MBR工艺在典型城镇污水处理工程中的调研分析
申世峰 郭兴芳 陈立 李劢 熊会斌
（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074）
摘要:选择4座典型MBR城镇污水处理工程，对其工艺流程、应用效果，尤其是脱氮除磷效果进行分析比较。结果表明：各污水处理工程出水水质基本能稳定达到GB 18918-2002一级A标准，尤其是COD、BOD5、NH3-N及SS去除效果较优；但总氮和总磷去除效果受水温、进水水质及进水有机物组成等影响，其中是否有足够的可被生物降解有机物（BCOD）和快速溶解性易降解有机物（SS）是决定MBR系统能否实现高效生物脱氮和生物除磷的决定性因素。当进水BCOD/TN和SS/TP较低时，需通过外加碳源和辅助化学除磷的方法保证氮磷稳定达标。
0引言
随着我国城市污水排放标准的不断提高和水资源严重短缺问题，MBR工艺因出水水质标准高、处理效率高及占地面积小等优点，在污水处理方面的应用进入高速发展时期。近年来在国内新一轮污水处理厂升级改造过程中，陆续建设了一批以MBR为主要处理工艺的万吨级城镇污水处理工程。本文选择太湖流域、滇池流域以及北方缺水地区的4座典型MBR城镇污水处理工程，对其工艺流程、运行效果和脱氮除磷效率进行分析比较，旨在为MBR工艺设计选择提供参考。
1工程概况
1.1工艺概述
调研4座MBR工程概况如表1所示。
由表1可知，MBR城镇污水处理工程工艺设计型式主要以传统A2/O及其改进型工艺与膜组件耦合为主。
A厂采用厌氧-第一缺氧-第二缺氧-好氧-膜池工艺设计流程，其特点是设置两段缺氧区，并通过控制进水与回流点调节两段缺氧区的功能。进水方式采用厌氧区和第一缺氧区两点进水，回流方式采用膜区混合液回流到好氧区、好氧区混合液分别回流到第一缺氧区和第二缺氧区及第一缺氧区混合液回流到厌氧区的三级回流方式。
B厂和D厂采用厌氧-缺氧-好氧-后置缺氧（变化）-膜池工艺设计流程，其特点是通过设置后置缺氧段强化内源脱氮效果。进水方式采用厌氧区单点进水，回流方式采用膜区混合液回流到好氧区、好氧区混合液分别回流到缺氧区及缺氧区混合液回流到厌氧区的三级回流方式。
C厂采用厌氧-缺氧-好氧-膜池工艺设计流程，并在缺氧区和好氧区之间设置变化区，可根据水温和水质灵活调整其运行方式。进水方式采用厌氧区单点进水，回流方式采用膜区混合液回流到好氧区、好氧区混合液分别回流到缺氧区及缺氧区混合液回流到厌氧区的三级回流方式。
1.2运行参数
调研4座MBR工程设计和运行参数如表2所示。
2运行效果
2.1进水水质
对4座MBR工程进水水质进行统计分析，结果如表3所示。由表3可知，A厂和B厂进水均含有一定量的工业废水，工业废水所占比例分别达到40%和43%，且进水水质波动较大。而C厂和D厂进水以生活污水为主，进水可生化性较好，进水B/C达到0.43～0.47。
此外，为了更好掌握4座污水处理厂进水有机物组成，对4座污水处理厂进水有机物中快速溶解性易降解有机物（SS）、慢速颗粒性可降解有机物（XS）、溶解性不可降解有机物（SI）及颗粒性不可降解有机物（XI）含量进行分析，分析结果如图1所示。
由图1可知，A厂进水溶解性易降解有机物仅占17.31%，而慢速颗粒性可降解有机物占35.51%，总可被生物降解有机物含量BCOD占53%左右，且以慢速可降解有机物为主；B厂进水溶解性易降解有机物和慢速颗粒性可降解有机物分别占41.13%和31.53%，总可被生物降解有机物含量BCOD占73%左右；C厂进水溶解性易降解有机物和慢速颗粒性可降解有机物分别占41.72%和22.73%，总可被生物降解有机物含量BCOD占65%左右，且以溶解性易降解有机物为主；D厂进水溶解性易降解有机物和慢速降解颗粒性有机物分别占35.98%和39.91%，总可被生物降解有机物含量BCOD占75%左右。
2.2有机物和SS去除效果
4座MBR工程出水有机物和SS浓度如表4所示。由表4可知，不同MBR处理工程对于COD、BOD5和SS的去除效果较优，出水平均COD、BOD5和SS浓度基本小于30 mg/L、3mg/L和5 mg/L，平均去除率分别达到88%、97%和97%以上，出水优于GB18918-2002一级A标准。有机物去除效果较稳定，受进水水质波动影响较小，说明MBR系统高污泥浓度特性，提高了系统的抗冲击负荷能力。同时膜组件的高效截留作用保证出水悬浮物浓度较低，出水感官度较好。
2．3硝化效果
4座MBR工程氨氮去除效果如表5所示。
由表5可知，不同MBR处理工程氨氮去除效果均较优，出水氨氮平均浓度小于2 mg/L，平均去除率均达到96%以上，出水浓度优于GB 18918-2002一级A标准。同时氨氮的去除效果受水温的影响较小，低温下MBR系统同样保持较优的硝化效果，保证的氨氮全年稳定达标。主要原因是由于MBR系统高污泥浓度特性和膜组件高效截留作用，使得系统污泥龄延长，有利于世代周期较长的硝化细菌大量繁殖，实现硝化菌的富集驯化，强化了系统的硝化效果。有研究表明，MBR系统中亚硝化菌和硝化菌数量均比常规活性污泥系统菌种高1个数量级，这种强化作用补偿了冬季低温对系统硝化效果的不利影响。
2．4脱氮效果
对不同MBR工程脱氮效果进行分析，结果如表6所示。
由表6可知，不同MBR工程脱氮效果因进水水质不同而差异较大，A、B和C厂进水COD/TN均较高、平均达到9.5以上，但进水有机物组成差异较大。由进水有机物组成分析可知，A厂可被生物降解有机物BCOD仅占总有机物含量的53%左右，且以慢速可降解有机物为主，进水平均BCOD/TN仅为5.0左右。而B厂和C厂可被生物降解有机物BCOD均占总有机物含量的65%以上，且以溶解性易降解有机物为主，进水平均BCOD/TN达到7.63和6.47，导致A厂脱氮效果要低于B厂和C厂。可知进水可被生物降解有机物BCOD含量是决定系统脱氮效果的关键因素，随着BCOD/TN提高，系统脱氮效果提升。
此外，水温对MBR系统脱氮效果产生影响（见图2）。总体而言，随着水温的降低，MBR系统脱氮效果下降，低温下脱氮所需的碳源量增加。因此低温下当进水可被生物降解有机物含量不足时，无法保证出水总氮达到GB 18918-2002一级A标准，需外加碳源强化脱氮效果。由图2可知，A厂夏季进水平均C/N为9.89、平均BCOD/TN为5.24，出水TN平均浓度为10.61mg/L；而冬季进水平均C/N为9.05、平均BCOD/TN为4.70，出水TN平均浓度为14.89 mg/L，且冬季必须通过外加醋酸钠才能保证出水达标。B厂夏季进水平均C/N为13.69、平均BCOD/TN为9.90，出水TN平均浓度为6.28mg/L；冬季进水平均C/N为9.71、平均BCOD/TN为7.00，出水TN平均浓度为9.2 mg/L，为确保冬季出水TN浓度也维持在10 mg/L以下，通过外加醋酸提高脱氮效果。C厂夏季进水平均C/N为8.95、平均BCOD/TN为5.80，出水TN平均浓度10.14mg/L左右；冬季进水平均C/N为9.23、平均BCOD/TN为5.90，出水TN平均浓度为14.15 mg/L，由于进水BCOD/TN较高，冬季无需外加碳源即可保证TN基本达标。D厂夏季进水平均C/N为6.10、平均BCOD/TN为4.65，出水TN平均浓度9.20 mg/L；冬季进水平均C/N为7.58、平均BCOD/TN为5.70，出水TN平均浓度为13.10mg/L，由于运行负荷较低，冬季无需外加碳源即可保证TN基本达标。
总之，MBR系统脱氮效果主要受水温、进水有机物总量及进水有机物构成等影响，其中是否有足够的可被生物降解有机物BCOD浓度是决定MBR系统能否实现高效脱氮的决定性因素。随着BCOD/TN提高，系统脱氮效果提升，同时低温下系统脱氮效果下降，低温下去除总氮所需的碳源量增加。
2.5除磷效果
对不同MBR工程除磷特性进行分析，结果如表7所示。
由表7可知，不同MBR工程的除磷特性和除磷方式不同，A厂和B厂由于进水含工业废水，进水中含有较高浓度的铁铝等金属离子，且进水总磷以颗粒性磷为主，从而金属离子与进水中磷酸盐直接进行反应生成沉淀物，加上膜组件对颗粒态和胶体态磷的截留作用，保证两厂较优的除磷效果，通过现场调研测试也发现A、B两厂基本没有生物除磷效果，主要靠金属离子化学沉淀作用去除。C厂和D厂进水主要以生活污水为主，进水可生化性较好，进水有机物组分分析可知，两厂进水溶解性易降解有机物SS所占比例较高。其中C厂进水平均SS/TP达到35.56，满足生物除磷要求，系统保持较好的生物除磷效果，无需进行化学除磷； D厂平均SS/TP为23.28，但由于实际运行过程中SRT控制较长，最高达50d以上，降低了系统的生物除磷效果，必须辅以化学除磷才能保证TP达标。
总之，MBR工艺除磷效果主要受进水有机物组成、进水总磷组成及SRT的影响，其中是否有足够的溶解性易降解有机物浓度是决定MBR系统能否实现高效生物除磷的决定性因素。随着SS/TP的提高，系统生物除磷效果提升，同时SRT越长，去除总磷所需的溶解性易降解有机物浓度越高。
3结论
（1）MBR工艺处理城镇污水时，COD、BOD5、NH3-N及SS去除效果均较优，出水平均浓度基本小于30 mg/L、3 mg/L、2mg/L及5 mg/L，出水要优于GB 18918-2002一级A标准，同时受水温、水质波动影响较小，抗冲击能力较强。
（2）MBR工艺处理城镇污水时，脱氮效果主要受水温、进水有机物及进水有机物组成等影响，其中是否有足够的可被生物降解有机物BCOD含量是决定系统能否实现高效生物脱氮的决定性因素，随着BCOD/TN提高，系统脱氮效果提升。同时低温下系统脱氮效果下降，低温下去除总氮所需碳源量增加。
（3）MBR工艺处理城镇污水时，除磷效果主要受进水磷组成、进水有机物组成及SRT的影响，其中是否有足够的溶解性易降解有机物SS含量是决定系统能否实现高效生物除磷的决定性条件。随着SS/TP的提高，系统生物除磷效果逐步提升。同时膜组件的设置可提高系统对出水颗粒态和胶体态磷的截留去除。
参考文献略
本文来自《给水排水》杂志2015年第5期。
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