一體式A2O-MBR系統處理高速公路服務區污水的研究

譚斌，黃陽鵬，肖勇，林冰，張運杰，張倩

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430070）

在全球鼓勵可持續發展的大背景下，高速公路服務區污水處理設施的建設對于服務區的生態建設和自然環境起到了決定性的保護作用，是實現水資源合理配置、科學保護、循環利用的重要手段。然而，高速公路服務區現有污水處理設施普遍存在原設計標準偏低、設備能效下降等問題，大型公廁產生尿液量多致使污水NH4+-N高，造成污水處理設施不能達標處理污水〔1〕。與此同時，還存在著化糞池大片渣料進入格柵池，好氧池內掛膜偏少，污泥負荷過高以及停留時間偏短等共性問題〔2〕。這些問題是高速公路污水處理運行策略優化研究的重點，尋找一種經濟高效的方法處理高速公路服務區污水迫在眉睫。

高速公路服務區的污廢水主要由尿液、沖廁水、糞便組成，通常含有高濃度有機物和氮磷污染物。許多學者對MBR工藝進行了研究，并對現有污水處理廠進行了升級和改造〔3〕。MBR是一種將生化處理工藝與膜分離技術相結合的高效污水處理工藝，該工藝出水水質優良、活性污泥濃度高、固液分離能力強以及污泥殘留量少，同時占地面積小。因此，MBR工藝是很有前途的去除氮和磷的方法之一〔4〕。M. V. A. CORPUZ等〔5〕利用MBR處理污水，發現MBR對污染物的去除有顯著效果，但是膜污染程度比較嚴重。單一的MBR技術通常受到高運營成本的制約，并受到膜污染問題的影響。一體化A2OMBR工藝近年來在污水處理中嶄露頭角。研究發現，A2O-MBR工藝可以有效提高氮和磷的去除效率〔6〕。H. FALAHTI-MARVAST等〔7〕將A2O與MBR相結合處理市政污水，發現總氮（TN）和總磷（TP）的最大去除率分別為86.2%和55.9%，同時實現了高活性污泥濃度、良好的出水水質和低污泥產量。Jingmei SUN等〔8〕設計了一種集成A2O-MBR用于處理高鹽城市污水，結果表明，該系統對NH4+-N、TN和TP的去除率分別為95%、50%~70%和60%~80%。顏建國等〔9〕研究了A2O-MBR工藝處理景區廁所高濃度糞污廢水，發現出水COD、NH4+-N和TP均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。

基于此，本研究采用一體式A2O-MBR反應器處理高速公路服務區的污水，在反應器成功啟動并穩定運行的基礎上，探究其對COD、TP、BOD5、NH4+-N、SS的去除效果。同時，研究了DO、硝化液回流比和碳氮比對系統中污染物去除效果的影響。

1 實驗裝置與方法

1.1 一體式A2O-MBR工藝流程

一體式A2O-MBR處理工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝Fig.1 Sewage treatment process

高速公路服務區污水先經過粗格柵對漂浮物或懸浮污染物進行攔截之后，依次進入細格柵、調節沉淀池和膜格柵，進一步為后續處理工藝的主體部分降低負荷。該裝置主體部分由厭氧池、缺氧池和好氧-MBR池等組成。好氧-MBR池配1套膜組件材質為中空纖維的平板膜，其框架材質為SUS304，膜片材質為PTFE/PVDF。采用堆密度為19~21 kg/m3，孔隙率>95%的聚氨酯（PU）海綿填料置于厭氧池和缺氧池中，填充比為40%。PU海綿填料上可以富集好氧、缺氧和厭氧微生物，可強化反應器對COD、氮和磷的去除效果。污廢水依次經過各個生化處理單元，然后經過次氯酸鈉消毒池的處理，達標后進行回用。

1.2 一體式A2O-MBR的運行

1.2.1 一體式A2O-MBR的啟動

由于高速公路服務區污水的COD和NH4+-N變化幅度大且上限高，從傳統硝化菌（AOB）生長周期長的角度出發，要實現更高的NH4+-N去除率和有機物降解率，必須在合理的范圍內擁有足夠的反應時長。因此，設置該工藝生化單元總水力停留時間（HRT）為18 h，其中厭氧池2 h，缺氧池4 h，好氧-MBR池12 h。調節好氧-MBR池到厭氧池的污泥回流比為100%，好氧-MBR池到缺氧池的硝化液回流比為300%，C/N為6。好氧池的接種污泥取自湖北省武漢市某污水處理廠A2O工藝的曝氣池，對污泥進行悶曝24 h處理以耗盡有機質，隨后調整污泥質量濃度（MLSS）為（7 000±1 000）mg/L，DO為（4±0.3） mg/L，污泥齡為12~15 d左右。以5 d為周期采用了逐步提高污染物質量濃度的方法啟動反應器，進水污染物質量濃度如表1所示。此外，本研究的污水處理量為0.1 t/h。實驗期間監測反應器出水的SS、BOD5、COD、NH4+-N、TP等指標，判斷反應器是否成功啟動及穩定運行。

表1 啟動期的進水污染物質量濃度Table 1 Influent pollutant mass concentration during start-up period mg/L

1.2.2 溶解氧的控制研究

在反應器啟動成功后，為了實現完全脫氮和節約能耗的目標，進一步對反應器DO進行為期兩個月的控制研究。其他工藝參數參照啟動運行階段，將A2O-MBR反應器中好氧池DO分別控制在3、4、5 mg/L左右，每個DO控制階段運行20 d，監測系統出水水質的動態變化情況。

1.2.3 硝化液回流比的控制研究

在最佳DO確定后，為使系統有更好的處理效果，對硝化液回流量的控制也進行了為期兩個月的研究。其他工藝參數參照啟動運行階段，將好氧-MBR池到缺氧池的硝化液回流比依次控制在200%、300%以及400%，監測系統的出水水質變化情況。

1.2.4 C/N的控制研究

確定最佳DO和最佳硝化液回流比之后，其他工藝參數參照啟動運行階段，將A2O-MBR反應器進水C/N依次控制為4、6和8，進行為期兩個月的C/N控制研究。考察在不同C/N下系統的出水水質變化情況。

1.3 進出水水質

根據高速公路服務區污水的水質指標配制模擬污水用于后續試驗，出水標準采用《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T 18920—2020），主要水質指標如表2所示，模擬污水中相關物質指標見表3。

表2 高速公路服務區污水水質Table 2 Sewage quality in expressway service area mg/L

表3 模擬污水的配制Table 3 Preparation of simulated sewage g/L

1.4 水質指標檢測方法

在一體式A2O-MBR工藝中好氧-MBR池的出水端設置取樣點，每3天收集出水進行水質測定。根據《水和廢水監測分析方法》（第4版）〔10〕，用紫外-可見分光光度計（UV-1100，Mapada儀器上海有限公司）測定NH4+-N。此外，采用重鉻酸鉀法測定COD；用稀釋與接種法測定BOD5；采用鉬銻抗分光法測定TP；SS采用重量法測定。每個樣本的水質測定重復3次，計算出平均值并采用origin軟件以圖表的形式反映水質的變化。在影響因素研究階段，為方便對比，最終的去除率和各指標濃度為每個控制因素運行20 d內的平均值。

2 結果與討論

2.1 反應器的啟動與運行

服務區污水氨氮含量高，如果服務區污水直接進入A2O-MBR生化處理單元，沖擊生化處理單元的活性污泥，很有可能導致污泥失活。因此，為了保證A2O-MBR反應器的成功啟動，以5 d為周期采用了逐步提高污染物濃度的方法。反應裝置進出水水質如圖2所示。

圖2 啟動階段A2O-MBR進出水水質Fig.2 Water quality of the inlet and outlet of A2O-MBR during start-up process

從圖2可以看出，A2O-MBR反應器的啟動過程中COD、BOD5和TP去除率均隨著運行時間而增加，直到第15天左右達到穩定運行，A2O-MBR反應器出水COD、BOD5和TP去除率分別達到了（90±2）%、（93±3）%和（92±1.5）%。穩定運行期間，A2O-MBR反應器對BOD5去除率能夠維持在95%以上，出水BOD5在11 mg/L上下浮動，經過后續的混凝沉淀和過濾工藝進一步處理，出水BOD5能降到10 mg/L以下，可達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T 18920—2020）的要求。A2O-MBR中缺氧池可以有效去除污水中的COD，為后續好氧池進行專一硝化作用創造了有利的條件。有研究表明好氧-MBR池中的膜組件在曝氣作用下與污水充分接觸，可以截留部分有機物和有效脫氮除磷，在對污染物的降解中發揮了主要作用〔11〕。好氧-MBR池出水的NH4+-N和SS分別為（4.5±1） mg/L和（4.7±0.7） mg/L，并且自從穩定運行之后最終出水沒有出現超標現象。在A2O-MBR中好氧段，一方面聚磷菌超量吸收磷，并通過剩余污泥的排放，將磷去除，另一方面，AOB將NH4+-N通過生物硝化作用，轉化成硝酸鹽〔12〕。總之，在同一反應器中多種菌的相互作用，以及不同反應器中不同功能菌的協同作用使得污染物被活性污泥和生物膜有效地捕獲、黏附、吸收、轉化和降解，最終達到穩定的運行效果。

2.2 影響因素的研究

2.2.1 DO對A2O-MBR工藝的影響

DO是影響微生物氮代謝的重要參數，同時也是實際工程中運行成本主要來源之一。當DO過低時，會嚴重抑制AOB的活性，影響系統的處理性能；當DO過高時，會破壞系統的反硝化過程，并導致運行成本升高。因此，為一體化A2O-MBR工藝選擇適宜的DO具有重要意義。一體化A2O-MBR好氧池出水污染物質量濃度隨DO上升的演變規律如圖3所示。

圖3 DO對A2O-MBR處理效果的影響Fig.3 Effects of DO on A2O-MBR treatment

由圖3可知，COD去除率隨DO的增加而稍有增加，這是由于DO不足會直接抑制好氧菌消耗有機質的活動。同時，由于MBR膜上完全保留了顆粒狀的COD，使得COD去除率保持在高水平，BOD5的去除率也維持在92%以上。出水NH4+-N隨著DO的上升而下降，DO越大，NH4+-N去除率越高，高濃度的DO有利于AOB的生長代謝。SS隨著溶解氧的變化雖然有一定的波動，但是出水SS沒有超過4.5 mg/L。然而，TP的去除率卻隨DO的變化呈現先上升后下降的趨勢。對TP去除率而言，相比于4、5 mg/L，3 mg/L的DO條件下，可能存在有些反硝化菌與聚磷菌對碳源的競爭，從而影響了聚磷菌的除磷過程〔13-14〕，但其TP去除率依然能達到85.6%左右。當DO上升到4、5 mg/L時，聚磷菌在系統中占據了優勢地位，從而TP去除率有所提升。因此，綜合曝氣能耗、運行成本與整體污染物去除效果考慮，控制溶解氧在4 mg/L最為適宜。

2.2.2 硝化液回流比對A2O-MBR工藝的影響

確定最佳DO為4 mg/L之后，將反應器的硝化液回流比依次控制在200%、300%以及400%，考察硝化液回流比對該工藝處理效果的影響，結果見圖4。

圖4 硝化液回流比對A2O-MBR處理效果的影響Fig.4 Effects of nitrification reflux ratio on A2O-MBR treatment

由圖4可知，硝化液回流比對COD、BOD5和SS去除率的影響不顯著，不同硝化液回流比時，反應器的COD去除率均超過了90%，BOD5去除率維持在94%左右，出水平均SS均控制在5.0 mg/L以下。然而，與上述指標不同，出水NH4+-N受硝化液回流比影響顯著，在硝化液回流比為300%時，出水NH4+-N達到了最低，為4.2 mg/L，系統的硝化效果達到了最佳。這可能是因為較低的硝化液回流比會導致缺氧池反硝化不完全，缺氧池部分碳源進入好氧池，增大了好氧池耗氧量〔15〕，與自養AOB競爭DO，不可避免地降低了整個系統的硝化效率。然而過高的回流比會將大量的DO帶入缺氧池，增加了缺氧池的氧化還原電位，破壞了反硝化環境，使硝化反硝化作用不能正常進行〔16〕。同樣，TP的去除率受硝化液回流比影響顯著，隨著硝化液回流比的增加，TP去除率也呈現先上升后下降的變化趨勢。有研究表明異養菌（OHOs）的反硝化能力明顯高于聚磷菌（PAOs）〔17〕。當較少的硝化液回流到缺氧池，帶入的硝酸鹽負荷小于OHOs的反硝化能力時，OHOs將優于PAOs進行反硝化；而當缺氧池硝酸鹽負荷超過OHOs的反硝化潛能時，PAOs可以利用多余的硝酸鹽進行反硝化除磷，TP降低。這也正是當硝化液回流比為200%時，反應器的TP去除率要低于回流比為300%時的原因。然而，隨著硝化液回流比繼續增加，更多的硝酸鹽進入A2O的缺氧池，這可能影響PAOs的反硝化除磷作用。從碳源角度來看，已有研究表明硝酸鹽的存在抑制了厭氧過程中磷的釋放，因為反硝化菌吸收轉化硝酸鹽的過程需要碳源作為電子供體〔18〕，而PAOs與反硝化菌對碳源的競爭有可能處于劣勢，會降低P的釋放量〔19〕。此外，反硝化產生的一氧化氮（NO）對厭氧菌具有毒性，可以抑制PAOs的活性〔20〕。因此，過高的硝化液回流比反而會降低反應器的除磷效果，將硝化液回流比設為300%可實現對內循環的最優控制。

2.2.3 進水C/N對A2O-MBR工藝的影響

當進水C/N過低時，為提高硝態氮去除率，需補充反硝化反應所需電子供體，C/N過高時，會加大外碳源藥劑費用。另外，大量有機物不可避免地溢流到好氧池會增加耗氧量以及污泥產量。當進水C/N分別為4、6、8時，反應器出水各指標的變化規律見圖5。

圖5 C/N對A2O-MBR處理效果的影響Fig.5 Effects of C/N on A2O-MBR treatment

由圖5可以看出，隨著C/N的增加，COD和BOD5的去除率沒有顯著地變化。這是因為反硝化反應及厭氧釋磷對有機物的需求量很大，投加的碳源會被充分利用。隨著C/N的升高，出水SS分別為4、4.5、4 mg/L，C/N變化對SS的影響微乎其微。值得注意的是，在3個不同C/N情況下，出水NH4+-N呈現出顯著的差異性，在C/N為6時獲得了最好的NH4+-N處理效果。這可能是由于高C/N條件下促進了異養細菌的繁殖，抑制了自養硝化細菌的繁殖。此外，當C/N較低時，系統的反硝化菌由于缺乏碳源無法進行反硝化，作為有毒有害物質的硝酸鹽和亞硝酸鹽的積累會抑制相對敏感的硝化菌的活性〔21〕。因此，當C/N為4時反而硝化效果不佳。TP去除效率隨著C/N增加呈現先增加后減少的趨勢。這是因為隨著C/N的增加，聚磷菌在厭氧池中能夠攝入更多的有機物來在體內形成更多的聚羥基烷酸酯（PHAs），進入好氧環境后，聚磷菌具備更強的吸磷動力〔22〕。在厭氧期間，底物被PAOs吸收，并以PHAs的形式儲存在細胞內，然后將磷酸鹽釋放到液相中。在缺氧和好氧階段，PHAs被用作生長和補充內部糖原和聚磷菌的碳和能量來源。超過釋放量的磷酸鹽被PAOs吸收，PAOs得以恢復。但過高的C/N比會影響PHAs和糖原的轉化，最終影響微生物對磷的吸收和除磷效率〔23〕。因此，將C/N為6最適合。

2.3 一體式A2O-MBR工藝優勢分析

該一體式A2O-MBR反應器通過將MBR膜組件置于好氧池中，將聚氨酯海綿填料置于缺氧池、厭氧池中，可以獲得相對于單一的A2O或MBR工藝來說的諸多優勢，見表4。

表4 A2O、MBR與一體式A2O-MBR的性能比較Table 4 Comparative analysis of performance among traditional A2O， MBR process and integrated A2O-MBR process

分別采用A2O、MBR與一體式A2O-MBR工藝處理水量為200~300 m3/d的生活污水時，成本比較分析見表5。

表5 A2O、MBR與一體式A2O-MBR的投資費用比較Table 5 Comparative analysis of investment cost among traditional A2O， MBR process and integrated A2O-MBR process

從表4、表5可見，一體式A2O-MBR具有的優勢主要體現在以下幾個方面：

1）高效去除污染物。聚氨酯海綿填料和膜組件為厭氧微生物、缺氧微生物和好氧微生物提供附著位點，維持了系統的生物多樣性〔26〕。好氧-MBR池中的氧轉移效率高、微生物活性高〔27〕，強化了生化反應池對COD、氮和磷的去除效果，縮短了好氧-MBR池的運行周期。此外，利用MBR膜組件能夠有效地進行固液分離，懸浮物和濁度明顯減少，出水水質好且穩定。通過該生化反應器的處理之后，出水指標基本達到了《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T 18920—2020）中的要求，從而達到資源化利用的目的。

2）工藝安裝和附加成本。A2/O工藝是目前污水廠脫氮除磷應用最廣泛的傳統工藝。由于其設備供應商多，檢修維護方便，購買成本也相對較低。在A2/O的不同反應池分別放置聚氨酯海綿填料和MBR膜組件，將A2/O好氧池和MBR反應池相結合，一方面，可以減少占地面積并簡化工藝，降低處理構筑物搭建成本；另一方面，一體式A2O-MBR反應器操作靈活、易于實現高度自動化、抗沖擊性強、出水水質好，可以大大減少后續處理工藝的負荷，甚至可以減少部分工藝的使用，比如曝氣沉砂池、二沉池等，間接減少污水處理廠總的處理成本和附加構筑物成本，具有一定的經濟效益。

3）設備更新及檢修維護。單一的MBR工藝膜組件使用年限不超過4 a，使用3 a后一般要進行清洗更換。而一體式A2O-MBR反應器進水先通過厭氧池和缺氧池，聚氨酯海綿填料上形成的生物膜中的微生物以污水中的有機污染物為營養物質，在新陳代謝過程中將有機物降解，從而大大降低好氧-MBR池中的處理負荷〔11〕。同時，這在一定程度上可以降低膜組件的污染程度，減少對膜組件的清洗和更換頻率，保持膜過濾性能的穩定，從而降低系統的運行成本，為高速公路服務區污水處理實際工程改造提供參考。

3 結論

針對高速公路服務區污水污染物含量高以及處理設備效能低下的兩大主要問題，采用一體式A2OMBR工藝處理污水。反應器成功啟動并穩定運行后，系統出水NH4+-N和SS分別為（4.5±1） mg/L和（4.7±0.7） mg/L左右，COD、BOD5和TP去除率分別達到了（90±2）%、（93±3）%和（92±1.5）%。該工藝實現了高效的污水脫氮除磷效果，且易于管理，能實現高速公路服務區污水的達標排放。當DO、硝化液回流比和C/N分別為4 mg/L、300%和6時，系統出水COD和BOD5的去除效率分別達到了90.57%和93.75%，出水TP、NH4+-N、SS分別為0.56、4.2、4.5 mg/L，達到了回用水標準（NH4+-N≤5 mg/L，SS≤10 mg/L）的要求。雖然該工藝能耗和安裝成本相對較高，但管理費用、運行費用有所減少，省卻了部分構筑物的使用，具有一定的經濟效益。