改进型MBR一体化设备在低浓度生活污水处理中的应用研究

王银生，廖 侃，孙 亮，陈旭怀，戚广贤，王建明，陈顺权*

(1.广东省林茂科技有限公司，广东 广州 511458；

伴随城镇化进程的不断加速、各类生产工艺以及污水处理技术的不断革新，城市地区的水环境污染情况已得到极大的缓解与控制[1]，而分散性的农村生活污水处理问题更为突出，目前广大农村地区的生活污水一般未经处理直接排入附近沟渠或者河道并最终进入江河等受纳水体，导致整个地区的水环境污染呈现不断加剧的趋势[2-3]，这给农村污水处理带来严峻考验，为确保农村水源安全和农民身体健康，农村污水治理刻不容缓。目前对于生活污水处理工艺，主要涉及活性污泥法，厌氧好氧工艺法(A/O)，序批式活性污泥法(SBR)，膜生物反应器法(MBR)等以及在此基础上出现的升级组合工艺[4-7]。A/O 工艺集好氧和缺氧段为一体，厌氧段用于脱氮除磷，好氧段用于去除水中的有机物，该工艺对有机物及氨氮等的去除具有很好的效果，但是占地面积大，运行能耗高；MBR工艺作为一种新型工艺，集成了膜分离与生物处理各自的技术优势，近年来在城镇污水处理与回用方面得到了广泛的应用[8-9]，但是在分散性较强的广大农村，由于受各种条件制约，该工艺的应用受到限制。充分考虑到农村污水分散实际现状以及农村生活污水浓度低、变化系数大、各时段排放水质差别大等特点[10-11]，研究以低浓度农村污水处理技术为导向，通过优化改进MBR一体化设备，建立适用于分散性的农村生活污水处理的简单高效工艺及其装备，对于推动改进型MBR一体化设备在分散的农村地区的规模化应用具有一定的指导意义。

1 实验部分

1.1 装备及其工艺流程

本试验采用改进型的一体式MBR装备，装置内采用自主研发的高性能内衬增强PVDF中空纤维膜。生活污水流经调节池，首先进入一体化装备厌氧段进行厌氧处理，然后经由底部溢流口进入MBR膜池，厌氧池和MBR池隔板上方留空，利用膜池曝气翻滚实现污泥的半回流。膜池内部脉冲曝气，日常开启一台风机，间歇性开启两台风机以增大风量，强化对膜丝的气擦洗。膜池溶解氧保持在3.0 mg/L以上，用自吸泵抽吸产水，系统配置清洗泵以及加药装置，采用PLC自动控制。

图1 农村生活污水处理工艺流程图

图2 一体化设备实物图

1.2 水质及其检测方法

1.2.1 实验用水

试验所用的污水以广州市南沙区某污水厂调节池水为研究对象，进水口与污水处理设备出水口采样按照同一时间点采样，经取样测定其BOD5/COD>0. 3，污水的可生物降解性良好，采样依据《地表水和污水检测技术规范》(HJ/T91-2002)执行，采样后样品根据《水质采样样品保存和管理技术规定》(HJ493-2009)执行，样品采样及其保存方法以及水质指标数据汇总如表1、2所示。

表1 样品采样及其保存方法

表2 实测水质相关指标

1.2.2 检测方法及其依据

研究对水质分析采用的方法如表3所示。

表3 水质检测方法

2 运行结果及讨论

2.1 系统运行概况

实验采用改进型MBR一体化设备处理低浓度农村污水，装备实际出水量均高于设计值，设备经调试一周后稳定运行；设备运行噪音为 61.3 dB(A)(由于水厂特殊环境，该项数值偏大，实际运行噪声小于该值)，设备出水指标CODcr、NH3-N、TP平均值均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A排放标准，运行稳定后总体达标率100%；设备正常运行期间未发现令人不适气味，运行期间由于设置储泥池，一体化设备未排泥，设备系统内部全部设备由 PLC+触摸屏控制，自动化程度高，可无人值守。

2.2 水处理量及其经济性分析

评估期内实际处理水量基本稳定，设计处理量为50.0 t/d，实际处理水量为51.0～59.4 t/d，平均处理水量为57.2 t，最低处理量为设计处理量102.0%，最高处理量达到设计处理量118.8%，波动适应范围约 2.0%～18.8%，设备处理的污水均由污水处理厂供给，设备主要耗电部件为风机、计量泵、污水提升泵、产水泵、反洗泵、加药泵，污泥的处理能耗暂不考虑，设备自身平均吨水能耗均值为0.858 kWh，另外稳定运行后药剂投加量平均为1.7 kg/d，吨水运行成本计算如下，衡算后综合能耗以及整体运行成本详见图3所示。

图3 装置吨水处理能耗及其运行成本

运行总体成本C=WE×CE+M×CM/(Q×1t/m3) (1)

式中：C，平均吨水处理成本，元/t；

We，设备自身平均吨水能耗，kWh/t；

CE，用电成本，取平均工业电价，0.58 元/kWh；

M，每日药剂添加量；

CM，药剂单价，按1000 元/t 算；

Q，平均每日水处理量，m3。

由图3可知，吨水处理整体能耗跟吨水处理成本呈正相关趋势，吨水处理整体能耗在0.79～1.00 kWh，吨水处理成本0.49～0.53元，平均吨水处理成本0.53元，药剂成本在处理总成本中占比相对较小，能耗主要为风机、水泵、加药泵等耗电部件。一般情况下处理能耗以及吨水处理成本同处理水量呈负有关，该装备设计水量为50 t/d，若处理水量进一步增大，纯水处理能耗及其成本将进一步降低。此外，由于生活污水CODcr、NH3-N、TP数值偏低，经过一体化装备内部厌氧-MBR工艺综合处理，外加药剂的化学除磷作用，完全满足处理要求，此外，由表4对比可知，相比于其它工艺，一体化装备因其具有更短的水力停留时间，占地小，采用的A-MBR工艺更为简单，结构紧凑，相同规模处理量情况下，一体化装备整体能耗更低，对于水量小、分散的低浓度农村生活污水适用性更强。

表4 工艺对比分析[12-13]

2.3 系统处理效果分析

从图4可知，改进型MBR一体化反应装置的进水CODcr 浓度范围在77.9～180.2 mg/L之间，平均浓度值为112.2 mg/L，进水浓度波动性相对比较大；而产水CODcr呈现逐步降低的趋势，特别是在一体化反应装置运行6 d后，系统运行基本趋于稳定，出水CODcr 浓度较低，数值稳定在3.0～15.0 mg/L之间，平均CODcr 浓度为7.8 mg/L，平均去除率为92.9%，在一体化装备运行初期中，对CODcr去除率相对较低，该阶段对有机物的去除作用以分离膜截留作用为主，而微生物降解去除作用相对较弱，后期由于采用污水处理厂活性污泥，膜池内微生物对污水适应能力较强，此外，膜组件代替传统活性污泥法中的二沉池，截留生物系统的大量微生物菌群，促使系统的微生物菌群数量和生物种类的聚增，提高了污水处理能力和效率，从而使系统出水水质和容积负荷都得到了大幅度的提高，膜池中保持较高的污泥浓度，微生物降解作用逐渐增强，最终微生物对有机污染物去除起主导作用，在微生物跟膜分离截留综合作用下产水最终趋于稳定。

图4 进出水CODcr随运行时间变化曲线

从图5可知，反应装置的进水总磷浓度波动比较小，浓度范围在2. 02～3.76 mg/L 之间，平均浓度值为 2.73 mg/L，系统稳定后产水总领含量在0.25～0.50 mg/L，系统中总磷平均去除率87.2%。在一体化装备运行过程中，由于考虑到总磷去除无法降低到0.50 mg/L以下，前期即通过添加化学药剂进行调控，一体化装备运行前6 d内，总磷的含量迅速降低，总磷的降低是化学除磷和微生物生长吸收部分磷的共同作用的结果，但是前期降低主要以化学除磷为主，随着生化系统的驯化完善，生化系统稳定后微生物对磷需求量逐渐减少，系统产水中总磷含量也逐步趋于稳定，但是由于一体化装备测试期间没有排出剩余富磷污泥，造成一体化装备后期系统中磷的部分累积，系统中总磷在后期在排放标准限值以下存在小幅波动，为了确保产水总磷低于0.5 mg/L，系统运行过程中通过化学药剂调控进行化学除磷，进而确保出水稳定，一体化装备运行药剂日均投加量为1.7 kg。

图5 进出水总磷浓度随运行时间变化曲线

从图6可知，一体化装备进水相对稳定，氨氮含量在13.38～25.39 mg/L之间，而产水氨氮含量呈现逐渐降低后趋于稳定的变化趋势。进水与产水氨氮平均值为18.39 mg/L与0.42 mg/L，平均去除率97.7%，系统对氨氮去除率较高，出水水质稳定。由于膜孔为微米级膜孔，膜的分离截留作用对氨氮的去除贡献相对较小，对含氮有机物的去除主要是微生物新陈代谢的作用，通过前6 d的运行调试，外加水厂自带活性污泥的天然优势，系统很快实现高效稳定运行，此外，系统可以通过增加曝气量跟曝气时间，进一步提升好氧硝化菌的生长富集，增长了氨氮与活性污泥中的微生物的接触时间，提高了污水中氨氮的去除效率。

图6 进出水氨氮浓度随运行时间变化曲线

由上图7可知，改进型MBR一体化设备反应装置对低浓度农村生活污水中 CODcr、NH3-N、TP的去除效果比较理想，其出水的CODcr、NH3-N、TP平均去除率分别为92.9%、97.7%、87.2%，装置运行稳定性较好，进入处理系统的活性污泥由于采用水厂生化系统污泥，具有较好的适应性，污泥沉降比(SV)保持在在30～40%，污泥浓度(MLSS)稳定在4500～6000 mg /L左右，实现对供试污水污染物的高效处理，通过微生物降解、化学除磷以及膜法分离技术耦合，最终实现对低浓度生活污水的高效低成本处理。

图7 系统稳定后对CODcr、NH3-N、TP的去除率随运行时间变化曲线

3 结论

(1)改进型MBR一体化设备反应装置对低浓度农村生活污水中CODcr、NH3-N、TP的去除效果比较理想，装置运行稳定性较好，其出水的CODcr、NH3-N、TP平均值分别为7.83，0.42，0.35 mg/L，均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918 -2002一级A排放标准。

(2)改进型MBR一体化设备处理低浓度农村生活污水，具有稳定的出水水质和良好的经济性，试验设备平均每日水处理量 57.2 t，设备自身平均吨水能耗 0.858 kWh，出水水质三项指标COD、NH3-N、TP平均去除率分别为92.9%，97.7%，87.2%，水质排放达标率为 100%，药剂投加量1.7 kg/d，综合平均吨水处理成本 0.53元。

(3)提出的适用于低浓度农村生活污水处理的改进型MBR一体化工艺及其装备，同传统的生化工艺相比，设备自动化及智能化程度高，工艺简单易控，设备能耗低，占地面积小，易于在分散性较高的农村生活污水中广泛应用。