2/O―MBR城市生活污水处理系统的运行特性'> A2/O―MBR城市生活污水处理系统的运行特性
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摘要：以北京市某再生水厂为例，分析了A2/O-mbr工艺长达240 d的实际运行数据，研究了该工艺处理城市生活污水的运行特性。结果表明，该工艺运行稳定，抗冲击负荷能力强，对各种污染物都具有良好的处理效果，参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918―2002）一级A标准，出水中的化学需氧量（CODCr）、生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）的达标率分别为99.6%、100.0%、100.0%、90.3%、96.5%，基本达到回用水的要求；在实际运行中可采取预处理、优化操作条件和化学清洗等措施有效地控制膜污染；该工艺电耗约0.51 kW・h/m3，药剂消耗约21 g/m3。
关键词：A2/O-MBR工艺；运行特性；城市生活污水
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）05-1020-04
Operation Characteristics of A2/O-MBR Municipal Domestic Wastewater Treatment System
HAO Peng-peng
（Department of Environmental Engineering， School of Safety and Environmental Engineering， Capital University of Economics and Business， Beijing 100070， China）
Abstract： Based on the analysis of practical operation data in 240 d， the operation characteristics of A2/O-MBR process in a reclaimed water plant in Beijng were studied. The results were as follows. The whole system was stable and had strong anti-shock loading capability. The process had high removal rates of various pollutants. According to “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant（GB 18918-2002）”， the up-to-standard rate of CODCr， BOD5， NH3-N， TN and TP was 99.6%， 100.0%， 100.0%， 90.3% and 96.5% respectively， which preliminarily met the requirements of reclaimed water. During the actual operation of A2/O-MBR process， membrane fouling could be effectively controlled by the measures of pretreatment， optimization of operation conditions， chemical cleaning， and so on. In this plant， power consumption and medicament consumption were approximately 0.51 kW・h/m3 and 21 g/m3， respectively.
Key words： A2/O-MBR process； operation characteristics； municipal domestic wastewater
近年来，水资源匮乏已成为制约中国社会、经济发展的重要因素。中国人口众多，人均水资源占有量仅为2 300 m3，不足世界人均水资源占有量的1/4[1]。此外，中国水资源分布不均，水环境污染较为严重，水资源利用效率偏低，这些都加剧了水资源短缺问题的严峻性。目前，中国已被联合国列为13个水资源贫乏的国家之一[2]。
为解决水资源紧缺的问题，污水再生利用技术越来越受到人们的关注。传统的生物脱氮除磷工艺（A2/O工艺）难以同时满足高效脱氮除磷的要求。而膜生物反应器（Membrane bioreactor，MBR）[3，4]是将膜分离技术和生物反应器有机结合的污水净化系统，由膜过滤代替传统污水处理技术中的二沉池进行泥水分离，同时曝气池中活性污泥浓度也大大提高，具有运行稳定、处理效率高、出水水质好、流程简单、占地面积少、易于操作管理、可自动化控制等优点，经处理的城市生活污水可用于农业灌溉、绿化灌溉、车辆冲洗、道路冲洗、城市消防等。目前，运用MBR技术处理并再利用污水的研究越来越趋于成熟[5-8]。在中国，MBR工艺在水资源再生利用方面已经逐步被推广应用[9-12]。本研究以北京市某再生水厂的A2/O-MBR工艺（即将传统的A2/O工艺与MBR工艺结合）为例，研究了该工艺在处理城市生活污水时的处理效果、膜污染、电能消耗与药剂消耗等运行特性，为该工艺的推广应用提供参考。
1 工程介绍
1.1 工艺流程
北京市某再生水厂占地面积2.4 hm2，该厂采用A2/O-MBR工艺。原水首先经过粗格栅去除大漂浮物，再经过6 mm细格栅和曝气沉沙池去除较大颗粒杂质和漂浮物，然后经过精细格栅（共2道转鼓格栅：3 mm滤孔型细格栅和0.75 mm精细膜格栅）去除毛发纤维等杂质后进入生物处理阶段，最终出水经臭氧接触消毒后回用或排放至受纳水体，剩余污泥输送至污泥浓缩池和匀质池，经重力浓缩后使用离心脱水机处理，泥饼外运进行无害化处置，具体工艺流程见图1。
1.2 设计参数
试验设计规模为40 000 m3/d，设计水温为12～30 ℃，总泥龄15～30 d，污泥负荷为0.038 kg（BOD5）/[kg（MLSS）・d]，各处理池的主要设计参数与膜参数见表1、表2。
1.3 进水和出水的水质设计
该厂主要处理对象为城市生活污水，进水、出水的水质设计见表3，设计的出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918―2002）一级标准的A标准，满足回用水的基本要求。
2 A2/O-MBR工艺对废水的处理效果
2.1 有机物的去除
膜的截留作用延长了污泥停留时间，使系统保持高浓度的活性污泥，有利于专性细菌的培养，提高了系统的生化效率和降解能力，并使系统具有很强的抗冲击负荷能力。运行期间，系统对CODCr具有良好的去除效果（图2），进水浓度波动大（140.0～1 380.0 mg/L），平均值（503.7 mg/L）超出设计值12%，但出水CODCr始终保持稳定（8.3～54.0 mg/L），平均值（25.5 mg/L）远低于设计标准，平均去除率93.5%，达标率99.6%。此外，在日常出水的检测中BOD5也一直稳定低于4 mg/L，达标率100.0%。
2.2 氮的去除
与传统二级处理工艺相比，膜系统可截留世代周期较长的硝化菌，硝化效果好。如图3所示，进水NH3-N浓度范围为11.1～108.0 mg/L，平均值（24.6 mg/L）低于设计值18%；出水NH3-N浓度稳定，平均值（0.7 mg/L）远低于设计标准；平均去除率为96.9%，处理达标率为100.0%。
除启动初期外，系统的反硝化效率一直保持较高水平。良好的硝化和反硝化效果、较高的污泥浓度、稳定的回流比例和充足的进水碳源都是使系统能够高效脱氮的有利因素。如图4所示，进水TN的平均值为46.2 mg/L，与设计值相当；出水TN的平均值为11.6 mg/L，低于设计值。在进水TN波动较大（18.1～165.0 mg/L）的情况下，系统对TN的平均去除率为72.8%，处理达标率为90.3%。
2.3 磷的去除
该工艺采用生物除磷辅助化学除磷，化学除磷药剂为聚氯化铝（PAC），除磷效果如图5所示。进水TP的平均值为7.4 mg/L，与设计值相当；出水TP的平均值为0.22 mg/L，低于设计值；系统对TP的平均去除率为96.4%，处理达标率为96.5%。
3 膜污染及控制措施
在膜系统处理污水的过程中不可避免地会产生膜污染。随着污染的发展，跨膜负压会逐渐升高，如果不加以控制，最终会导致跨膜负压的突然跃升，造成系统停机。膜污染的发展过程分为3个阶段：第一阶段为因膜孔堵塞、被动吸附而引起的初始污染；第二阶段为因大分子物质、胶体附着而引起的缓慢污染；第三阶段为因固体污泥沉积而引起的快速污染。在膜系统的运行过程中，一般将膜污染控制在第二阶段，避免第三阶段情况的发生，即快速的污泥颗粒沉积导致膜材料表面污泥堆积、板结，失去过滤性能。为控制膜污染，该工程主要采取以下措施。
1）预处理措施。该工程预处理措施比较完善，主要为4级格栅过滤和曝气沉沙池系统，可有效地截除进水中的大尺寸颗粒物和沙粒、油脂等，防止其对膜系统造成损害。
2）优化操作条件。主要包括间歇抽吸、控制污泥浓度、控制膜运行通量等措施。①间歇抽吸。该工程采取间歇抽吸（处理7 min，停止1 min）的运行模式，系统停止抽吸后，跨膜压差消失，膜表面污染物反向扩散速率加快，膜表面附近流体对沉积物的去除效果加强，有效地减缓了颗粒物在膜表面积累的速度。②控制污泥浓度。污泥浓度过高时粘度会迅速升高，膜过滤性能会变差，造成污泥颗粒累积，形成快速污染。为有效控制由此引发的膜污染，该工程控制膜池中的污泥浓度不超过12 g/L。③控制膜运行通量。控制膜运行通量是控制膜污染、保证膜系统稳定运行的关键。在一个完整的运行周期内，应保证膜组件的运行通量不超过临界通量，避免因膜表面泥饼层的淤积所导致的快速膜污染。该工程采用跨膜负压超高报警系统，在日常运行过程中密切关注跨膜负压的增长速率，当其超过设定值时，系统报警并停机，安排操作人员进行原因排查，避免了严重膜污染情况的发生。此外，该工程采用恒通量出水模式，不会发生瞬时和局部膜通量过高的情况，有效地控制了膜污染增长速率，使膜通量长期保持较高水平，延长了膜的清洗周期，降低了运行费用。
3）化学清洗措施。化学清洗包括在线化学清洗和离线化学清洗。①在线化学清洗。在线化学清洗主要根据污染类型和污染程度确定清洗的类型和强度。膜污染分为有机污染和无机污染两种类型。有机污染是由污泥混合液中的胶体物质、溶解性物质附着在膜表面和堵塞在膜孔内而造成的膜污染，是膜污染的主要组成部分。在非低温季节，每周进行一次低浓度次氯酸钠溶液（500～1 000 mg/L）的在线清洗，每4周进行一次高浓度次氯酸钠溶液（3 000 mg/L）的在线清洗，有效地控制了有机污染的积累。无机污染是在膜过滤过程中由于浓差极化的作用，膜表面的无机盐浓度升高，当超过其溶度积时，在膜表面析出、结垢，形成了污染层。每月进行一次2%柠檬酸的在线清洗可有效控制无机污染的发展。②离线化学清洗。离线化学清洗一般每年进行一次。方法是将膜组器完全脱离膜池，进行离线的检查、清理，以完全去除其表面和内部的各类污染物质。
4 电能消耗与药剂消耗
本研究估算了直接运行成本中的电能消耗与药剂消耗2项，其他项目如设备维修、水质检测、人工管理、污泥处置等与实际情况相关性很大，在此不做统计分析。
1）电能消耗。该工艺的电耗约0.51 kW・h/m3，电耗成本约0.40元/m3，与传统污水深度处理工艺（二级生物处理工艺后进行混凝、沉淀、过滤单元处理）相比略高。
2）药剂消耗。该工艺消耗的药剂主要为膜清洗药剂、除磷药剂、碳源药剂。膜清洗药剂一般为固定周期、固定浓度使用，其成本相对固定。除磷药剂和碳源药剂一般根据进水的水质、水量情况，在充分利用生物脱氮除磷能力的基础上调整其投加量。经估算，该工艺的药剂消耗约21 g/m3，药剂消耗成本约0.08 元/m3。
5 结论
1）该系统长期运行稳定，抗冲击负荷能力强，对城市生活污水的处理效果好。在长达240 d的运行过程中，出水水质基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918―2002）一级标准的A标准，满足污水回用要求。
2）膜污染的发展过程包括初始污染、缓慢污染、快速污染3个阶段。在实际运行过程中，通过采取预处理、优化操作条件和化学清洗等措施有效地将膜污染控制在缓慢污染阶段，避免了快速污染情况的发生，保障了整个膜系统的稳定运行。
3）该系统电耗约0.51 kW・h/m3，电耗成本约0.40元/m3；药剂消耗约21 g/m3，药剂消耗成本约0.08元/m3。
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