王素蘭，于 潔，胡 猛，邢傳宏

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001;2.輝縣市環(huán)境保護(hù)局，河南輝縣453007)

0 引言

近幾年來，膜生物反應(yīng)器作為一種處理效果好、可持續(xù)發(fā)展的新型城市污水處理技術(shù)，得到越來越廣泛的應(yīng)用［1-2］.與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，膜生物反應(yīng)器技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):①膜生物反應(yīng)器代替了沉淀池，使膜池內(nèi)具有高污泥濃度，并形成局部缺氧環(huán)境有利于同步硝化反硝化，而且降低了工藝對(duì)空間的要求［3］;②去除懸浮物和膠體物質(zhì)的同時(shí)，還能去除重金屬、微生物、細(xì)菌、病毒等物質(zhì)，從而提高了出水水質(zhì)［1］;③剩余污泥產(chǎn)率降低［4-6］.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膜生物反應(yīng)器工藝的脫氮除磷效果進(jìn)行了大量研究.MinGu Kim［7］、黃霞［8］、吳念鵬［9］等對(duì)膜脫氮除磷工藝進(jìn)行了研究，出水 TN、TP濃度可達(dá)到 GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).Khac-Uan Do等［10］在減少剩余污泥排放的基礎(chǔ)上研究膜生物反應(yīng)器的脫氮除磷效果，但TN去除率為60% ～62%，TP去除率僅為38% ～40%.

為此，本試驗(yàn)以沉砂池出水為研究對(duì)象，采用A2/O-MBR組合工藝，對(duì)混合型城市污水進(jìn)行中試研究，考察了該工藝的脫氮除磷效果，試驗(yàn)歷時(shí)3個(gè)月，試驗(yàn)期間減少對(duì)剩余污泥的排放.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與流程

A2/O-MBR工藝的試驗(yàn)裝置見圖1所示.

圖1 A2/O-MBR工藝試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup chart of A2/O-MBR process

本試驗(yàn)裝置由厭氧池、缺氧池、好氧池組成，容積分別為200、75、300 L.厭氧池與缺氧池設(shè)為一體，中間設(shè)有隔板但底部相通，厭氧池內(nèi)設(shè)攪拌器，攪拌葉輪設(shè)于底部，側(cè)壁下部設(shè)進(jìn)水管，上部設(shè)厭氧出水管與缺氧池下部相連.缺氧池上側(cè)壁設(shè)有集水槽，連接缺氧出水管與好氧池相接，下部設(shè)氣管進(jìn)行攪拌.好氧池內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流隔板，一側(cè)放入膜組件，膜組件底部設(shè)有曝氣裝置，底部接有排泥管.好氧池混合污泥回流至缺氧池內(nèi).試驗(yàn)中用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)、出水流量以及回流流量，缺氧池至好氧池間的流動(dòng)主要依靠液位差進(jìn)行控制.

試驗(yàn)中膜組件采用的膜材料為耐生物降解的聚偏氟乙烯(PVDF)，膜孔徑為0.2 μm，膜面積為5.0 m2.

1.2 試驗(yàn)用水和接種污泥

試驗(yàn)在鄭州市某城市污水處理廠進(jìn)行，試驗(yàn)進(jìn)水為該廠二期沉砂池出水，經(jīng)高位水箱提升后進(jìn)入試驗(yàn)裝置.設(shè)計(jì)進(jìn)水流量為41.7 L·h-1，厭氧池、缺氧池、好氧池的水力停留時(shí)間分別為4.0，1.5，6.0 h，好氧池至缺氧池的設(shè)計(jì)回流比為200%.進(jìn)水水質(zhì)特征見表1.

表1 水質(zhì)特征Tab.1 Influent quality

試驗(yàn)接種污泥取自該污水處理廠二沉池的回流污泥.

1.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:溫度、DO，PH，COD，TP，TN，NH3-N，MLSS等指標(biāo).其中，溫度、DO，pH 3 個(gè)指標(biāo)每隔一天測(cè)定一次，COD，TP，TN，NH3-N，MLSS五個(gè)指標(biāo)每隔兩天測(cè)定一次.

COD，TP，TN，NH3-N 指標(biāo)采用哈希 DR2800便攜式分光光度計(jì)測(cè)定;DO，pH指標(biāo)分別采用哈希sension6 DO儀、哈希 sension1 pH儀測(cè)定;MLSS依據(jù)水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)中的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［11］.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除效果

2.1.1 COD去除效果分析

系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果見圖2所示.試驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定后，第一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間取為第1 d.

由圖可知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水COD濃度在131～1 637 mg·L-1之間波動(dòng)，變化范圍較大，但出水基本低于50 mg·L-1，只有8月21日、9月23日等共6 d出水COD略高于50 mg·L-1，可見系統(tǒng)具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力.膜孔徑為0.2 μm，對(duì)膠體和顆粒狀態(tài)的 COD去除效果明顯［12］，與傳統(tǒng)工藝相比，膜的截留作用進(jìn)一步提高了出水水質(zhì)，出水COD的平均濃度為28.24 mg/L，平均去除率為93.04%，最高去除率可達(dá)99.8%.

圖2 COD濃度及去除率隨時(shí)間的變化圖Fig.2 Variation of COD concentration and removal rate with time

分析計(jì)算可得，COD主要在厭氧池內(nèi)得到大量去除，其次是好氧池.厭氧池中COD大量減少除了被厭氧或兼性微生物利用之外，可能部分被污泥絮體吸附［13］.厭氧池、缺氧池、好氧池(包含膜組件的作用)對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)依次為:55%，4%，41%.

2.1.2 TP去除效果分析

系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果見圖3所示.

圖3 TP濃度及去除率隨時(shí)間的變化圖Fig.3 Variation of TP concentration and removal rate with time

由圖知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水總磷濃度維持在1.67～21.7 mg·L-1之間，出水基本低于0.5 mg·L-1，只有8月19日、9月10日等共5 d由于未及時(shí)排泥出水總磷略高于0.5 mg·L-1.在基于污泥減排的基礎(chǔ)上，出水總磷的平均濃度為0.28 mg·L-1，平均去除率可達(dá)95.10%，取得了良好的除磷效果，這是本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在.

分析計(jì)算可得，TP主要在好氧池內(nèi)得到大量去除，其次是缺氧池.缺氧池中TP減少，B表明缺氧池內(nèi)存在反硝化除磷作用.好氧池內(nèi)TP去除量最多，符合生物除磷過程的一般規(guī)律，包括聚磷菌的吸磷作用，也可能存在同步硝化反硝化作用.另外，膜分離可以去除不易通過重力分離去除的細(xì)小磷酸鹽沉淀或膠體磷，對(duì)更好的降低出水磷的濃度起到了一定的作用，這也是MBR工藝在強(qiáng)化除磷方面的優(yōu)勢(shì)［8］，好氧池以及膜組件的共同作用對(duì)總磷的去除率可達(dá)73%.

2.1.3 TN去除效果分析

系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果見圖4所示.

圖4 TN濃度及去除率隨時(shí)間的變化圖Fig.4 Variation of TN concentration and removal rate with time

由圖知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水總氮濃度維持在10～70 mg·L-1之間，變化范圍較大，但出水基本低于15 mg·L-1，只有8月19日、9月25日等共5 d出水總氮略高于15 mg·L-1.出水總氮的平均濃度為9.51 mg·L-1，平均去除率為74.59%.可能由于好氧池內(nèi)具有較高的DO(試驗(yàn)期間，好氧池內(nèi)平均DO濃度為3.82 mg·L-1，池內(nèi)最高DO可達(dá)5.85 mg·L-1)，回流時(shí)提高了溶解氧對(duì)污泥絮體的穿透力，卻也破壞了厭氧微環(huán)境使好氧段產(chǎn)生過多的硝酸鹽積累，使出水中氮的含量升高［14］，但試驗(yàn)期間基本達(dá)到預(yù)期脫氮目的.

分析計(jì)算可得，TN主要在厭、缺氧池內(nèi)得到大量去除，厭缺氧一體池為主要的脫氮單元，主要通過反硝化作用，可去除68%的總氮.好氧池內(nèi)有氮的去除作用，可能存在同步硝化反硝化.膜的截留作用也起到了一定的脫氮效果.

2.1.4 NH3-N去除效果分析

系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除效果見圖5所示.

由圖知，試驗(yàn)期間，進(jìn)水氨氮濃度維持在6.7～42.6 mg·L-1之間，只有8月19、9月25日等共4 d由于好氧池內(nèi)DO控制不當(dāng)(DO＜1 mg·L-1)使出水氨氮略高于5 mg·L-1，其余天出水都低于5 mg·L-1，試驗(yàn)過程中較高的曝氣量和較高的污泥濃度為硝化過程創(chuàng)造了良好的條件［15］，系統(tǒng)硝化作用較為完全.出水氨氮的平均濃度為1.69 mg·L-1，平均去除率為93.70%.

圖5 NH3-N濃度及去除率隨時(shí)間的變化圖Fig.5 Variation of NH3-N concentration and removal rate with time

氨氮主要在好氧池內(nèi)通過硝化作用得到去除，好氧池內(nèi)消化作用以及膜組件作用可分別去除氨氮70%，11%.缺氧池也可去除一部分氨氮，可能是回流液中攜帶溶解氧的緣故.其中，厭氧池內(nèi)氨氮量增加，主要是因?yàn)檫M(jìn)水中有機(jī)氮通過氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮.

2.2 MLSS的變化

圖6表示了各反應(yīng)器MLSS的變化.

圖6 各反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度的變化圖Fig.6 Variation of MLSS in different unit

各反應(yīng)池的平均污泥濃度分別為厭氧池12.65 g·L-1、缺氧池 8.46 g·L-1、好氧池6.82 g·L-1，三池平均污泥濃度為9.31 g·L-1.相對(duì)于傳統(tǒng)的A2/O工藝，該工藝的平均污泥濃度要高的多，這為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證.試驗(yàn)期間，出水MLSS幾乎為0.

3 結(jié)論

(1)A2/O-MBR組合工藝對(duì)混合型城市污水具有良好的脫氮除磷效果.系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，TN、TP、COD、NH3-N 的平均去除率分別為74.59%，95.10%，93.04%，93.70%，平均出水濃度分別為9.51，0.28，28.24 和 1.69 mg·L-1，各指標(biāo)出水均優(yōu)于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn).

(2)該工藝中COD主要去除單元為厭氧池，對(duì)COD的去除率占總?cè)コ实?5%;TP的主要去除單元為好氧池和膜組件，對(duì)TP的去除率占總?cè)コ实?3%;TN主要去除單元為厭氧池和缺氧池，對(duì)TN的去除率占總?cè)コ实?8%;NH3-N的主要去除單元為好氧池和膜組件，對(duì)NH3-N的去除率占總?cè)コ实?1%.

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