高浓度有机废水A2/O-MBR处理工艺

对于COD 高、可生化性差的有机废水，单独使用生物法或物化法往往难以达到理想的处理效果，研究几种处理方法相耦合，并尽可能降低处理成本进而在实践中得到有效推广，是当前解决此类废水污染的一个重要突破方向〔1, 2〕。

膜生物反应器（MBR）集膜的高效分离和生物降解于一体，是将污水生物处理技术与膜分离技术相结合的新型污水处理工艺〔3, 4〕。其用膜组件代替了传统活性污泥工艺中的二沉池，可进行高效固液分离，达到水净化的目的，克服了传统工艺中出水水质欠稳定、污泥易膨胀等不足。笔者研究用A2/O-MBR组合工艺处理高浓度有机废水，该组合工艺兼有A2/O和MBR 工艺各自的特长，具有出水水质好、占地面积小、剩余污泥近零排放等优点。研究考察了其影响因素及处理效果。

1 试验部分

1.1 工艺流程

设计工艺流程如图 1 所示。

 

图 1 A2/O-MBR 组合工艺流程

整个系统由厌氧池、缺氧池、好氧池、膜组件和自控系统等组成。污水由调节池泵入厌氧单元和缺氧单元，之后进入好氧单元，膜组件在蠕动泵抽吸作用下间歇出水，膜单元的曝气装置置于膜片下方。厌氧池和缺氧池设有搅拌机，好氧池底部装有微孔曝气器。MBR 池内安装穿孔曝气管，采用鼓风机曝气。MBR 反应器为有机玻璃圆柱体，膜组件为中空纤维超滤膜，材料为改性聚丙烯（PP），膜孔径0.1~0.2 μm，膜有效面积156 m2。设置变频器实现曝气量的实时调整。整个工艺设两个回流系统：一是将MBR 池内混合液回流至缺氧池以实现反硝化脱氮，二是将缺氧池内混合液回流至厌氧池以实现厌氧释磷〔5〕。

1.2 试验用水和分析方法

试验用水取自深圳宝安区某化工厂调节池的废水，该化工厂主要生产乙酰基丁二酸二甲酯，废水中主要有顺丁烯二酸单酐、苯甲酰、富马酸等成分，废水排放量为60 t/d 左右。根据工程实际及废水水质状况，采用A2/O－MBR 为主体工艺对该化工厂的废水进行处理。为加快A2/O 池启动速度，缩短微生物的驯化周期，试验污泥取自厂区污水处理设施二沉池的剩余污泥，污泥性状较好，污泥含水率约为75%，试验用原水水质指标见表 1。

装置运行稳定后对进、出水的常规项目进行检测，每隔3 d 测定1 次，COD、NH3-N、色度等测试指标参照文献〔6〕进行，其中COD 采用重铬酸钾法，NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法，浊度用目视比浊法，色度用稀释倍数法，MLSS 用重量法，pH 用精密pH 计。

1.3 运行条件

膜污染是影响系统运行的关键问题，适当的运行条件可有效地控制膜污染，提高膜的使用性能及寿命。污水由泵提升至缺氧单元内停留5.4 h 后，再流至好氧单元内停留3.2 h。混合液部分回流至缺氧单元中进行反硝化（回流比为4∶1），缺氧池回流至厌氧单元的回流比为2∶1，膜反应器内底部曝气，部分水在出水泵的作用下经膜渗透后形成系统出水。反冲洗是维持MBR 稳定运行的重要步骤，间歇式抽停方式可有效减缓膜污染，由PLC 自动控制系统调节。

2 试验结果与分析

2.1 系统对COD 的去除效果

系统对COD 的去除效果见图 2。

图 2 系统对COD 的去除效果

由图 2 可知，在不同运行时间条件下，A2/OMBR组合工艺对COD 的处理效果较为明显，但进出水COD 随运行时间的变化规律并不明显。其中组合工艺中MBR 出水平均COD 为77.2 mg/L，系统对COD 平均去除率高达97%以上，且不受进水水质和工况变化影响，说明该组合工艺具有良好的抗冲击负荷能力和生物降解稳定性。系统厌氧出水平均COD 为1 221 mg/L，厌氧段COD 去除率达63%。理论上厌氧段COD 去除率没有这么高，只因MBR 池的出水回流对厌氧池的稀释作用，导致厌氧出水COD 变低。

在A2/O-MBR 对COD 的去除过程中，微生物对有机物的降解起主导作用，但膜的高效截留贡献不可忽视，膜组件能有效截留生物反应器内的有机大分子物质，使该类物质在反应器内有足够的停留时间，与微生物的接触机会大大增加，因而强化了系统对COD 的去除效果。

2.2 系统对NH3-N 的去除效果

在A2/O-MBR 工艺长达1 个月的运行中，采用间歇曝气的运行方式，获得很好的硝化和反硝化效果，达到高效去除NH3-N 的目的。系统对NH3-N 的去除效果见图 3。

 

图 3 系统对NH3-N 的去除效果

组合工艺对NH3-N 的去除途径包括生物同化和硝化作用，以硝化作用为主〔7〕。由图 3 可以看出，MBR 出水中NH3-N 平均质量浓度为6.7 mg/L，系统对NH3-N 平均去除率高达96.8%以上。NH3-N 的去除几乎完全靠生物反应器中的微生物作用完成的，这表明该系统硝化反应进行得比较完全。这是因为膜对NH3-N 的截留作用很小，而膜反应器内可保持较高的MLSS 和较长的污泥停留时间（SRT），有利于硝化菌的生长繁殖，从而保证了系统良好的硝化效果和较强的抗冲击负荷能力。由于MBR 池设置了缺氧区和泥水回流装置，并且存在好氧回流，NH3-N 在好氧区通过硝化作用转换为NO2--N 和NO3--N，然后随泥水混合液回流到缺氧区而发生反硝化，使反硝化菌有足够的硝酸盐作为电子受体，将其还原成N2，TN 得到了较好的去除〔8〕。当进水TN质量浓度在180~280 mg/L 之间时，MBR 出水中TN质量浓度在12~25 mg/L 之间，TN 平均去除率在92.6%左右。

2.3 系统对色度、浊度和SS 的去除效果

试验表明，系统对色度的去除效果一般，MBR进水色度在310~470 倍左右，经过MBR 处理后，色度降到43 倍，平均去除率为88.1%；但处理水仍呈淡黄色，可能是产生色度的物质累积造成的，在工程实践中可考虑增加活性炭吸附装置。组合工艺对浊度的去除也始终维持在较高的水平，出水浊度为0.06 NTU，平均去除率达94%，优于传统活性污泥工艺单纯靠重力沉淀的处理效果。反应器出水SS 达到20 ~32 mg/L，平均去除率达95.3%，这主要是膜及其表面凝胶层筛分截留作用的结果。

2.4 污泥负荷对COD 去除率的影响

污泥负荷是指单位质量的活性污泥在单位时间内所承受的有机物的数量，或生化池单位有效体积在单位时间内去除的有机物的数量。污泥负荷在微生物代谢方面的含义就是F/M（F 指的是有机物量，M 指的是微生物量）比值，是影响污泥增殖的重要因素。在污泥增长的不同阶段，污泥负荷不尽相同，净化效果也相差较大。污泥负荷对COD 去除率的影响见图 4。

 

图 4 污泥负荷对COD 去除率的影响

经过反应装置中厌氧、缺氧和好氧等单元处理后，进入MBR 的污水中的COD 已有了很大程度的降解，提高了污水的BOD5/COD，其可生化性得到了增强。由图 4 可以看出，出水COD 随污泥负荷的变化而变化，当污泥负荷为0.40~0.55 kg/（kg·d） 时，COD 去除率呈现随污泥负荷升高而上升的趋势，去除率保持在93.5%左右。当污泥负荷在0.55~0.80kg/（kg·d）之间时，COD 去除率又呈下降趋势。总体上，当污泥负荷为0.40~0.80 kg/（kg·d）时，COD 去除率达到89%以上。这说明当污泥负荷在0.40~0.55kg/（kg·d）时，污水中的有机物既能满足污泥中微生物生长繁殖的需要，又在其处理能力之内。由于膜的高效截留作用，使反应器可维持长泥龄和较高的MLSS，从而降低了污泥负荷（F/M），使其对COD 具有很高的去除能力〔9〕。

2.5 抽吸时间对膜过滤阻力的影响

停抽时间均取4 min，选取3 个抽吸时间（8、12、16 min）进行试验，在相同的操作条件（曝气量相同，混合液MLSS 保持在12 g/L 左右）下，考察了抽吸时间对膜过滤阻力的影响。结果发现：抽吸时间为8 min 和12 min 时的膜过滤阻力增加速率几乎相同，而抽吸时间16 min 时的膜过滤阻力上升较快，说明抽吸时间超过一定范围后，会加速膜污染。而抽吸时间为12 min 时能较好地维持膜通量，保持膜过滤性能的稳定。

2.6 膜通量对膜过滤阻力的影响

在A2/O-MBR 工艺运行中，随着膜过滤进行，悬浮污泥及混合液中的一部分物质会吸附在膜表面或内壁，易造成膜污染〔10〕。目前膜污染一般用膜过滤过程中的污染阻力来表征。系统运行时间愈长，污泥混合液的过滤阻力也愈大。试验考察了在抽停时间分别为12、4 min，曝气量在一定范围时，两组膜通量情况下的膜过滤阻力。结果表明：当运行时间增加时，膜过滤阻力也随之增长，并且呈现正线性关系。膜通量不同，其线性关系的斜率也会有所差异。膜通量为13.6 L/（m2·h）时的膜过滤阻力上升速率要远小于膜通量为22.1 L/（m2·h） 时的情况，即膜通量增大，膜过滤阻力明显增大，且增加幅度要远大于改变抽吸时间增加的幅度。这主要是因为膜通量（既施加在膜上的渗透压差）增大，将加快混合液中的活性污泥向膜表面沉积的速度，使污泥层过滤阻力增大，膜污染速率呈增加趋势，清洗周期逐渐变短。

3 结论

（1）A2/O-MBR 组合工艺对高浓度有机废水具有良好的处理效果。系统对COD、NH3-N、SS 的去除率分别达到97%、96.8%、95.3%，在MBR 中设置缺氧区和泥水回流装置可提高MBR 对污染物的去除效果。对污染物的去除，生物反应器起主要作用，膜截留只起到辅助作用。该组合工艺运行稳定，具有较强的抗冲击负荷能力。

（2）污泥负荷为0.40~0.55 kg/（kg·d）时，COD 去除率呈现随污泥负荷升高而上升的趋势，去除率保持在93.5%左右。当污泥负荷为0.40~0.80 kg/（kg·d）之间时，COD 去除率达到89%以上。

（3）当抽停时间分别为12、4 min 时，系统能保持膜过滤性能的稳定。随运行时间的增加，膜过滤阻力呈线性增长。膜通量不同，其线性关系的斜率会有所差异。在一定条件下，膜过滤阻力随膜通量增加而明显增大，膜通量为13.6 L/（m2·h）时的膜过滤阻力上升速率要远小于膜通量为22.1 L/（m2·h） 时的情况。