膜生物反應器(membrane bio-reactor,MBR)具有占地面積小、出水水質好、污泥產率低等優點,然而高能耗成為了 MBR 工藝在水處理領域進一步研究和應用的最大瓶頸。 據統計,我國城市污水處理廠的平均電耗為 0. 29 kWh·m - 3,其中 MBR 工藝單位能耗是 0. 6 ~ 0. 9 kWh·m - 3,遠高于傳統生物處理工藝(0. 2 ~ 0. 3 kWh·m - 3) ,能耗水平與歐美等發達國家相比差距較大。 特別是處理低濃度有機物廢水時能耗問題尤為突出,如何找到降低能耗、物耗的途徑是當前的迫切需要。

　　缺氧-厭氧-好氧膜生物反應器( anoxic-anaerobic-anoxic membrane bio-reactor,3AMBR)是具有高效脫氮除磷性能的新型 MBR 組合工藝。 該工藝具有出水水質好、運行穩定、污泥產量小等優點,但同時系統存在運行成本過高的問題。 李捷等認為,3AMBR 工藝的能耗主要來源于降低膜污染、提高脫氮除磷效果而采取的強曝氣和內循環的動力消耗。

　　基于 3AMBR 實際運行中存在的高能耗問題,本研究開展中試實驗,嘗試從改變進水、曝氣及內回流比的方式對 3AMBR 工藝的優化運行進行了研究,以期在無外加碳源的條件下,達到強化脫氮效率、節能降耗的目的,并研究可用于工程實際的工藝節能改造方案。

　　1　 實驗材料及方法

　　1. 1　 實驗進水

　　中試裝置搭建于昆明第四污水廠內,進水為經污水廠三道格柵處理后的生活污水和污泥脫水原液,實驗期間進水水質見表 1。 實驗進水水質波動較大,其中 C / N(質量比)為 5. 40,根據傳統脫氮理論,進水碳源稍顯不足,屬于低 C / N 值生活污水,脫氮難度較大。

 表 1　 進水水質

　　1. 2　 實驗裝置

　　中試裝置箱體采用鋼板焊接制備,設備有效容積為 L × W × H = 3. 9 m × 2 m × 2 m,設計污水處理量為1 m3·h - 1,采用昆明第四污水處理廠現有運行工藝,工藝流程為厭氧-缺氧-好氧-變化池-膜池(圖 1) ,該工藝對好氧池進行了分區,好氧區前段(好氧 1 段)充分利用膜池回流的 DO,可減少曝氣器布置密度,后段(好氧 2 段)有機物濃度較低,減少曝氣器布置密度,為后續處理單元爭取更多碳源,同時可減少好氧停留時間、增加變化池停留時間,提高總氮去除效率。 各池體間用開孔鋼板分隔。 膜組器采用簾式聚偏氟乙烯( polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纖維膜,膜孔徑≤0. 1 μm。

　　1. 3　 中試裝置運行工況

　　中試裝置的污泥齡為 15 d,膜池約為 7 g·L - 1,好氧池與變化池約為 6 g·L - 1,厭氧池與缺氧池約為5 g·L - 1。 總水力停留時間( hydraulic retention time,HRT)為 14. 04 h(其中:厭氧區 1. 08 h、缺氧區 7. 02h、好氧區 4. 32 h、膜區 1. 62 h) 。 該工藝設置了 3 個混合液回流:膜池至好氧池( R1 ) 、好氧池至缺氧池(R2 ) 、變化池至厭氧池(R3 ) 。 產水由自吸泵間歇抽吸出水,抽停時間比為 9 min / 1 min,每周進行一次維護性清洗( enhanced flux maintenance,EFM) 。 進水量、回流量與曝氣量主要通過電磁閥(2W- 250-25) 、液體電磁流量計(BTLD-20016 1110)與氣體流量計控制。

　　本研究優選了 4 套實驗方案,其中方案 1 模擬昆明市第四污水處理廠處理工藝流程。 其他方案與方案 1 相比,主要調整如下:方案 2,完全停止好氧池曝氣,加大 R1 回流,主要考察膜池富余溶解氧利用替代曝氣的效果;方案 3,降低好氧池首段曝氣量,主要考察降低曝氣量的影響;方案 4,改變進水方式,考察多點進水運行工況的效果。 各方案運行的具體變量對比如表 2 所示。

表 2　 3AMBR 中試實驗方案變量對比

　　1. 4　 分析項目及方法

　　COD:《重鉻酸鉀法》 ( GB 11914-1989) ;TN:《過硫酸鉀氧化分光光度法》 ( GB I1894-1989 ) ;NH3 -N:《氨氮的測定-納氏試劑分光光度法》 ( HJ 535-2009 ) ;NO3 -N: 《硝酸鹽氮的測定-酚二磺酸分光光度法》(GB / T 7480-1989) ;TP:《鉬銻抗分光光度法》 (GB 11893-1989) ;DO:采用 HACH HQ-40-d 便攜式溶氧儀測量;MLSS:采用 HACH TSS 便攜式污泥濃度計測量;ORP:采用 HACH HQ-11-d ORP 計測量;pH:采用HACH pH 計測量;濁度:采用 HACH 2100N 濁度儀測量。

　　2　 結果與討論

　　2. 1　 實驗期間各方案水質結果分析

　　中試 MBR 系統自 2014 年 5—12 月,進行了 200 d 左右的中試實驗,在去除了切換調試期后,穩定期長達 100 d(其中方案1 為70 d,方案2 為10 d,方案3 為10 d,方案4 為10 d) ,在此期間出水水質良好,主要水質主要指標監測結果見圖 2。 出水在改變運行參數后略有波動,總體來說各方案 COD 出水均低于 30mg·L - 1,去除率可達 83. 10% ;出水 TN、NH3 -N、TP 的質量濃度平均值分別 7. 09、0. 92 和 0. 33 mg·L - 1,去除率均值為 63. 06% 、81. 59% 、97. 05% ,優于絕大多數傳統處理工藝,滿足城鎮污水處理廠一級 A 排放標準的要求(COD≤50 mg·L - 1,NH3 -N≤10 mg·L - 1,TP≤0. 5 mg·L - 1) 。 各污染物除 TP 采用生物 + 化學法外,其余皆采用生物法去除。

　　2. 1. 1　 DO 值

　　由表 3 監測結果可知,受節能措施的影響,各反應池水體 DO 值均出現了不同程度的改變:方案 2 雖然完全停止了曝氣,但好氧 1 段仍保持了接近原來一半的 DO 水平(0. 23 mg·L - 1) ,說明膜池液回流確實起到了補充溶解氧的作用;方案 3 則停止好氧 1 曝氣,該池 DO 值進一步降低到約方案 1 的 1 / 4 水平(0. 13 mg·L - 1) ,膜池以外的各池 DO 水平非常接近,梯度不明顯;多點進水對 DO 值也產生了一定程度的影響,尤其是 2 個好氧池和變化池形成了更好的 DO 值濃度梯度。

 表 3　 3AMBR 中試各單元溶解氧

　　2. 1. 2　 有機污染物

　　各方案在運行期間均達到了較好的 COD 去除效果,去除率分別為 86. 23% 、 87. 47% 、 84. 79% 、89. 65% 。 從沿程污染物濃度變化情況(圖 3)可知,由于受到生化降解及回流液稀釋的作用,各方案 COD濃度在厭氧池下降幅度較大,可達到 81. 28% 以上,后續處理單元對 COD 也有少量的去除作用。 改變運行參數后(方案 2、方案 3 及方案 4) ,各單元 COD 去除率均略有下降,但與對照組相比差異并不顯著,不影響出水達標(均低于 30 mg·L - 1) 。 這表明,不同供氧方式及進水方式對 COD 處理效果的影響不大。 當改變供氧方式時(方案 2 或方案 3)好氧池溶解氧均值低于 0. 25 mg·L - 1,與厭氧池、缺氧池 DO 梯度變小, MBR 工藝中有機物的去除主要通過生化降解,而該套工藝中由于膜系統的存在具有極好的泥水分離效果,污泥濃度高(5 ~ 8 g·L - 1) ,保證了 COD 的良好去除率。 當采用多點進水時(方案 4) ,對碳源進行了重新分配,但未見缺氧池與變化池 COD 值出現明顯上升,主要原因是污泥濃度較高,有機物在反應器前段快速被消耗,而本次實驗的采樣點則位于處理構筑物的末端。

　　2. 1. 3　 含氮污染物

　　TN 在各方案中均呈持續下降的趨勢,這主要是系統沿程實現了同步硝化反硝化作用的結果,各方案NH3 -N 和 NO3 -N 值沿程變化呈負相關性(圖 3( c) ,( d) ) ,兩者之間存在明顯的轉化跡象,這也與國內外其他研究結果相似。

　　改造后的方案脫氮效率皆明顯提高。 方案 2 的污水進入系統后隨著 NH3 -N 濃度的持續下降,NO3 -N很好地穩定在 2. 50 mg·L - 1左右,表明系統硝化/反硝化過程進行良好,其中好氧 2 段至變化池末端發生二次反硝化作用,分析原因主要是好氧 2 段與變化池中溶氧值(0. 09 mg·L - 1)較低,反硝化菌的活性高;最低的出水 TN 出水濃度證明:增加回流較其他手段更有利于氮的去除。

　　方案 3 降低曝氣量后,仍存在較高的 COD 和 NH3 -N 去除率,可能是存在兼型厭氧菌在低 DO 條件下利用有機碳源進行反硝化作用。 但同時,NH3 -N 要高于方案 2 和方案 3,TN 去除率不高,這是因為反硝化菌活性不高,亞硝酸還原酶的合成受到抑制,導致反硝化過程中亞硝酸鹽的積累,這也在孫家君等、周丹丹等的研究中也發現相似的規律。

　　方案 4 采用分段進水的方式,雖然變化趨勢與方案 1 接近,并且也出現了較高的 NO3 -N 累積,但由于較為均勻地分配了氮負荷與碳源,硝化/反硝化過程得以更好地進行,其中好氧 2 段至變化池末端,NO3 -N呈現明顯下降趨勢,出現二次反硝化作用,但與方案 2 對比,結合溶氧值與 COD 變化趨勢可知,主要是因為多點進水為處理流程末端反應池提供了充足的碳源,所以沿程各項氮素指標均優于方案 1,并最終達到了更好的脫氮效果。 結果表明,多點進水可合理分配碳源,降低反應器前端負荷,從而提高脫氮效率。

　　2. 1. 4　 含磷污染物

　　中試裝置除磷采用生物法 + 化學除磷,在昆明市第四污水處理廠超細格柵之后投加鐵鹽(硫酸鐵) ,由圖 3( c)可知,在厭氧池末端已實現了 TP 的有效去除,出水水質均能達到 GB 18918-2002 一級 A 標的要求。 由張嚴嚴等、李捷等與隋軍等前期在昆明第四污水處理廠所做研究可知,生物法 + 化學除磷法即使在 COD / TP < 20 時也可達到較好的除磷效果,且方法穩定可靠。 本實驗中各方案除磷效果略有差別,主要是由于進水水質變化造成。

　　2. 2　 能效分析與討論

　　污水處理過程中的能耗主要是指電耗,據研究其中鼓風機、泵等設備的電耗通常占到總體直接能耗的60% ~ 90% 。 中試裝置預處理、出水消毒系統、污泥系統的耗電量參考污水廠的耗電量,由于中試裝置的曝氣設備直接接自昆明市第四污水處理廠的曝氣鼓風機,因此采用曝氣流量占鼓風機總流量的百分比來估算耗電量。 中試實驗用到的其他用電設備主要有:單相潛水泵(0. 75 kW,0. 37 kW) ,離心泵(0. 37kW,僅供出水、反沖洗用) ,為了在相同標準下比較,這些設備均按污水廠的能耗水平分別進行了折算,具體見表 4。

 表 4　 MBR 中試裝置各方案能耗統計表

　　從污水廠的能耗分布看,曝氣和吹掃電耗合計達 0. 383 kWh·m - 3,占全廠總電耗的 62. 89% ,是節能降耗的關鍵。 受規模效應等的影響,中試裝置與污水處理廠的能耗比高達7. 65(折算后為2. 26) 。 折算結果顯示,方案 2、3 均實現了能耗的明顯降低,并且保證了良好的出水水質,說明減少曝氣是可行的節能途徑;其中,增加回流、完全停止曝氣的方案 2 獲得了最低的能耗,并且表現出了最佳的脫氮能力,回流起到了代替曝氣、甚至更好的效果,當然這一結論是在中試特定的條件下獲得的。 方案 4 采用多點進水,能耗雖基本沒有變化,但優化了碳源配置,降低了好氧段首端的有機負荷,提高了脫氮效率,對出水水質有明顯的改善作用,從而提高了污水處理的能效。具體參見污水寶商城資料或http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　3　 結論及建議

　　本研究以實際城市污水為對象,構建中試系統,進行了長達200 余天的現場實驗,結論如下:1)減少曝氣是切實可行的節能途徑,即使好氧池在低溶氧(DO < 0. 3 mg·L - 1)狀態下運行,仍可保證系統出水的穩定達標排放;2)增加膜池回流比,可充分利用膜池富余溶解氧,起到部分或完全替代好氧池曝氣的效果,并可同時實現脫氮效能;3)多點進水在降低反應器前端污染負荷的同時,通過合理分配碳源改善了缺氧池的反硝化性能,進而提高了系統的整體處理能力,從而明顯提升了能效。

　　本實驗的 3 種優化方案都是較行之有效的節能參考,運行中的污水處理廠可采用類似方案 1 的方式,通過適當降低曝氣強度達到節能;而對于新建或改造中的污水處理廠,建議設置多點進水,并輔以各單元回流量和曝氣量靈活調節的選擇,以實現污水處理能效的最大化。