MBR工艺处理污水效果及影响因素分析

膜生物反应器(MBR)工艺结合了污水生物处理技术与膜分离技术的特点，在有机物降解和脱氮除磷等方面发挥出独特的技术优势，使处理水质更加稳定优越，可直接达到深度处理效果，适应目前国内污水排放标准逐步提高的趋势和污水回用的基本要求。
由于MBR工艺的规模化应用才刚刚起步，其工程设计和实际运行经验均较少。笔者结合某城市污水处理厂的MBR工艺的运行情况，对影响该系统运行效果的重要因素进行研究探讨，以供相关设计人员参考。
1、设计简介
该污水处理厂地处太湖流域，属环境敏感地区。污水处理厂的处理对象为约含40%工业废水的城市综合污水，处理规模为5×104m3/d。根据原水水质并考虑场地因素和处理要求，主体采用膜生物反应器(MBR)工艺。
处理工艺流程见图1。原水先经过20mm的粗格栅后，由进水泵提升到配水井用以分配本期工程的污水，再经6mm网孔型阶梯细格栅进入曝气沉砂池。在曝气沉砂池之后设置1座两级精细格栅池，强化预处理，保护MBR膜系统，安装的两级精细格栅，分别为ε=3mm转鼓式滤孔型超细格栅和ε=0．75mm转鼓式格网型精细膜格栅。其出水进入MBR反应池进行生化反应和固液分离，膜过滤出水经臭氧消毒后部分回用、部分外排。

图1污水处理厂工艺流程
MBR处理系统的设计参数:生物池有效水深为6m，设计水力停留时间为10．73h，其中厌氧区为1．48h，缺氧区Ⅰ为2h，缺氧区Ⅱ为2．2h，好氧区为5．05h，设计污泥负荷为0．049kgBOD5/(kgMLSS·d)，总泥龄为20．5d。四个分区的设计污泥浓度分别为3．2、4．8、6．4和8g/L，剩余污泥量为7688kgDS/d，好氧区供气量为350m3/min。膜组件采用PVDF中空纤维膜，平均孔径为0．1μm，设计通量为22～26L/(m2·h)，膜池设计污泥浓度为9．6g/L，停留时间为2．04h，总供气量为450m3/min。
2、进、出水水质及运行效果
根据实测数据，按照一定的保证概率来确定设计进水水质，并针对MBR工艺的特点，进行了趋势性调整和季节性调整4］。设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。MBR系统的实际进、出水水质见表1。

表1MBR工艺实际进、出水水质
3、影响膜系统运行效果的指标分析
影响该系统运行效果的三个重要指标分别是污泥浓度(MLSS)、温度与进水有机物浓度，对其分别进行分析。
3.1MLSS对MBR处理效果的影响
取污水处理厂稳定运行的2011年7月—12月的运行数据进行分析，好氧池与膜池中MLSS的变化及同期COD和NH3－N的去除效果如图2、3所示。

图2MLSS的变化与COD的去除效果

图3MLSS的变化与NH3－N的去除效果
由图2和图3可知，尽管进水水质波动较大，但是MBR处理系统的出水水质非常稳定，对COD和NH3－N的平均去除率分别为91．9%和98．1%。
这是因为MBR反应池内维持了较高的污泥浓度，好氧池的平均MLSS为8．4g/L，膜池的平均MLSS可高达10．23g/L以上。随着MLSS的增高，微生物量也就增加，对水质水量的变化适应能力加强，抗冲击负荷能力变强。
3.2MLSS对污泥性状的影响
由于用膜分离取代了传统工艺沉淀池的重力分离，使MBR工艺反应器内可以维持高达10g/L的污泥浓度，而微生物的结构、种类和生物相也发生了改变。图4反映了该厂MBR系统与前期工程传统工艺氧化沟系统中的MLVSS/MLSS比值的变化情况。

图4MLVSS/MLSS比值的变化
由图4可以看出，MBR系统中的MLVSS/MLSS比值较传统工艺高，这说明其中的有机性固体物质的含量较传统工艺高，加之由于MBR反应池内的MLSS也较高，使系统对有机污染物的去除效率得到了明显提高。
3.3温度对MBR处理效果的影响
由于MBR系统中设有化学除磷设施，而且硝化反应受温度的影响最大，因此只讨论温度对有机物和氨氮去除的影响。该污水处理厂位于长江中下游太湖流域，尽管气温高于北方地区，但是由于供暖模式的不同，夏季水温高而冬季水温却明显低于北方地区。月均运行温度在9．8～29．5℃之间，最低运行水温为5．7℃，全年有3个月的平均水温＜15℃。
生物除碳反应受温度的影响较小而硝化反应受温度的影响较大。这是因为:生物除碳反应的适宜温度为15～35℃，而亚硝酸菌的最佳生长温度为35℃，硝酸菌的最佳生长温度为35～42℃，较低的温度会影响硝化反应菌群的活性6］。不过，尽管NH3－N去除率与温度呈一定的相关性，但是总体去除率仍较高，同期对COD的月平均去除率在92．4%～96．4%之间，对氨氮的去除率在93．4%～98．6%之间。分析其原因如下:
①MBR系统中的高污泥浓度使得参加生化反应的活性污泥总量较大，对温度具有较强的抗冲击能力，这与大庆乘风庄污水处理厂和北小河污水处理厂的运行情况一致，在较高的污泥浓度条件下，降低系统的运行负荷，在较低的水温下仍可保持较高的硝化效率。
②大量的擦洗空气使得膜池内的溶解氧极高，通常其DO值可达8～10mg/L，对进一步保障出水水质起到了一定的作用。
3.4进水有机物浓度对MBR处理效果的影响
在MBR工艺中，由于MBR反应器内微生物的结构、种类和生物相的变化使MBR工艺对有机底物的利用不仅仅局限于进水中的BOD5值，对部分COD物质也可以利用，因此采用COD来分析进水有机物浓度对MBR处理效果的影响。由于反硝化菌和聚磷菌均为异养菌，均要利用有机碳源来维持自身生长，因此有机物浓度是制约处理系统去除氮、磷污染物的关键因素。
图5、6分别为该厂MBR工艺自试运行初期至稳定运行期(2010年2月—2011年12月)的进水COD与TN和TP去除量的关系。

图5进水COD浓度对TN去除量的影响

图6进水COD浓度对TP去除量的影响
由图5、6可知，当进水COD在218～795mg/L之间变化时，对TN和TP的去除量也随之变化，并表现出良好的一致性，但进水COD与TN去除量的相关性比对TP去除量的相关性高。这是因为相对于脱氮而言，磷除了通过生物除磷外还可以采用化学加药沉淀的方法予以去除。因此，当进水总氮浓度较高时，应通过进水分配使更多的原水进入到缺氧区，优先保证脱氮所需的有机碳源。
4、结论
①污水处理厂的运行实践表明，MBR工艺运行效果稳定，出水水质优于设计标准，对COD、BOD5、SS、NH3－N、TN和TP的平均去除率分别为91．9%、96．7%、98．5%、98．1%、64．7%、95．8%。
②MBR工艺生物池的高污泥浓度和膜的高效截留作用使MBR工艺对水质水量的变化适应能力强，抗冲击负荷能力强，确保了污水处理厂的安全稳定运行的要求。
③由于反应池内的污泥浓度均在8g/L左右，具有很强的耐冲击负荷能力，低温等不利条件对MBR系统运行的稳定性和出水水质影响较小。
④进水有机物浓度是制约处理系统去除氮、磷污染物的关键因素，实际运行表明其与总氮和总磷的去除具有较强的相关性。 

 
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