MBR脫氮除磷組合工藝研究進展

劉運勝 劉繼先 黃羽

摘要：指出了膜生物反應器是一種新型高效的污水處理工藝，但是單獨膜生物反應器工藝對氮、磷的去除很難達到排放要求，因此膜生物反應器脫氮除磷組合工藝成為研究的熱點。分析了多種膜生物反應器脫氮除磷組合工藝的原理、特點和處理效果，并探討了膜生物反應器脫氮除磷組合工藝存在的問題和發展趨勢，以期為MBR脫氮除磷組合工藝研究提供參考。

關鍵詞：膜生物反應器；組合工藝； 脫氮除磷

中圖分類號：

X52文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2016）08004604

1 引言

隨著國家工業、農業、新興產業的不斷發展，含有高濃度氮磷物質的污廢水排放入江河湖海時，會污染水體，同時使藻類等植物大量繁殖，導致水體水質惡化，出現水體的富營養化。富營養化的水體含有大量的磷酸鹽、硝酸鹽以及亞硝酸鹽，長期飲用將嚴重危害人類健康。因此，對城市污水進行脫氮除磷處理成為目前污水處理的一個研究熱點。實踐經驗表明，生物脫氮除磷工藝是解決水體富營養化問題的有效方法，正在廣泛應用于各種污水處理工藝之中[1]。

2 MBR脫氮除磷能力分析

膜生物反應器（Membrane bioreactor，MBR）是一種新型高效的污水處理技術，將傳統生物處理工藝與膜分離技術有機結合起來。與傳統生物處理技術相比，MBR具有出水水質好、抗沖擊能力強、操作管理簡單、占地面積小、水力停留時間與污泥停留時間分離等優點，因此日益受到污水處理行業的關注。MBR主要通過膜的物理截留作用，使硝化菌富集在好氧池內，延長污泥泥齡，滿足硝化菌的生長繁殖需要，減少了硝化菌的流失，從而滿足了脫氮的條件。研究結果表明，在MBR中存在反硝化脫氮除磷菌，在脫氮的同時也能有效地去除磷[2]。

MBR脫氮除磷工藝主要分為單一形式的MBR工藝和組合形式的MBR工藝兩大類。單一形式的MBR工藝出水水質很難達到越來越嚴格的氮、磷排放要求。組合形式的MBR工藝是目前應用比較普遍、發展前景良好的脫氮除磷工藝[3]。

3 MBR脫氮除磷組合工藝

將膜分離技術與傳統的生物脫氮除磷工藝相結合可以強化其脫氮除磷的效果。目前，開發及應用于工程實踐的生物脫氮除磷工藝有多種，如A2O工藝、倒置A2O工藝、UCT及其改良工藝、Bardenpho工藝、前置缺氧池的A2O工藝等。這些工藝都屬于傳統的組合工藝，且都具有脫氮除磷的功能。一方面能夠滿足去除污水中有機物的要求；另一方面又能脫氮除磷，在聚磷菌除磷的同時，經過硝化細菌的硝化、反硝化作用達到脫氮的目的。脫氮除磷工藝均包含著厭氧、缺氧、好氧3種狀態的交替。膜分離技術可以與這些生物脫氮除磷工藝相結合，形成MBR脫氮除磷組合工藝。下面介紹幾種具有代表性的MBR脫氮除磷組合工藝[4]。

3.1 A/O-MBR工藝

A/O-MBR脫氮除磷工藝和傳統的A/O工藝相類似，在好氧池前面增加一個缺氧池，膜組件浸沒在好氧池中。反硝化和微生物釋磷過程在缺氧段中進行，有機物的氧化、氮的硝化和微生物吸磷過程在好氧段進行，膜主要是代替重力沉淀池進行固液分離（圖1）。

在此工藝中，膜的分離過程對同步硝化反硝化及除磷過程起到強化作用。膜的物理截留作用可使MBR的污泥停留時間和水力停留時間分開，并且可以保持反應器中較高的污泥濃度，一般可以達到8～12g/L，這在一定程度上解決了傳統脫氮除磷工藝中硝化菌和聚磷菌對污泥停留時間的競爭問題。即在MBR脫氮除磷工藝中可以在不影響聚磷效果的同時，盡量延長污泥停留時間，給硝化菌帶來適宜的生長條件，使得反應器中硝化菌大量積累。并且此工藝采用好氧出水，可以很好的避免磷的二次釋放，保證出水磷穩定在一個較低水平。

饒正凱[5]采用A/O-MBR脫氮除磷工藝對生活污水進行小試試驗，試驗結果表明，間歇回流的運行方式下，系統的全程硝化率達到了99.4%，與連續回流的運行模式相比，TP的去除率明顯提高，由57.98%上升到81.5%，出水由2.13 mg/L降到了0.98 mg/L；

李菲菲等人[6]使用A/O-MBR 工藝處理水量為1500 m3的污水，試驗結果顯示，當進水 COD、總氮、氨氮平均濃度分別為481.3 mg/L、75.1 mg/L和65.8 mg/L時，出水 COD、總氮、氨氮平均濃度分別為 16.5 mg/L、13.4 mg/L和 0.7 mg/L，平均去除率分別為 96.4%、81.9% 和 99.0%。在進行化學除磷的情況下，出水總磷的平均濃度為 0.8 mg/L，平均去除率 86.5%。出水水質優于《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920-2002） 中的相應水質指標要求。

孫井梅等人[7]設計了一整套A/O-MBR 脫氮除磷工藝來處理天津地區高鹽的市政污水，研究了這套工藝對氨氮、總氮和總磷的去除效果。實驗結果顯示工藝對氨氮、總氮和總磷的去除效率分別是95%、50%～70%和60%～80%。實驗對總磷的去除效率已超過傳統的生物除磷。

3.2 A2/O-MBR工藝

A2/O-MBR工藝包括厭氧池、缺氧池、好氧池與膜池。厭氧、缺氧和好氧的組合有利于不同微生物菌群的生長，能同時去除有機物、氮磷等污染物，工藝流程簡單（圖2）。

張捍民等人[8]采用A2/O-MBR 工藝，對模擬生活廢水的脫氮除磷效果進行了研究。試驗結果顯示：當N、P 負荷為0.14 kg/（m3d）和0.03 kg/（m3d）時，COD、N、P 去除率分別為90.5%、80.6%和67.7%；系統不必外投硝酸鹽即可實現反硝化除磷，具有很強的反硝化脫氮除磷能力。

北方某城市[9]污水處理廠采用A2/O-MBR 工藝，當進水氨氮為20～60 mg/L，TP為2～8 mg/L，出水氨氮小于2 mg/L，TP小于0.5 mg/L，平均去除率分別為95%和87%。

3.3 倒置A2/O-MBR 工藝

倒置A2/O-MBR 工藝將缺氧池前置，工藝流程為缺氧-厭氧-好氧-膜生物反應器。該工藝充分利用水中碳源，首先進行反硝化作用，保證了系統的脫氮效果。同時聚磷菌經厭氧釋磷后，直接進入好氧段，充分發揮了聚磷菌在厭氧狀態下形成的吸磷動力，提高了系統的除磷效果（圖3）。

王盈盈等人[10]采用倒置A2/O-MBR 工藝，對北方某污水處理廠的合流制城鎮生活污水進行脫氮除磷試驗研究。試驗結果表明，該工藝具有同步脫氮除磷的作用，由于其膜的高效截留作用，較常規工藝去除效果更佳。該工藝對COD、NH3-N、SS去除效果較好，出水質量濃度可以達到低于50 mg/L、1 mg/L、10 mg/L。

3.4 A（2A）/O-MBR工藝

A（2A）/O-MBR工藝是兩段缺氧A2/O工藝與MBR工藝的組合。其中 MBR 反應池是處理工藝的核心，設置有厭氧池、第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池和膜池共 5 個處理單元[11]。兩段缺氧區使水中碳源得到充分利用，實現完全反硝化，大大提高了污水的生物脫氮效率，同時節省了外加碳源，節約運行費用（圖4）。

蔣嵐嵐等人[11]對太湖流域某城市污水處理廠采用的 A（2A）O-MBR 組合工藝的運行情況進行分析，監測結果顯示，出水COD、NH3-N、TN 和 TP 去除率分別為 91.9%、98.1%、64.5%和 95.8%，出水水質穩定達到城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB 18918-2002）中的一級A排放標準，并具有較強的耐沖擊負荷能力。

3.5 SBR-MBR工藝

SBR-MBR工藝是將序批式反應器（SBR）與MBR相結合形成的SBMBR。與SBR相比，由于膜組件物理截留作用，給硝化細菌及亞硝化細菌創造了良好的繁殖條件，系統污泥的生物活性高，吸附和降解有機物的能力強，同時在反應階段利用膜分離排水，可以減少傳統SBR的循環時間。與單一的MBR工藝相比，SBR式的工作方式創造了缺氧好氧的交替運行狀態，為除磷菌的生長創造了條件，同時也滿足了脫氮的需要，使得單一反應器內實現同時高效去除氮、磷及有機物成為可能[12]。

周律等人[13]采用序批式移動床生物膜反應器（SBMBBR）處理模擬生活污水。試驗結果表明：SBMBBR 在單位質量污泥的化學需用量（COD）負荷為0.8 g/（g·d），進水TN和TP的質量濃度分別為50 mg/L和8 mg/L的條件下，對總氮（TN）、總磷（TP）的去除效率分別為91.4 %、90.0 %，均高于同等條件下的SBR 系統，顯示出良好的脫氮除磷效果。

3.6 UCT-MBR工藝

UCT脫氮除磷工藝是在A2O工藝的基礎上，通過改進混合液的回流方式而得到的。UCT工藝將污泥回流位置由厭氧池變為缺氧池，從而降低了好氧區回流液對厭氧環境的沖擊，增強了聚磷菌的釋磷效果，同時增加了由缺氧池向厭氧池的回流液回流（圖5）。

李亞峰等人[14]采用UTC 工藝的復合式MBR（HMBR）系統進行污水脫氮除磷試驗研究。試驗結果顯示，在C/N=5～8、r=200%、R=300%、SRT=28 d的條件下，系統脫氮除磷效果最佳，TN 平均去除率79.17%，膜出水平均濃度11.78 mg/L；TP 平均去除率86.68%，膜出水平均濃度0.71 mg/L。

Noah I Galil[15]等采用UCT-MBR 進行中試試驗，試驗結果顯示，污泥齡在16～29 d變化范圍內，對出水水質的影響很小。出水COD的去除率基本穩定在95%左右，硝化率達100%，TN的去除率在89%～91%之間，出水TP也基本穩定在0.4 mg/L。

H Monclús[16]等采用UCT-MBR進行中試試驗，試驗結果顯示：在水力停留時間保持在15.06 h，底物COD∶N∶P為100∶11∶0.8 時，磷的去除率在80%以上。

3.7 MUCT-MBR工藝

MUCT工藝，即改良的UCT工藝，在UCT工藝的基礎上增設一個缺氧池，從而消除了回流硝酸鹽對厭氧釋磷過程的影響，提高了除磷效果。

張捍民等人[17]自行設計的雙反應器MUCT-MBR簡化了MUCT工藝，針對MUCT-MBR工藝脫氮除磷性能，尤其是反硝化除磷功能進行研究。結果表明，當進水C∶N∶P比在28.5∶5.1∶1～28.5∶7.2∶1范圍內時，整個實驗過程中COD、TN和TP平均去除率分別達到90%、81.6%、75.2%；系統運行至第58 d時，系統中反硝化除磷菌（DPAOs）所占比例達84.2%，反硝化除磷占系統總磷去除的67.07%。

4 MBR組合工藝脫氮除磷的發展趨勢

MBR工藝在污水需要回用和占地有限制的場合具有獨到的優勢。尤其是隨著地下污水處理廠的發展建設，使得MBR工藝在一些特殊的情況下成為首選的工藝方案。但與傳統的生物脫氮除磷工藝相比，MBR組合工藝脫氮除磷的研究還不是很成熟，缺乏工程運行經驗，很多研究成果還只停留在實驗室階段。因此將來研究的重點主要體現在以下幾方面。

（1）開發好氧和缺氧狀態交替運行的MBR工藝，充分發揮生物脫氮除磷功能將是未來MBR工藝的發展方向。

（2） 充分利用水中難生物降解有機物，提高生物脫氮效率，開發新型的MBR組合工藝也是未來的研究重點。

隨著城市的發展，城市污水中工業廢水水量的比例不斷增加，使得水中易降解有機物含量降低，有機碳源不足而導致脫氮除磷效率低。如果將難生物降解有機物轉化為易生物降解碳源用于脫氮系統，則可大大提高污水的生物脫氮效率，同時還可節省部分運行費用。因此開發新型MBR 組合工藝，充分利用水中難生物降解有機物以提高脫氮除磷效率并降低運行費用具有重要的實用價值。

（3） 膜污染問題制約著MBR的大規模應用，能否有效控制膜通量的衰減是保證MBR長期穩定運行的關鍵。目前，最常用的緩解膜污染問題的方法是向膜池中投加絮凝劑以及增加膜池的曝氣量，但同時這也增加了處理成本。

研究發現，胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物代謝產物（SMP）是造成不可逆膜污染的主要污染物。通過投加新型吸附材料，吸附EPS和SMP，延緩膜污染將是未來的研究方向。同時，改變膜表面特性，開發新型耐污染膜材料也是目前作為延緩膜污染的主流方式[18]。

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Abstract： Although membrane bioreactor is a new and efficient wastewater treatment process， it can not remove nitrogen and phosphorus effectively to meet the requirements of discharge standard. Thus， process in nitrogen and phosphorus removal using MBR combined process has become a hot research topic. This paper introduces the principle， characteristics and effects of kinds of nitrogen and phosphorus removal using MBR combined process， analyzes the problems and development tendency of process in nitrogen and phosphorus removal using MBR combined process.

Key words：MRB； membrane bioreactor； combined process； nitrogen and phosphorus removal