一體式A/O-MBR反應裝置處理農村生活污水研究

黃正文， 謝澤宇

(1.成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106； 2.西南科技大學 環境與資源學院， 四川 綿陽 621000)

一體式A/O-MBR反應裝置處理農村生活污水研究

黃正文1， 謝澤宇2

(1.成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106； 2.西南科技大學 環境與資源學院， 四川 綿陽 621000)

采用連續曝氣預啟動逐步延長停曝時間的方式啟動一體式A/O-MBR反應裝置處理農村生活污水.試驗結果表明，裝置的污泥馴化時間和工藝運行穩定后出水CODcr、氨氮、SS平均值分別為17.13、1.38、3.31 mg/L，均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標的排放，因受污泥泥齡等因素影響，裝置對總磷的去除效果不太明顯.

一體式反應裝置；農村生活污水；膜生物反應器；污水處理

0 引 言

近年來，由于各大、中型城市污水處理廠及附屬設施的建設，城市地區的水環境污染情況已得到極大的緩解與控制.而農村地區的生活污水一般未經處理，就直接排入附近小溝渠道并最終進入江河等受納水體，導致整個地區的水環境污染呈現不斷加劇的趨勢[1-2].膜分離技術與污泥生物處理法有機結合的生物化學反應(membrane biological reactor，MBR)[3]系統，是一種新型的污水處理工藝技術.其中，膜分離用于截留微生物，由于它用膜組件代替傳統活性污泥處理法工序中的二次沉淀池，大大提高了反應裝置的固液分離的能力[4].目前，基于MBR工藝技術的研究取得大量的成果，并廣泛應用在各個領域的污水處理工程中[5-8].在此基礎上，本研究利用“厭氧+好氧+MBR”組合工藝為一體的膜生物反應裝置來處理農村生活污水，分析了該一體化反應裝置的啟動條件及穩定運行時對農村生活污水的處理效果，對該裝置部分運行工況的參數做了優化，擬為MBR工藝技術處理類似的農村生活污水提供一種有益的參考.

1 試 驗

1.1 試驗裝置工藝流程

本試驗裝置處理農村生活污水的工藝流程如圖1所示.

圖1生活污水處理工藝流程示意圖

1.2 試驗用水

本試驗所用的污水以成都市溫江區某CASS污水廠調節池出水為研究對象，根據該水廠監測數據，其BOD5/COD>0.3，污水的可生物降解性良好，污水實測水質如表1所示.

表1 進水水質實測指標

1.3 水質分析方法

本研究對水質進行監測與分析采用的方法如表2所示.其中，

CODcr的標準曲線：y=0.0004x-0.0004，R2=0.9997；

氨氮的標準曲線：y=0.171x+0.004，R2=0.999；

表2 水質監測與分析方法

總磷的標準曲線：y=0.077x+0.005，R2=0.999.

1.4 污泥馴化

本A/O-MBR膜生物反應裝置試驗所采用的接種污泥全都取自成都市溫江區某CASS污水處理廠二沉池的排放污泥，該污水處理廠采用CASS生物處理工藝達到有機物和氮磷的去除，因此污泥微生物相豐富，接種污泥的SVI值在58.3～65.7 mL/g之間.

污泥馴化的流程為：悶曝24 h之后，風機停止曝氣，靜置1 h，排去好氧池上清液直至顯現膜支架1/2處；然后重新補滿原水進行污泥馴化.重復進行2 d之后，開始進行小通量測量的進、出水各項指標.

2 結果與分析

2.1 CODcr去除效果分析

在A/O-MBR膜生物反應裝置啟動運行過程中，隨著運行時間的增加，反應裝置進出水的CODcr濃度及其去除率的變化如圖2、圖3所示.

圖2 CODcr濃度隨運行時間變化曲線

從圖2可以看出，A/O-MBR反應裝置的進水CODcr濃度波動比較小，濃度范圍在168～192 mg/L之間，平均濃度值為176 mg/L.反應裝置運行10 d后，出水CODcr濃度范圍在13～26 mg/L之間，平均濃度在16.8 mg/L，雖然有輕微波動，但整個曲線趨于平緩，這說明反應裝置內的生物相成長已接近成熟，菌膠團逐步增大，大顆粒污泥正在形成，生物相對反應裝置內的污染物已經逐漸適應，并實現對供試污水進行處理，達到降低污染物的作用.

圖3 CODcr去除效率隨運行時間變化曲線

從圖3可以看出，在污泥馴化開始的3 d中，對CODcr還是有60%以上的去除率，對CODcr去除效果可以驗證膜對懸浮有機物的截留.隨著反應裝置經過一段時間的運行馴化，活性污泥中原有微生物在新的工況環境中慢慢地適應調整，開始改變轉好活性污泥的性狀，污泥沉降比(SV%)在40%～50%，污泥濃度SVI逐步提高，穩定在5 000～6 000 mg/L左右.此階段，膜生物反應裝置對有機污染物去除效果起作用，開始從膜組件對有機污染物的截留作用向微生物對有機污染物的分解、合成代謝作用轉變.經試驗測定，本膜生物反應器裝置啟動10 d之后，對有機污染物的去除效率可達到90%以上.

2.1.1 膜對CODcr去除的影響.

在A/O-MBR運行工藝中，由于膜組件在出水時對混合液中的污泥起到截留作用：一方面，反應裝置的污泥濃度得以提高，進而增加單位體積下的微生物總量；另一方面，增長其有機污染物與活性污泥的接觸時間.此外，由于膜元件的截留作用，膜生物反應器對有機物的去除能力在很大程度上得到強化.

2.1.2 溶解氧濃度與CODcr去除率的關系.

溶解氧濃度是膜生物反應器運行的重要參數，其不僅向反應器中的活性污泥中的微生物種群提供氧氣，而且曝氣使得反應器中的水流產生攪動，加劇了反應器中的紊流程度，產生水力剪切力.曝氣還能使膜元件表面產生一定程度上的震動，剔除附著在膜元件表面上的污染物，延長膜元件清洗的周期.

A/O-MBR反應裝置穩定運行期間，好氧曝氣區DO濃度的不同，反應裝置對CODcr的去除效果可能存在差異.不同溶解氧濃度下，反應器CODcr去除率的變化情況如圖4所示.

由圖4可以看出：在保持好膜生物反應裝置中缺氧區間的溶解氧濃度在0～0.5 mg/L的條件下，通過調節曝氣的強度，改變好氧區間的溶解氧濃度，從1.5～2.5 mg/L升至2.5～3.5 mg/L，再升至3.5～4.5 mg/L，整個污水處理系統對CODcr的去除效率在85.47%～92.65%范圍內，去除效率隨著溶解氧濃度的變化，先升高再降低，平均去除效率為90.26%.

圖4溶解氧濃度對CODcr去除效率的影響

試驗發現，將反應裝置好氧區間溶解氧濃度控制在1.5～4.5 mg/L范圍內時，系統對有機物的去除沒有很大的影響.所以，從節省能源的角度上來看，反應裝置可以考慮在低溶氧濃度范圍下的工況下運行.相關研究發現，并不是增加溶解氧濃度就有利于提高反應裝置的處理效果，溶解氧濃度的選定有一個最佳值，低于此數值時，不利于硝化反應進行，抑制反應裝置內生物活性，高于此數值時，不利于在反應裝置內形成粒徑較大的大顆粒污泥，這就使得反應裝置內生化反應進行緩慢，不利于其他污染物的去除[9].

2.2 氨氮去除效果分析

在A/O-MBR膜生物反應裝置啟動運行過程中，隨著運行天數的增加，反應裝置進、出水氨氮濃度及其去除率的變化如圖5、圖6所示.

圖5隨運行時間變化氨氮去除效果

從圖5可以看出，反應裝置運行30 d后，其進水氨氮濃度一直穩定在16.6～18.6 mg/L的范圍之內，平均值為17.7 mg/L，培養系統運行13 d后，出水氨氮濃度范圍在1.16～1.58 mg/L之間，平均濃度為1.38 mg/L.可見，反應裝置在運行一段時間之后，對氨氮的去除效果比較穩定.

從圖6可以分析得出，系統運行13 d后， 反應裝置的氨氮平均去除率91.29%，最高為93.17%，出水水質穩定.其中氨氮已達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002一級A標，可滿足污水排放的要求.

圖6隨運行時間變化氨氮去除效率曲線

為了探究膜生物反應器中含氮有機物的分布情況，通過檢測，好氧池中的上清液中氨氮平均含量為1.47 mg/L，與出水中的氨氮平均含量1.38 mg/L相比，整個污水處理系統總去除率和生物反應器的去除率沒有很大的差別.可見，平板膜的分離、截留作用對氨氮的去除并無太大的貢獻，對含氮有機物的去除主要是微生物新陳代謝的作用.

針對本試驗對象屬于低有機負荷的生活污水，A/O-MBR工藝與傳統活性曝氣污泥法相比，具有更強的硝化效果.這是因為在傳統活性曝氣污泥法中，有機負荷是影響硝化效果一個很重要的因素.在低濃度的有機負荷的條件下，相比于其他類細菌，硝化細菌的生長不占據優勢，硝化菌的比增長速度較小，并且由于排泥的需要，硝化細菌來不及生長就排出系統.而在A/O-MBR運行工藝中，由于膜組件在出水時對混合液中的污泥起到截留作用：一方面，反應器的污泥濃度得以提高，進而增加單位體積下的微生物總量，并且，可以促進繁殖生長世代周期較長的硝化細菌，進而實現好氧硝化菌的富集；另一方面，增長了氨氮與活性污泥中的微生物的接觸時間，從而，提高了污水中氨氮的去除效率[10].

2.3 總磷去除效果分析

在A/O-MBR膜生物反應裝置啟動運行過程中，反應裝置采取無排泥狀態運行，隨著運行天數的增加，反應裝置進、出水總磷濃度及其去除率的變化如圖7、圖8所示.

從圖7、圖8可以看出，反應裝置的進水總磷濃度波動比較小，濃度范圍在2.23～2.57 mg/L之間，平均濃度值為2.37 mg/L.在啟動初期，反應裝置運行的17 d內，總磷的去除效率呈上升的趨勢，因為在反應裝置的運行初始階段，活性污泥的生長需要吸收一部分磷，隨著系統的馴化穩定，細胞對磷需求量的減少，加之沒有排出剩余富磷污泥的原因，造成系統中磷的不斷積累，總磷去除率隨著系統運行時間的延長出現下降趨勢，運行25 d后，總磷的去除效率為23.81%～29.91%.

圖7隨運行時間變化總磷去除效率曲線

圖8隨運行時間變化總磷去除效率曲線

試驗表明，反應裝置在無排泥條件下連續運行，總磷的去除效率不穩定，磷在反應裝置中有明顯的累積現象.試驗中除每天取泥樣外無排泥，從理論上講，反應裝置不能滿足生物除磷條件，總體來說，對磷的去除效果不佳.

由于在本次試驗研究中，反應器在運行17 d時，總磷的去除效果呈上升態勢，所以，針對類似生活污水，可以將污泥齡的控制在17 d左右.在具體工程的運行中應經過試驗來確定其數值，并且探究排泥量對反應系統穩定性的影響.

2.4 SS去除效果分析

在反應裝置啟動運行過程中，隨著運行天數的增加，反應裝置進、出水SS濃度及其去除率的變化如圖9所示.

從圖9可以看出，從反應裝置開始啟動運行的30 d內，反應裝置的SS進水濃度范圍為119～132 mg/L，平均濃度為126.5 mg/L，SS出水的濃度范圍在3.0～3.6 mg/L，平均濃度為3.31 mg/L，進、出水的SS濃度波動不大.SS的處理效率為97.14%～97.63%.可見，在膜的截留作用下，SS的去除效果良好，并且穩定.

由于農村生物污水的自身的有機物含量就比較低，用傳統活性污泥處理有著很大的局限性，而在本次試驗所使用的A/O-MBR工藝中膜的截留作用保證了反應裝置內的微生物量，從而得到了穩定良好的出水水質.

圖9 SS的處理效率

3 結 論

本研究采用一體式A/O-MBR反應裝置對污染物(CODcr、NH3-H、總磷、SS)進行處理，得到以下結論：

1)A/O-MBR反應裝置對CODcr、氨氮、SS的去除效果比較理想，裝置運行穩定性較好，其出水的CODcr、氨氮、SS平均值分別為17.13、1.38、3.31 mg/L，均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002一級A標的排放.

2)反應裝置的氨氮去除率均達到90%以上時僅用了13 d時間，可見本反應裝置啟動迅速，馴化污泥的時間比較短.

3)在試驗中，進水有機物濃度較低，為了保證反應裝置中足夠的微生物量，采用無排泥方式運行，這樣對磷的去除幾乎無法實現.對此，根據試驗數據得出結論，反應裝置存在一個較為合適的污泥齡，當污泥齡控制在17 d時，選擇排掉一部分污泥，可以使得富磷污泥能夠排出系統之外，從而達到除磷的目的.

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Abstract：The pre-boot of continuous aeration is adopted to gradually extend aeration on/off time and in the same way,the integrated device of A/O-MBR is activated.When the research on the sludge acclimatization time of this process is done and the process runs stably for some time,the average effluent chemical oxygen demand ammonia nitrogen,suspended solids are 17.13,1.38,3.31 mg/L.All can meet the criteria of the Grade A,Level 1 emission according to the sandards for pollutant discharge of urban sewage treatment plants issued by the ministry of environmental protection.The effect of the system on the removal of total phosphorus is poor due to the influence of the sludge age and some other factors.

Keywords:integrated device；rural sewage；membrane bioreactor；sewage treatment

RuralSewageTreatmentbyIntegratedDeviceofA/O-MBR

HUANGZhengwen1,XIEZeyu2

(1.School of Architecture and Civil engineering, Chengdu university, Chengdu 610106, China；2.School of Environment and Resource, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621000, China)

X703

A

1004-5422(2017)03-0328-05

2017-06-02.

黃正文(1969 — )， 男， 博士， 教授， 從事污染控制關鍵技術研究.