MBR工藝處理污水效果及影響因素分析

膜生物反應器(MBR)工藝結合了污水生物處理技術與膜分離技術的特點，在有機物降解和脫氮除磷等方面發揮出獨特的技術優勢，使處理水質更加穩定優越，可直接達到深度處理效果，適應目前國內污水排放標準逐步提高的趨勢和污水回用的基本要求。
由于MBR工藝的規模化應用才剛剛起步，其工程設計和實際運行經驗均較少。筆者結合某城市污水處理廠的MBR工藝的運行情況，對影響該系統運行效果的重要因素進行研究探討，以供相關設計人員參考。
1、設計簡介
該污水處理廠地處太湖流域，屬環境敏感地區。污水處理廠的處理對象為約含40%工業廢水的城市綜合污水，處理規模為5×104m3/d。根據原水水質并考慮場地因素和處理要求，主體采用膜生物反應器(MBR)工藝。
處理工藝流程見圖1。原水先經過20mm的粗格柵后，由進水泵提升到配水井用以分配本期工程的污水，再經6mm網孔型階梯細格柵進入曝氣沉砂池。在曝氣沉砂池之后設置1座兩級精細格柵池，強化預處理，保護MBR膜系統，安裝的兩級精細格柵，分別為ε=3mm轉鼓式濾孔型超細格柵和ε=0．75mm轉鼓式格網型精細膜格柵。其出水進入MBR反應池進行生化反應和固液分離，膜過濾出水經臭氧消毒后部分回用、部分外排。

圖1污水處理廠工藝流程
MBR處理系統的設計參數:生物池有效水深為6m，設計水力停留時間為10．73h，其中厭氧區為1．48h，缺氧區Ⅰ為2h，缺氧區Ⅱ為2．2h，好氧區為5．05h，設計污泥負荷為0．049kgBOD5/(kgMLSS·d)，總泥齡為20．5d。四個分區的設計污泥濃度分別為3．2、4．8、6．4和8g/L，剩余污泥量為7688kgDS/d，好氧區供氣量為350m3/min。膜組件采用PVDF中空纖維膜，平均孔徑為0．1μm，設計通量為22～26L/(m2·h)，膜池設計污泥濃度為9．6g/L，停留時間為2．04h，總供氣量為450m3/min。
2、進、出水水質及運行效果
根據實測數據，按照一定的保證概率來確定設計進水水質，并針對MBR工藝的特點，進行了趨勢性調整和季節性調整4］。設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準。MBR系統的實際進、出水水質見表1。

表1MBR工藝實際進、出水水質
3、影響膜系統運行效果的指標分析
影響該系統運行效果的三個重要指標分別是污泥濃度(MLSS)、溫度與進水有機物濃度，對其分別進行分析。
3.1MLSS對MBR處理效果的影響
取污水處理廠穩定運行的2011年7月—12月的運行數據進行分析，好氧池與膜池中MLSS的變化及同期COD和NH3－N的去除效果如圖2、3所示。

圖2MLSS的變化與COD的去除效果

圖3MLSS的變化與NH3－N的去除效果
由圖2和圖3可知，盡管進水水質波動較大，但是MBR處理系統的出水水質非常穩定，對COD和NH3－N的平均去除率分別為91．9%和98．1%。
這是因為MBR反應池內維持了較高的污泥濃度，好氧池的平均MLSS為8．4g/L，膜池的平均MLSS可高達10．23g/L以上。隨著MLSS的增高，微生物量也就增加，對水質水量的變化適應能力加強，抗沖擊負荷能力變強。
3.2MLSS對污泥性狀的影響
由于用膜分離取代了傳統工藝沉淀池的重力分離，使MBR工藝反應器內可以維持高達10g/L的污泥濃度，而微生物的結構、種類和生物相也發生了改變。圖4反映了該廠MBR系統與前期工程傳統工藝氧化溝系統中的MLVSS/MLSS比值的變化情況。

圖4MLVSS/MLSS比值的變化
由圖4可以看出，MBR系統中的MLVSS/MLSS比值較傳統工藝高，這說明其中的有機性固體物質的含量較傳統工藝高，加之由于MBR反應池內的MLSS也較高，使系統對有機污染物的去除效率得到了明顯提高。
3.3溫度對MBR處理效果的影響
由于MBR系統中設有化學除磷設施，而且硝化反應受溫度的影響最大，因此只討論溫度對有機物和氨氮去除的影響。該污水處理廠位于長江中下游太湖流域，盡管氣溫高于北方地區，但是由于供暖模式的不同，夏季水溫高而冬季水溫卻明顯低于北方地區。月均運行溫度在9．8～29．5℃之間，最低運行水溫為5．7℃，全年有3個月的平均水溫＜15℃。
生物除碳反應受溫度的影響較小而硝化反應受溫度的影響較大。這是因為:生物除碳反應的適宜溫度為15～35℃，而亞硝酸菌的最佳生長溫度為35℃，硝酸菌的最佳生長溫度為35～42℃，較低的溫度會影響硝化反應菌群的活性6］。不過，盡管NH3－N去除率與溫度呈一定的相關性，但是總體去除率仍較高，同期對COD的月平均去除率在92．4%～96．4%之間，對氨氮的去除率在93．4%～98．6%之間。分析其原因如下:
①MBR系統中的高污泥濃度使得參加生化反應的活性污泥總量較大，對溫度具有較強的抗沖擊能力，這與大慶乘風莊污水處理廠和北小河污水處理廠的運行情況一致，在較高的污泥濃度條件下，降低系統的運行負荷，在較低的水溫下仍可保持較高的硝化效率。
②大量的擦洗空氣使得膜池內的溶解氧極高，通常其DO值可達8～10mg/L，對進一步保障出水水質起到了一定的作用。
3.4進水有機物濃度對MBR處理效果的影響
在MBR工藝中，由于MBR反應器內微生物的結構、種類和生物相的變化使MBR工藝對有機底物的利用不僅僅局限于進水中的BOD5值，對部分COD物質也可以利用，因此采用COD來分析進水有機物濃度對MBR處理效果的影響。由于反硝化菌和聚磷菌均為異養菌，均要利用有機碳源來維持自身生長，因此有機物濃度是制約處理系統去除氮、磷污染物的關鍵因素。
圖5、6分別為該廠MBR工藝自試運行初期至穩定運行期(2010年2月—2011年12月)的進水COD與TN和TP去除量的關系。

圖5進水COD濃度對TN去除量的影響

圖6進水COD濃度對TP去除量的影響
由圖5、6可知，當進水COD在218～795mg/L之間變化時，對TN和TP的去除量也隨之變化，并表現出良好的一致性，但進水COD與TN去除量的相關性比對TP去除量的相關性高。這是因為相對于脫氮而言，磷除了通過生物除磷外還可以采用化學加藥沉淀的方法予以去除。因此，當進水總氮濃度較高時，應通過進水分配使更多的原水進入到缺氧區，優先保證脫氮所需的有機碳源。
4、結論
①污水處理廠的運行實踐表明，MBR工藝運行效果穩定，出水水質優于設計標準，對COD、BOD5、SS、NH3－N、TN和TP的平均去除率分別為91．9%、96．7%、98．5%、98．1%、64．7%、95．8%。
②MBR工藝生物池的高污泥濃度和膜的高效截留作用使MBR工藝對水質水量的變化適應能力強，抗沖擊負荷能力強，確保了污水處理廠的安全穩定運行的要求。
③由于反應池內的污泥濃度均在8g/L左右，具有很強的耐沖擊負荷能力，低溫等不利條件對MBR系統運行的穩定性和出水水質影響較小。
④進水有機物濃度是制約處理系統去除氮、磷污染物的關鍵因素，實際運行表明其與總氮和總磷的去除具有較強的相關性。 

 
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