MBR工藝在農村生活污水處理中的應用

王鴻遠, 陳子愛, 潘 科, 施國中

(農業農村部沼氣科學研究所， 四川 成都 610041)

我國農村每年產生的生活污水量約為70億噸，占全國污水排放總量的50%以上。但我國農村污水處理率僅為13%～34%，而城市污水處理率達91.97%[1]。農村生活污水氮磷含量高，COD含量低，屬于低碳氮比污水，并具有排放點分散、水質水量變化大的特點，而且許多地區并不具備管網收集系統。截至2020年3月，已經近30個省市自治區發布了地方性的農村生活污水處理設施水污染排放標準，對農村生活污水處理提出了更嚴格的要求。

與傳統的活性污泥法和生物膜法等工藝相比，MBR工藝是一種新興的工藝。膜生物反應器(MBR)是以傳統活性污泥法為主體的生物處理技術與以超濾或微濾為主體的固液分離技術的有機結合，它的主要特點是利用膜組件代替了傳統活性污泥法中末端的二次沉淀池。由于MBR技術的獨特優勢，大多數MBR工藝可以獲得相當穩定的處理性能；膜的高效分離也為MBR工藝提供了良好的抗沖擊的能力。

1 MBR工程的主流工藝——A2O-MBR

在生活污水處理領域，MBR工程所采取的主流工藝為厭氧/缺氧/好氧-膜生物反應器(A2O-MBR)工藝及其變形，以適應生活污水處理中同步生物脫氮除磷的要求，它是一種常用的二級污水處理技術。謝晴[2]等在四川農村地區示范點運行A2/O-MBR一體化設施出水中COD，BOD5，氨氮，TP濃度分別為21.4，4.6，0.24，0.42 mg·L-1，糞大腸菌群濃度為916個·L-1，SS未檢出。黃正文[3]等采用一體式A/O-MBR處理農村污水出水的CODcr，氨氮，SS平均值分別為17.13，1.38，3.31 mg·L-1。陳欣儀[4]等發現倒置A2/O-MBR工藝可解決農村水體黑臭問題，試驗中當水處理量為0.75 m3·h-1，HRT=15.5 h時，系統對有機物、氨氮、TN和TP去除率分別達到84.90%，96.42%，30.22%和47.75%。

2 適用于農村地區的一體化設施

農村生活污水一般呈粗放型排放，排放收集體制不健全。我國村莊污水收集率僅為10%[5]。農村生活污水處理設施主要有人工濕地(潛流式和表面流)、生態塘、生物滴濾、一體化MBR設備等方案。人工濕地適合在有充足土地資源和一些氣溫變化不大的南方地區。污水一體化設備具有占地面積小、處理負荷大、分散性好、施工方便等優點，目前鄉鎮污水治理總體朝一體化設備方向發展。目前針對農村污水的一體化MBR實驗的處理效果如表1所示。

表1 MBR一體化設施處理農村生活污水的出水效果

3 組合工藝的研究

除了A2O-MBR 之外，MBR經常與其他污水處理工藝聯用，結合MBR和其他技術的優點達到更好的效果。裴亮[12]等采用MBR-AOP工藝處理農村污水，其中高級氧化工藝(AOP)把MBR出水經過光電化學反應激活分子，同時產生氧化能力極強的羥基自由基，降解水中的難氧化物質，脫色除味和滅菌,結果表明，該工藝處理農村生活污水，對CODCr，BOD5，氨氮和濁度的平均降解率分別為96.4%，95.1%，94.3%和99.1%，且出水中未檢測出懸浮物和大腸菌群。

吳召富[14]等采用淹沒式生物膜-穩定塘組合技術處理農村生活污水研究，利用穩定塘進一步提高出水水質和實現污水資源化，用于綠化、農田灌溉等。系統對COD,氨氮,TN和TP的平均去除率分別為84.33%,97.02%,80.18%和77.34%，出水平均濃度分別為14.88，1.06，9.92，0.53 mg·L-1。穩定塘中藻類、微生物等進一步降解剩余氨氮，提高出水水質。

劉璐[15]等采用多介質膜生物反應器-復合人工濕地組合工藝處理農村生活污水中試試驗，整個系統在冬季對于SS平均去除率達90%;COD的平均去除率達55%;對氨氮，TN，TP的平均去除率分別為75%,42%,30%。

4 強化脫氮除磷的研究

4.1 強化脫氮研究進展

盡管MBR技術在處理廢水方面體現了獨特優勢，但為了適應日益嚴格的污水排放標準或回用標準，如何提高MBR的處理效果，仍是眾多研究學者的關注點。除了通過改變水力停留時間、曝氣量等操作條件外，通過在反應器內添加填料，生物促進劑、無機混凝劑或有機混凝劑等均能有效提高膜生物反應器處理效果。黃正文[3]采用了A/0-MBR系統處理農村生活污水，在對氨氮的去除上，發現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。因此膜的分離、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。

MBR的膜截留作用使硝化菌能夠在較短的HRT條件下在MBR內生存繁殖，從而使得反應器內NH3-N的去除效率通常能在90%以上，但對TN的去除效果不理想。通過在MBR中增加厭氧段或按照A/O工況運行，TN的去除效率可以提高至60%～80%。如果裝置中沒有設置嚴格的缺氧段來強化其脫氮效果，則反硝化效果不明顯，TN的去除率隨進水波動大[8]。張麗麗[16]等發現前置式反硝化系統可達到較好地去除有機物和氮的目的,其中水力停留時間為影響硝化作用的重要參數。

農村污水普遍存在C/N比偏低的問題，嚴重制約了脫氮效率，出水總氮往往不能達標。應對的措施為節約碳源好氧消耗、增加內源碳利用(提高回流比)，或者投加外部碳源[17]。李紅瑛[18]研究發現相比膜截留，微生物對氨氮的去除起著主導作用;但因為碳源不足，硝化效果良好,但反硝化效果欠佳。陳欣儀[4]研究發現由于在低碳源條件下，缺氧池的反硝化作用不徹底，系統在最優運行條件時，對總氮去除率僅有34.13%。

唐舒雯[19]等探究了陶瓷膜生物反應器強化脫氮除磷所需的最佳操作參數，認為優化回流比為200%，好氧池HRT為4h，DO濃度為2.00 mg·L-1，陶瓷膜生物反應器脫氮效果顯著提高，TN去除率可達69.39%，平均出水濃度為12.52mg·L-1，滿足一級A排放標準。

4.2 強化除磷研究進展

影響系統生物除磷效果的主要原因可能包括以下兩方面：一是缺氧池反硝化脫氮過程消耗系統內大量碳源，導致后續單元碳源減少，不利于聚磷菌進行有效除磷。二是厭氧池內高濃度硝酸鹽對聚磷菌釋磷的過程產生一定的影響。可通過縮短泥齡來強化系統除磷的效果。當MBR工藝污泥齡較長、生物除磷不足以滿足要求時，往往輔以化學除磷。比如在MBR中投加鋁鹽和鐵鹽等無機化學混凝劑改變混合液特性。

控制污泥齡是MBR去除磷的重要手段，但是MBR系統如果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，對磷的去除則幾乎無法實現[3]。劉強[20]等發現污泥齡對有機物去除效果、硝化效果和脫氮除磷效果有重要影響。

陸繼來[21]等采用投加聚合氯化鐵并控制泥齡為20 d的方法進行A/O-MBR同步生物脫氮與化學除磷,在聚合氯化鐵投量(以全鐵計)為10～15 mg·L-1的條件下,對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別達到86.2%,98.8%,52%和91%。

唐舒雯[19]等利用粉煤灰多孔填料對污水中的磷進行吸附去除，在水力負荷0.33 m3·d-1條件下，TP去除率可達90.90%，平均出水濃度為0.42 mg·L-1。

與傳統工藝相比，盡管MBR脫氮除磷工藝尚不成熟，但采用MBR工藝對現有的污水處理廠進行提質改造，可增加處理水量，并提高COD、氮和磷的去除。

5 膜清洗的研究

MBR運行過程中膜污染不可避免，需要對膜進行清洗和反沖洗。化學清洗使用的清洗劑一般分為4類：酸(如HCl)、堿(如NaOH)、氧化劑或消毒劑(如NaOCl或H2O2)、表面活性劑和絡合劑等。只有當膜受到嚴重污染時，才進行異位化學清洗。與此相反，原位化學清洗，如維護清洗、就地清洗(CIP)和化學強化反沖洗(CEB)，具有更多的優點：在不拆卸膜組件的情況下恢復膜的滲透性，降低清洗頻率。盡管化學方法可以有效地清除膜污染，但是其可能會破壞膜組件的完整性，影響微生物的生存能力且產生化學廢液等。在對膜進行清洗時，要根據自身需求選擇清洗方式，在恢復膜通量的同時，盡量保證膜的使用壽命。

郭浩[8]等在試驗中每10 d對膜組件進行反沖洗，結果表明經過反沖洗后的膜組件，膜通量可以維持在35 L·m-2·h-1以上，跨膜壓力可保證在0.02 MPa以下。裴亮[12]等發現采用地下水反沖洗、弱酸洗、弱堿洗可分別使膜通量恢復至新膜的66%，89%和84%。于玉彬[10]等發現農村污水中膜污染類型主要為微生物有機物污染，試驗中通過500 mg·L-1NaClO和0.5%NaOH混合進行在線恢復性化學清洗時，基本可以確保膜性能100%恢復。

6 適用于農村地區的新型膜材料

除了傳統的膜材料之外，一些成本低，操作簡單，適用于人口稀少的農村地區的膜材料被開發出來。Wang等以尼龍網為過濾材料出處理低強度生活污水(平均進水COD=145.7±59.9mg·L-1)。在HRT=5h時，COD和氨氮的去除率分別為86.3%和98.1%。污泥濃度為4.15±0.15g·L-1，這種網狀過濾器MBR成本低、簡單高效，有在人口稀少地區的應用潛力[23]。Ren等使用非織造布濾袋(NFFB)作為膜生物反應器，通過重力進行膜過濾，無需抽吸泵。由于F/M比低(0.04～0.10 kgBOD5·m-3·d-1)沒有多余污泥。反硝化作用發生在生物被膜層，以恢復堿度，從而消除了補充堿度的需要。該系統操作簡單，成本低，是人口稀少地區污水處理的一個解決方案[24]。

7 總結和展望

MBR應用于農村生活污水處理具有出水水質優質穩定，剩余污泥少，占地面積小，可去除難降解有機物，易于自動控制等優點,在生活污水處理中，MBR的主流工藝為厭氧/缺氧/好氧-膜生物反應器(A2O-MBR)工藝，主要是通過一體化設施來應用，在排放要求較嚴格時，MBR可以通過結合多種工藝、調整流程，添加化學藥劑等方式實現脫氮除磷，以達到更好的水處理效果。目前限制MBR工藝主要問題有膜污染和高能耗，MBR若要更廣泛地應用，在以上兩個問題的研究上應當有所突破。