兼氧MBR工艺在北方农村污水处理工程中的应用

兼氧 MBR工艺在北方农村污水处理工程中的应用

李傲

华航环境发展有限公司 北京市 102400

摘要：随着我国农村社会经济的快速发展,居民生活水平不断提高,农村生活污水量日益增加。同时缺少污水系统,大量污水得不到有效处理,使得农村水环境的状况不断恶化,直接影响水源 地水质及村民身体健康。目前党中央、国务院日益重视农村人居环境的建设,把“乡村振兴”提升到国家战略高度,其中农村生活 治理是一项重要内容,因此农村生活污水治理已迫在眉睫。近年来，水环境磷污染和富营养化日益加剧，国家磷排放标准提高，以及对污泥处理处置要求的提高，开发高效经济的新型除磷技术成为当务之急。考虑到我国北方农村地域辽阔,且居民点较为分散,城市污水处理手法不适合农村地区,单一的污水处理模式不能达到处理效果。因此 寻找高效节能的脱氮除磷技术成为必然的发展趋势。MBR 工艺是将现代膜分离技术与生物处理技术有机结合起来的一种新型高效污水处理及回用工艺，因 其特有的高污泥浓度和生物种群多样性的特征，在 提高生物脱氮除磷效率方面具有较大潜力。

关键词：兼氧 MBR；北方农村；污水处理

随着我国城市化进程加快，工农业生产水平快速提高，我国生活污水、工业污水和农业用水大量排放。污水中富含高浓度的磷，如果未经任何污水处理就排到水体的话，将会造成了水体的富营养化，导致水质恶化，破坏水生态的平衡，严重威胁了社会的自然环境、经济和发展。传统污水生物除磷主要是通过聚磷菌的作用达到去除效果，具有运行能耗低、除磷效率高、不产生化学污泥等优点，但是该方法只能通过富磷污泥的排放达到磷的去除效果，除磷率越高，富磷污泥的排放量也就越大，对环境造成二次污染的影响也就越严重。在磷污染日趋严重的现实情况下，降低投资运行费用，提高除磷效率，减少富磷污泥的排放是当前废水生物处理领域的重大目标和当务之急，同时也是今后我国水环境保护事业发展的必然趋势和研宄方向。

一、兼氧ＭＢＲ工艺

DorrOLolive公司首先将MBR技术应用于废水处理的研究，并建立工业化MBR，将活性污泥法和超滤工艺结合起来处理城市污水，使用具有截留作用的超滤膜代替利用自然沉降作用的二沉池进行固液分离，极大的改善了出水水质。但由于当时膜制造行业的不够先进，膜材料种类少、寿命短、费用高，制约了MBR在污水处理领域的推广应用。随着膜材料开发和加工技术的改进，膜的售价慢慢下降，MBR中膜组件的成本逐渐降低，MBR应用的经济性逐渐可靠，对于MBR的研究也越来越多。至80年代末，MBR技术在水处理领域已开始受到广泛关注，陆续采用MBR对城市建筑进行中水回用处理，MBR由膜组件和生物反应器组成，可利用生物反应器中微生物的降解作用去除废水中的污染物，并在外界压力作用下使用膜组件的高效过滤截留性能，将大分子物质及活性污泥截留在反应器内，具有很强的固液分离能力。MBR使污泥被截留，使得反应器内污泥浓度升高，停留时间变长，解决了传统活性污泥法中活性污泥沉降性能差的不足，实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离和在实际中的分开控制，提高了生物反应器对污染物的去除效果。MBR可按不同方式分为不同类型，根据膜的孔径类型可分为微滤、超滤、纳滤及反渗透；根据生物反应器的需氧性能可分为好氧、厌氧和兼氧；根据膜组件在反应器中的不同作用可分为膜分离MBR、曝气式MBR和萃取式MBR；根据膜组件和生物反应器的不同组合方式，可分为一体式MBR、分置式MBR和复合式MBR。目前废水处理常使用的MBR是由超滤或微滤膜组件组合生物反应器形成的用于固液分离的分离MBR。在废水处理的工程应用中，大多采用的是好氧MBR，约占98％的比例，其中55％以上是一体式MBR。相比于分置式MBR，一体式MBR更具占地小、能耗低的优势。由于MBR具有良好的污染物去除效果，MBR在废水处理领域具有很大的潜力和很强的竞争力，研究人员不断地探索MBR对各行业废水的处理效果，广泛采用MBR进行实验研究和实际工程应用。

二、农村生活污水处理模式

随着水污染物排放标准和农村水环境治理要求的提高，单一的生物处理技术或生态处理技术往往都有一定的局限性，处理出水很难达到排放要求，无法达到普遍呈现富营养化的农村水环境治理需求；因而，目前较普遍的农村生活污水处理工艺是将污水处理单项技术进行组合，进一步降低污染物排放，强化污水处理净化能力。

1、厌氧-厌氧处理模式。该模式是活性污泥法、厌氧生物膜法、厌氧沼气池相结合形成的组合厌氧工艺。该厌氧-厌氧模式对 COD和悬浮固体 SS的去除展现了良好的去除效果，不足是脱氮除磷效果较差，建设管理费用高，过程繁杂；但由于该模式具有占地小、低能耗、对外界环境要求低等优势，目前，该技术可用于土地紧张、有机物含量高及经济技术条件好的农村地区。

2、厌氧-好氧处理模式。该模式组合厌氧技术与好氧技术形成厌氧-好氧组合工艺。与厌氧-厌氧模式相比，该模式的主要优势为具有较高的污染物去除率和较好的系统稳定性、污泥产量低、抗冲击负荷能力强及出水较为稳定；但由于投资成本和运行电耗费用高且过程控制复杂，因此适用于经济条件较好或对出水要求较高的村庄。在土地资源紧张、自然气候恶劣的偏远农村运用此技术，需考虑经济承受能力。

3、厌氧-生态处理模式。该模式结合污水净化沼气池、厌氧污泥床及厌氧生物滤池等厌氧技术和人工湿地、稳定塘及土地渗滤等生态技术形成厌氧-生态处理工艺。前段厌氧生物单元主要用于有机物降解去除，后续生态单元主要用于氮、磷营养物质的去除。该模式可以单户或几户修建，基建投资低，无机械动力消耗，运行简单无需投入，基本上无需维修，符合农村地区的经济适用条件；但占地面积较大，适用气候条件温和及土地资源丰富的地区，南方地区全年温度高于北方，出水氮、磷相对较低，因而采用该模式适用性更强。

4、厌氧-好氧-生态处理模式。该模式结合了厌氧技术污水净化沼气池、复合厌氧及厌氧生物滤池等、好氧技术生物接触氧化、生物滤池等及生态技术人工湿地、稳定塘及土地渗滤等形成的复合工艺。与厌氧-生态模式相比，该技术增加了好氧部分，强化了有机物的降解及硝化能力，出水水质好且稳定，可直接用于农田回用。该模式占地面积大，好氧工艺机械曝气运行成本较高，如果能结合当地地形，利用地势的高差采用跌水曝气，代替机械曝气单元节约成本，增强农村地区经济适用性。

三、兼氧MBR 工艺在北方农村应用

1、工程概况。该工程某村总人口 420 户，平均每户约有 4 人。 该村日常用水主要为自来水，此外，多数住户还配有自备井；污水主要来源为常驻居民的日常生活污水、餐饮娱乐污水及畜牧污水。根据当地自来水公司提供的数据， 每人每天排水量按 0.05 m3 估算，污水排放总量约为 84 m3/d，但因采用雨污分流的排水体制，且需考虑未来农家乐等旅游项目的开展，工程设计污水处理量为 100 m3/d。 村内无大型工业企业，故污水组成中无工业废水，污染物以有机物为主，可生化性好，同时含有一定氮、磷及浮油，无有毒物质。设计该村的污水处理站出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准 》GB18918 一级B标准。 工程进水及出水水质见表。

2、主体工艺及流程。根据该村的排污特点，选定基于兼氧 MBR 技术研发的分散式污水处理与回用一体化装置作为污水处理的主体工艺装置，该处理站在兼氧MBR 后设表流人工湿地，进一步增强 净化效果和景观效果。工艺流程为： 生活污水→预处理池→膜技术污水处理器→表流人工湿地→回用或达标排放。 生活污水经各支管由干管输送至污水处理站，经预处理池均匀水质、水量，降解部分有机物，随后进入兼氧 MBR 反应池。 在大量经驯化的兼氧、好氧微生物作用下，污水中的污染物得以去除。同时膜组件的过滤作用使污水中的微小悬浮物得以去除，保证出水浊度符合排放标准。使用过程中膜组件不可避免地会受到污染，为保证设备正常运行及尽量减少更换膜组件产生的成本，添加曝气反冲洗过程，并定时在使用过程中添加次氯酸钠， 使膜组件浸泡自清洗。膜组件处理后，出水由抽吸泵提升进入清水池排出设备，设备出水排入表流人工湿地进一步净化。 废水处理系统出水可直接回用或达标排放。

3、工程设备及参数。兼氧MBR一体化设备：根据排水量选用兼氧MBR-100 型成套设备,采用碳钢防腐，配套混凝土设备基础，尺寸为 10.5 m×2.8 m×0.4 m（H）。 电气设计：根据北方地区晴天少雨、光照时间长的特点，选用光伏发电系统为污水站正常运行供电，由外接至低压配电箱的供电电缆作为备用电源。 针对该村具体情况采用 380 V 低压供电，总装机容量 4.4 kW提升泵 1.1 kW，一体化设备本体 3.3 kW。 光伏发电系统主体选用离网光伏控制逆变汇流一体机。根据现场要求，现场有效光照时数为 4ｈ，负载为 4.4 kW，要求每天工作时间为 15ｈ， 1 d 用电量为 65.12 kW·ｈ。外部休闲岛：一体化设施占地 30 m3，在其外围建立生态休闲岛，既增加了村民的休闲场所，又为设备提供保温环境，确保设备在冬季的正常运行，使设备的功能性与景观性两者融合。

4、工程调试运行。在工程完成并进行清水联动试车后，开始为期 3 个月的调试运行。 运行初期进水量稳定在 50～60 m3/d，初始系统设计曝气量为 0.02 m3/s， 气水比 30∶1，预处理池 HRT 为 2ｈ，兼氧 ＭBR 反应池 HRT 为 2～4 ｈ。生物膜法处理污水时，常以 ＮH4+-Ｎ 去除率和COD 去除率来判断生物膜是否成熟，故在试运行期间以出水COD 和 ＮH4+-Ｎ 为主要测试指标。在高效膜生物挂膜完成及活性污泥驯化完成后，系统进水量增加到 90～100 m3/d，系统出水各项指标均可达到一级 B 标准，进入稳定运行期。

（1）COD 去除效果 试运行期间每 5 d 测定 1 次进水COD 平均值及同时段出水COD 平均值。由于9、10 月处于夏秋 相交之际，村民日常生活用水行为导致此两月的进水COD 比寒冷的 11 月数值更高。 又因国家法定假日及双休日的存在，城市务工人口返乡导致用水量增加 ，COD 短期内升高 。在进水COD 波动较大 （205～380 mg/L）的情况下，ＭBR 工艺仍能保证出水COD 在 50～60 mg/L，符合 GB 18918—2002 一级 B 排放标准，显示出较高的抗冲击能力，处理效果稳定。

（2）常温下 ＮH4+-Ｎ 去除效果 每 5 d 测定 1 次进水 ＮH4+-Ｎ 平均值及同时段 出水 ＮH4+-Ｎ 平均值，进水ＮH4+-Ｎ 的变化趋势与进水COD 的基本一致，形成原因也相同。在试运行期间的前 2 个月，平均温度均处于 12 ℃以上，导致出水 ＮH4+-Ｎ 较高，但仍均低于 15 mg/L，符合GB18918 一级B水质要求。

（3）低温下 ＮH4+-Ｎ 去除效果。乡村冬季温度多在-15 ℃以下， 地埋式系统的工作温度处于 3～5 ℃之间。选取数据进行分析，此时运行温度接近冬季平均温度。每2 d 取样1 次， 测定进水平均 ＮH4+-Ｎ 及同时段出水平均 ＮH4+-Ｎ，低温下即使日进水量及进水ＮH4+-Ｎ 均降低 ，出水 ＮH4+-Ｎ仍略高于低温条件时 （低于 12 ℃）的一级 B 排放标准（ＮH4+-Ｎ<8 mg>）。 主要原因是在寒冷农村地区的低温环境下生物膜中的微生物活跃性较低，处理效率下降。为此，将设计曝气量从原来的 0.05 m3/ｈ调整到 0.09 m3/ｈ，水中DO 增至 4 mg/L，以保证兼性厌氧菌活性，增强处理效果。3月气温逐渐回升，机组工作环境温度达到 12 ℃以上， 出水ＮH4+-Ｎ 均<8 mg>。 在后续跟踪调查中每年 2月重新测定低温下水中 ＮH4+-Ｎ，出水水质全部符合一级B 排放标准要求，长期运行效果该套系统已投入运行1年多，整体运行情况良好，主要膜组件至今没有更换。后续工作状态下，出水CODCr、BOD、SS、ＮH4+-Ｎ 及 TP的去除率均在 60%以 上，出水CODCr最高达 52 mg/L,SS未检出，其余指标均达到一级 B 排放标准要求。村内原有露天臭水全部被填埋，居民生活污水集中排放处理率达到 100%， 极大地改善了居民的生活和居住环境。

结论

（1）采用兼氧MBR 一体化设备作为主体工艺 处理农村生活污水，操作简单，维护费用低。 长期运 行出水CODCr、BOD、SS、ＮH4+-Ｎ、TP及 pH 平均值分 别为 51.2 mg/L、15.8 mg/L、 未检出 、14.2 mg/L、0.8 mg/L、6.8， 均达到 GB 一级 B 排放标准。兼性厌氧菌对含氧量变化的适应性强，在进水量 波动较大的北方农村仍可保持水质达标，适宜使用。

（2）一体化设备使用地下埋置的方法，充分利用了地下保温的优势，使整体机组在无需外加保温设施的情况下，也能保证机组在温度较低的北方冬季正常 运行，降低成本投入。且可防止污水处理过程中不良气味的散发，减少了居民的抵触情绪，更易推广。

（3）生物挂膜作为 MBR 的关键工艺，挂膜速率及厚度受当地水质及温度影响较大。 在工程实际应用中，应根据出水水质及时做出相应设计变更。

参考文献：

[1] 凌玉成. MBR 脱氮除磷工艺在我国城市污水处理中的研究与应用[J]. 北方环境, 2018, 25(3): 11.

[2] 肖文胜, 徐文国. 组合填料-膜生物反应器处理生活污水生 产性试验[J]. 水处理技术, 2019, 32(11): 71-73.

[3] 谢良林，黄翔峰．北方地区农村污水治理技术[J]．建设科技，2019(13)：58-59．

[4] 王 阳，石玉敏．分散式污水处理技术研究进展[J]．环境工程技术学报，2019(2)：14．

[5] 黄海琴，李玉婷．村镇生活污水处理技术发展趋势分析[J]．江西科学，2018(6)：09．