懸浮或固著的好氧或厭氧微生物群體的新陳代謝活動，通過硝化反硝化去除水中的氨氮、降解吸收有機污染物或部分金屬物質，通過預處理，不但可以改善水的混凝沉淀性能，提升后續處理環節的效果，也能夠減輕深度處理工藝的負荷，延長過濾或活性炭吸附等處理環節的使用壽命和使用容量，最大限度發揮凈水處理工藝整體作用，更好保證出水水質。近年來，國內多數水廠已經采用該工藝對原水進行預處理[6-7]。

透氧膜生物反應器（Membrane Aeration Bioreactor，簡稱為MABR）是一種無泡曝氣技術，將氧氣傳給生長在膜上的微生物，水中的污染物通過擴散作用進入以MABR膜為載體生長的生物膜中，通過微生物的降解作用，最終實現污染物的去除。該工藝在污水處理領域有許多成功的應用[8]。近年來，國內一些單位也對該工藝進行了研究和開發，并逐步將其應用于治理河水污染以及對原水進行預處理[9-10]。

本研究通過對MABR處理建湖城南水廠微污染原水中常規指標的效果進行研究，探討其作為接觸氧化池新型填料的可行性。

1.城南水廠簡介及原水水質

建湖縣自來水有限公司城南水廠設計處理規模為12.5萬m3/d，工藝為：生物預處理-機械混合-網格絮凝-平流沉淀-V型濾池-臭氧消毒-生物活性炭濾池-清水池。接觸氧化池（5m×5m×16組）采用YDT型彈性濾料，底部曝氣，原水停留后從上方流出，進入下一工序。由于建湖縣地處里下河下游低洼地區，內河徑流量小，稀釋更新速度慢，整個夏季水源水均表現為高色度高有機污染狀態，原水呈現富營養化狀態，藻類生長繁殖旺盛。原水水質年際各指標情況見表1[7]。

表1 原水水質情況（mg/L）

6月起，進入豐水期，建湖本地原水遭受明顯污染，各項常規指標逐漸出現惡化；7月、8月水質惡化明顯，各項常規指標均超出Ⅲ類水標準。

2.試驗裝置與方法

(1)試驗裝置

膜生物反應器為立方柱體，有效工作體積10L。試驗裝置如圖1所示，膜組件為中空纖維氧合膜，膜孔徑為1nm，膜面積為3.5m2，曝氣量為10L/(min·m2)組件浸于反應池內。試驗期間運行主要控制參數列于表2。

圖1 MABR實驗裝置圖

表2 MABR操作條件

(2)檢測項目與方法

檢測項目有pH、DO、CODMn、NH3-N、濁度、UV254等。其中pH、DO采用便攜式測定儀測定，其余各項目均采用標準方法進行分析[11]。

(3)MABR掛膜

實驗裝置主要為一組浸入式MABR組件，主要構件為一束（200根），長15cm的中空纖維透氧膜，膜有效面積為3.5m2。原水污染時期，裝置按一定流速連續進原水，保持原水在裝置中停留時間約為1h。同時用一臺45W隔膜泵連向透氧膜中空部分連續充氣，保持MABR膜一直通氣使之透氧，膜尾端壓力保持0.01MPa。掛膜期間大流量進水，懸浮物會隨出水流走，每天根據檢測數據投加碳源，保持碳氮比在6:1左右，加快掛膜進度。水溫保持在20℃±5℃。約15d后掛膜成功，見圖2。膜表面附著一層土黃色生物膜。掛膜成功后，模擬建湖縣自來水有限公司城南水廠接觸氧化池正常運行情況。建湖縣城南水廠處理量Q=2500m3/h，曝氣量Gs=4800m3/h，MABR中試裝置設計處理量Q=10L/h，通氣量Gs=60L/min，保持穩定運行。

圖2 掛膜運行15d后MABR膜狀態

3.結果與分析

(1)MABR與生物接觸氧化池處理效果

2023年8月1日至8月31日，采用連續進出水的方式，監測生物接觸氧化池和MABR進水和出水濁度、NH3-N、UV254、CODMn4項指標，結果見圖3。

圖3 生物接觸氧化池和MABR處理效果

由圖3（a）可以看出，生物接觸氧化池對濁度的去除效果較好，最高達46.7%，MABR中試裝置對濁度去除效果一般，最高只有19.1%。圖3（b）中，MABR中試裝置對UV254具有較高的去除率，介于30.25～53.1%之間，而生物接觸氧化池的去除率介于4.2%～17.9%之間，明顯低于MABR。接觸氧化池NH3-N去除率范圍40.0%～85.3%，均值65.64%；CODMn去除率范圍0.6%～16.8%，均值6.08%。MABR中試裝置NH3-N去除率范圍55.3%～89.1%，均值78.85%；CODMn去除率范圍3.4%～10.9%，均值6.96%。NH3-N去除率均值MABR中試裝置比接觸氧化池高約20%，CODMn去除率均值MABR中試裝置比接觸氧化池高約14%。

(2)溫度對處理效果的影響

溫度是影響生物處理效果的一個重要因素，調節實驗室空調溫度，設定為20℃、25℃、30℃，使進水水溫達到設定溫度后，連續進水，每個設定溫度連續監測7d，取平均去除率，結果見圖4。

圖4 溫度對生物接觸氧化池和MABR去除率的影響

由圖4可以看出，溫度對去除率有明顯的影響，25℃時，生物接觸氧化池和MABR中試裝置對各污染物的去除率最高，20℃時最低，30℃時去除率介于二者之間。三種溫度下，MABR中試裝置的去除率均高于生物接觸氧化池。

4.經濟效益分析

(1)能耗分析

建湖縣自來水有限公司城南水廠接觸氧化池曝氣風機日均耗電約1800kW·h，日均原水處理量約6×104m3，平均每立方米水耗電約0.03kW·h；中試裝置設計處理量Q=10L/h，平均每立方米水耗電約0.005kW·h。經過對比，MABR電耗約為接觸氧化池電耗的16.7%，不僅能夠節約成本還響應了節能減排的要求。

(2)土地占有量分析

傳統接觸氧化占地以建湖自來水有限公司城南水廠為例，日處理量6×104m3，占地約400m2（5m×5m×16組），MABR膜裝置日處理6×104m3，占地約需200m2。

5.結論

（1）綜合對比原水微污染（CODMn＜10mg/L、NH3-N＜3mg/L）時期接觸氧化池與MABR中試裝置對CODMn、NH3-N、濁度及UV254的處理效果，可以看出MABR膜處理微污染水中有機物的能力明顯高于傳統接觸氧化池，CODMn的去除率要高出14%，NH3-N處理率高出20%。

（2）溫度對處理效果有明顯影響，25℃時對污染物去除效果最佳。

（3）MABR風機曝氣電耗約為接觸氧化池的16.7%，整體能耗下降80%以上，在經濟與環保角度，明顯優于接觸氧化池。

（4）同等處理需求下，替換為MABR所需占地面積僅為原來的一半，為水廠擴充產能提供了新的思路。