強化A/O-MBR處理低C/N比生活污水及膜污染的影響研究

楊 超，李 杰*，馬東華

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 710032)

研究表明，中國城市污水普遍為低C/N比污水，傳統污水處理技術由于缺乏進水碳源使得其對此類污水處理效果不佳[1-3]。普通A/O-MBR(CMBR)將傳統的A/O活性污泥法和MBR膜工藝相結合的新型處理工藝，利用MBR膜組件將活性污泥攔截，實現水力停留時間(HRT)與污泥停留時間(SRT)的分離，同時實現了泥水分離和污泥濃縮。在滿足出水水質的基礎上，具有更好的脫氮性能，設備占地面積小，產泥量少。但長期運行發現CMBR存在微生物的生物活性降低、懸浮微生物淤積在膜表面現象，造成能耗高、氧利用率低、膜污染嚴重等問題[4-9]。

強化A/O-MBR(HMBR)將微生物固定化技術與A/O-MBR相結合，為微生物提供棲息和繁殖的穩定環境，從而降低反應器中懸浮生物濃度，不僅提高了出水水質，而且有效延長了膜的使用壽命[10-11]。宋樂元等[12]研究發現投加填料不僅強化了AnMBR的處理效果，且有效控制了膜污染。薛源等[13]對比普通MBR與投加磁性懸浮顆粒載體的MBR出水，發現后者COD、氨氮和硝態氮處理效果均優于前者，且投加復合載體的MBR膜污染較為緩慢。Santos Amaral等[14]通過對MBR反應器投加PAC填料，發現投加填料能有效緩解膜的污染速率，延長膜的使用壽命。A.Elif等[15]對比研究普通MBR與投加載體的MBR反應器，表明載體有助于有機污染物的去除。Jifeng Guo等[16]通過研究發現,投加多孔聚氯乙烯載體的MBR比普通MBR對于污染物的去除更優，且可以有效減緩膜污染問題。

以低C/N比生活污水為研究對象，通過將微生物固定化技術與CMBR結合，開發新型HMBR，主要考察了CMBR與HMBR污染物去除效果的對比及膜污染狀況分析，以期為低C/N比的實際生活污水處理提供技術參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗水質及分析方法

試驗用水取自某大學生活區生活污水，進水C/N比均值為4.59，屬于典型的低C/N比生活污水，具體水質指標及檢測方式見表1。

表1 原水水質及分析檢測方法 單位：mg/L

1.2 試驗方法及設備

A/O-MBR設備簡圖見圖1，總有效容積約為62 L，由前置反硝化區(20 L)和好氧硝化區(42 L)組成，且底部相通，平行開啟；HMBR的好氧區中，投加由PUF(2 cm×2 cm×2 cm)填充的網孔塑料球載體(D=12 cm)，載體填充率為40%，其余均與CMBR相同。硝化液由離心泵回流到反硝化區，設備進水量與硝化液回流量均采用液體轉子流量計進行控制。好氧硝化區上部設膜面積約為5 m2的聚丙烯中空纖維微濾膜，膜孔徑為0.1～0.2 μm。采用間歇運行，記錄在運行期間，兩反應器膜組件的衰減情況及清洗方式，膜通量的恢復情況。

圖1 A/O-MBR設備簡圖

2 結果及討論

2.1 PUF載體強化效果的研究

2.1.1PUF載體特性分析

水中有機污染物的降解主要依靠附著在載體上生長的微生物的生物氧化作用，載體的性能直接影響和制約著水處理工藝的處理效率。PUF載體是具有海綿特性的新型載體材料，首先具有良好的物理特性，載體疏松多孔、孔壁粗糙，有益于微生物的附著、截留量增多，能夠維持反應器內較高的污泥濃度；其次具有的良好機械強度能夠抵御不同強度的水力剪切以及填料之間的摩擦碰撞，避免造成生物膜反應器中所持有的生物量降低，出水水質發生波動；同時較好的生物化學及熱力學穩定性，使得PUF填料本身不參與系統內生物化學反應。

2.1.2強化效果的比較

控制兩反應器在相同條件下平行運行，生化出水去除率、系統出水去除率及膜組件去除率均基于進水濃度進行計算，通過對比生化段出水與系統出水中的COD、NH3-N、TN，考察生物反應器生物降解作用和膜過濾作用對各指標的去除率貢獻，結果見表2。

表2 不同反應器污染物去除的對比研究

HMBR的脫氮性能明顯優于CMBR。對比生化段出水，CMBR對COD、氨氮及總氮的去除率分別為65.43%、52.88%及42.52%，低于HMBR的72.77%、60.20%及46.37%。一方面是由于投加載體填料后，對水流有強制性的紊動作用，水流在填料內部形成交叉流動，為污水和微生物的接觸創造了良好的水力條件，對好氧反應器中的氣泡有重復切割作用，增大了氣水接觸面積，提高了傳質效果，使水中的溶解氧濃度提高，從而強化了微生物、有機物和溶解氧三者之間的傳質關系，更加有益于水體中污染物的去除；同時由于PUF載體具有豐富的比表面積，為微生物提供棲息和繁殖的穩定環境，有利于反應器的微生物量保持在較高水平；菌種在填料區可依次分布好氧菌種、缺氧菌種、厭氧菌中，菌種的多元化有利于提高污水的處理效果，縮短處理時間，同時可承受的有機負荷也相對較高，這也與L.Rodríguez-Hernández等[18]研究結論相一致。另一方面由于膜分離的截留作用，很好地解決了污泥流失的問題，可以使污泥停留時間無限制延長，有利于硝化細菌在反應器中得到了有效積累；由于內部微觀環境在較長時間內能夠相對保持穩定，因此受外界環境變化影響也比較小，從而保證硝化反應充分進行，反應器表現出較良好的脫氮效果，出水水質更優。楊茗紳等[19]通過對于A/O-MBR處理生活污水的研究，發現投加的PAC載體成為硝化菌吸附生長的良好載體，有利于脫氮的進行。

盡管HMBR與CMBR在生化段出水水質有所差異，但是在系統出水，去除率差異不大，證明膜的過濾作用對系統的穩定出水起到了決定作用。HMBR膜對于COD去除貢獻率為12.56%，低于CMBR膜的18.11%，這是由于HMBR前期生化段去除段去除了大量的污染物質，從而減緩了膜的負擔，由于HMBR反應器中有填料的存在，使生化段出水中懸浮物的濃度大大減少，填料對水中的懸浮物有一定的截留作用，一定程度上避免了由于膜過濾過程中懸浮物在膜表面形成淤積，導致的膜過濾阻力增大，運行費用大大增加的問題，同時也延長了膜的操作周期。

2.2 膜污染的比較

2.2.1膜通量運行衰減狀況

在新膜放入生物反應器之前，對兩組膜組件的清水通量進行了測量。CMBR膜組件與HMBR膜組件的極限膜通量分別為1.31、1.27 L/(m2·h)。膜組件一經放入生物反應器中膜污染過程即開始，經過一段時間運行，膜阻力逐漸升高，膜通量逐漸下降。CMBR膜組件與HMBR膜組件的膜通量衰減狀況見圖2。

圖2 膜通量隨運行時間的衰減狀況研究

將膜組件放入反應器的前21 d，2個膜的膜通量均出現急速下降，CMBR膜通量由1.31 L/(m2·h)降至0.31 L/(m2·h)，HMBR膜通量由1.27 L/(m2·h)降至0.40 L/(m2·h)，這是由于反應器中污泥濃度相對較低，污泥對溶解性有機物的吸附和降解能力弱，使得混合液中的溶解性有機物濃度增加，從而易被膜表面吸附形成凝膠層，導致過濾阻力增加，膜通量出現急劇下降；隨反應器穩定運行，污泥濃度逐漸變高，污泥易在膜表面沉積，形成較厚的污泥層，導致過濾阻力增加，膜通量進一步降低，進而阻礙氧氣的轉換，污泥的流動性和分離性能不佳[20]。至46 d時，CMBR膜通量，僅為初始通量的14.5%，膜污染已比較嚴重，故對膜組件進行了物理清洗，將附著在膜表面的污泥層沖刷掉，再測定膜通量，膜通量恢復為0.44 L/(m2·h)。HMBR膜通量在運行至70 d時，下降至0.20 L/(m2·h)，僅為初始通量的15.7%，通過物理清洗后，可恢復至0.54 L/(m2·h)。與CMBR相比，投加PUF載體的HMBR膜通量衰減速度相對緩慢，有較長的運行時間，且對膜組件進行物理沖洗后，發現膜通量有更高的恢復，膜組件所受污染程度明顯小于CMBR膜組件。這是由于通過PUF載體對于膜體的摩擦及胞外聚合物的吸附，有效減緩了膜的污染進程，延長膜組件的使用壽命，且物理清洗對此種污染有較好的效果[16-21]。

2.2.2膜的清洗與恢復狀況

當MBR運行一段時間后，污染物開始在膜的微孔內附著，如果污染加劇，膜出水量會急劇下降。采用清洗的方法可以有效恢復膜通量，主要清洗方法有物理清洗、化學清洗、機械清洗、超聲波清洗以及上述方法的組合使用。

原水水質為生活污水，膜污染性質主要為污泥的附著層污染及有機物和微生物污染，故選擇采取了清水清洗、物理清洗及物理-化學清洗的方式，物理清洗是將膜用清水清洗后，再用0.1 MPa的壓力反沖洗膜組件，化學清洗是分別用NaOH(1%)溶液與H2SO4(1%)溶液各浸泡1 h，最后用2%～5% NaClO溶液清洗膜組件，膜通量的恢復情況見圖3。

圖3 不同清洗方式對于膜通量的恢復影響研究

物理-化學清洗的方式對于2個膜的膜通量恢復均有較好結果，物理清洗方式使CMBR膜通量和HMBR膜通量分別恢復到初始膜通量的34.4%、46.5%，物理-化學清洗后CMBR膜通量和HMBR膜通量分別達到初始膜通量的87.7%和93.7%。與CMBR相比，HMBR反應器由于膜表面的污泥附著層厚度較薄，物理清洗效果明顯優于CMBR，再加之膜內部的污染程度也較輕，物理-化學清洗后的膜通量可恢復至初始膜通量的93.7%。

3 結論

a)連續試驗表明，HMBR較CMBR反應器，能得到更優質且穩定的膜過濾出水，對COD、氨氮及總氮的平均去除率分別可達83.88%、67.24%和50.89%；其中，氨氮與總氮主要靠生物反應器去除，膜的去除作用很小。

b)與CMBR反應器相比，投加PUF載體的HMBR反應器有效延長了膜組件的運行時間，且膜污染程度更低，經物理沖洗后，膜通量可恢復至初始膜通量的46.5%，物理-化學清洗后，膜通量可恢復至初始膜通量的93.7%。