城市綜合污水處理技術
隨著工農業生產的迅速發展以及城市化進程的加快，城市綜合污水由高濃度氮、磷營養物質的生活污水和工業廢水組成，水質已不再是傳統意義上的“市政污水”，污染物組分復雜，難以降解。另一方面，隨著水污染問題日益被重視，尤其是2006年國家推行節能減排以來，對城鎮污水處理廠出水水質提出了更高的要求，逐步開始執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級標準。目前我國大部分污水處理廠采用氧化溝、A2/O、SBR等傳統工藝的活性污泥處理方法，出水僅能達到GB18918-2002二級標準。因此，污水處理廠在污水處理工藝上都進行了新的探索，以使出水滿足更嚴格的排放標準。
膜生物反應器(MBR)是將傳統的活性污泥法與膜過濾工藝相結合的一種污水處理工藝，具有占地面積小、出泥少、出水水質穩定等特點。隨著MBR及其組合工藝研究的不斷深入，使得其在中大型污水處理廠中實際運用變為可能。本實驗主要研究了用水解酸化—膜生物反應器(MBR)相結合的工藝處理含有大量印染廢水的城市綜合污水，使水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準的要求。
1實驗部分
1.1工藝流程
本實驗的工藝流程為原水經過格柵、初沉池后進入水解酸化池，進行反硝化。污泥混合液由泵提升到MBR中進行好氧反應，并通過膜片過濾后出水，從而使最終出水達到排放的要求。其工藝流程如圖1所示。
1.2實驗設備
本實驗中，MBR系統內置膜元件是TO-RAY公司生產的TMR140系列的平板膜。該膜片主要用于膜生物反應器，膜片具體參數為：平板式膜，膜孔徑0.2μm，過濾方式為錯流抽吸過濾，膜材料為PVDF+PET無紡布，框架材料為ABS樹脂。MBR系統為外形1m×1m×2.5m的箱體，有效水深2m，運行由PLC自動控制。系統每片模的設計出水水量為600L/h。采用真空泵出水，流量2m3/h，揚程14m，轉速2800r/min，功率370W。出水真空泵為間歇運行，運行8.5min停1.5min。系統曝氣量設定為10~15m3/h，風機采用三葉羅茨鼓風機，轉速1000r/min，流量20m3/h，功率750W。
1.3原水水質
本實驗為中試實驗。實驗用原水為嘉興某污水處理廠初沉池出水，水質指標為COD200~450mg/L，BOD50~120mg/L，SS110~350mg/L，NH4+-N15~45mg/L，TN25~65mg/L，TP3.6~18.5mg/L。
1.4實驗方法
本實驗開始時，向水解酸化池和MBR系統中接種污泥，接種污泥的混合液發揮性懸浮固體(MLVSS)質量分數達到40%左右，考慮到接種污泥活性較低，接種量約為懸浮固體(MLSS)200mg/L。而后MBR系統進行悶曝，期間每天向裝置內添加葡萄糖、碳酸銨和磷酸二氫鉀等營養物質，5d后啟動試驗裝置。經過60d的連續運行，MBR系統污齡為90d，回流比為200%，每天處理水量為12m3。
1.5測定項目與方法
各工藝環節測定項目包括pH、SS、COD、TN、NH4+-N、TP、色度等，均采用國家規定的標準方法以及國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》提供的方法進行測定。其中COD測定用重鉻酸鉀法，色度測定用稀釋倍數法，TN測定用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP測定用鉬酸銨分光光度法，NO3--N測定用紫外分光光度法，NH4+-N測定用納氏試劑分光光度法;NO2--N測定用分光光度法;混合液懸浮固體(MLSS)、MLVSS、SS測定用重量法，pH值用pH試紙測量，DO、pH和溫度測定用儀器法(WTWOxiLevel2便攜式溶解氧儀)。
2實驗結果與討論
原水經水解酸化—MBR系統處理后，COD、SS、NH4+-N、TN和色度出水水質均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，各污染物去除率也高于傳統的活性污泥法。
2.1污泥性狀變化
為了考察水解酸化—MBR反應器中微生物膜隨啟動時間的動態變化，本研究定期對污泥取樣，用掃描電鏡考察污泥中的微生物相的情況。
與常規活性污泥相比，正常運行MBR中的污泥形態比較松散，無較明顯的絮狀形態，產生這種現象的主要原因有兩種：一是MBR中曝氣量過大，將污泥絮狀結構催散;二是MBR中MLSS較高。污泥處于內源呼吸階段，很難形成絮狀結構。
2.2對SS的處理效果
MBR膜本身空隙較小(<0.2μm)，因此對懸浮物的去除也主要依靠過濾作用。系統啟動之初MBR對SS的去除率僅為83.1%，這是由于啟動階段因膜面沉積層尚未形成，系統對懸浮物的去除主要依靠膜孔的截留作用，即膜的篩濾作用，MBR系統膜組件與管路連接部位存在微小間隙，導致SS通過。經過一段時間的運行，MBR系統穩定后，隨著截留物質的增多，膜上逐漸形成凝膠層，此時對SS去除貢獻來源于這層凝膠層。出水SS保持在0.5~3.0mg/L。這說明，正常運行后MBR膜對SS的截留機理發生變化，在泥水分離過程中膜實際起了一個骨架作用，膜表面凝膠層對小分子物質的截留往往具有不可替代的作用。膜面形成的沉積層協同膜的截留作用，提高了對懸浮物的去除率。
2.3對COD的去除效果
MBR對有機物的去除主要來自兩方面的作用：一是生物反應器對有機物的降解;二是膜的截留，大分子物質及懸浮物被截留于反應器后可比傳統活性污泥法獲得更多的與微生物的接觸時間和機會，同時膜的截留也有助于某些專性微生物的培養，進而提高對有機物的去除率。
此外，在系統啟動后的前10d生物反應器對COD的去除率相對較低，COD去除率均在70%以下。經過顯微鏡觀察發現，微生物種類和數量較少，且微生物在污水中的運動性較差。在此階段，對COD的去除主要是依靠膜的截留作用，有機大分子物質和懸浮物被截留下來，而有機小分子物質和可溶性的有機物沒有被去除。隨著時間的增加，反應器內微生物濃度和活性都逐漸升高，生物降解發揮作用，從而使COD去除率得到提高。系統穩定后，COD去除率>89.90%，雖然進水COD在200~450mg/L之間波動，但出水COD穩定在40~50mg/L之間。運行后期，由于水解酸化工藝段微生物體系的成熟，提高了進入MBR系統污水B/C值，更加有利于MBR反應器微生物生物降解作用，出水COD進一步降低到20~35mg/L。
2.4對NH4+-N的去除效果
膜分離使微生物完全被截流在生物反應器內，使得系統內能夠維持較高的微生物濃度，并且膜的截留作用防止了硝化菌的流失，給生物反應器內的增殖緩慢的硝化菌的保持高濃度創造了有利的條件，從而大大提高了硝化效率。當系統穩定后，出水NH4+-N接近于零。MBR內去除NH4+-N主要靠硝化菌的硝化作用，考慮到MBR膜片的反沖洗要求，MBR生物反應器內溶解氧(DO)高于普通活性污泥法反應器，本實驗過程中MBR內DO值一直保持在5mg/L左右，在MBR內形成良好的好氧環境，利于硝化菌通過硝化作用去除NH4+-N。另外，MBR正常運行時MLSS高達24.0g/L左右，MBR內微生物，尤其是硝化菌群量大也利于NH4+-N去除。該工藝運行期間NH4+-N去除效果較好的另一個原因是該工藝污泥齡較長，為90d，時間較長的亞硝化菌和硝化菌得以富集，使得系統具有較強的硝化能力。
2.5對TN的去除效果
污水處理廠出水TN主要包括NH4+-N、NO3--N和NO2--N。實驗期間出水NH4+-N一直較低，NO2--N也較低(為0.02~0.08mg/L)，出水TN以NO3--N為主，影響出水NO3--N濃度的主要因素為進水C/N和水解酸化池HRT。系統啟動初期，由于水解酸化系統反硝化菌群尚不成熟，TN的去除率較低;水解酸化系統內MLSS提高后，TN的平均去除率有所提高，通過增加水解酸化池有效容積延長HRT后，此時TN的去除率進一步提升。實驗系統中，TN的去除依賴于水解酸化工藝。
2.6對TP的去除效果
整個運行階段中，TP的去除率雖隨著MLSS增加略有增加，但出水TP一直在1.8mg/L以上。MBR為獲得理想的硝化效果須有較長的污泥齡。而除磷過程必須短泥齡運行，因此脫氮和除磷在泥齡選擇上存在矛盾;在釋磷和反硝化過程中存在對碳源的競爭，因此同樣難以同時達到最佳的脫氮除磷效果。MBR工藝低的有機物負荷，高的回流污泥比和污泥齡，適于硝化反應，但高的回流比使水解酸化池中一直大量存在NO2--N和NO3--N，反硝化菌與聚磷菌同時存在，兩者形成競爭關系，導致聚磷菌無法厭氧釋磷，從而在NBR中無法實現耗氧吸磷。可見，要利用MBR實現TP較好的去除，需要解決NO2--N和NO3--N濃度過高的問題以及釋磷效果及污泥齡過長的問題。具體可以通過平衡硝化與反硝化時間，直至NO2--N和NO3--N濃度降低，并投加適量的碳源，同時調節MBR的污泥齡到合適的值，或者采用協同化學除磷的方式(即投加FeCl3、AlCl3及聚合氯化鋁等化學除磷絮凝劑，在排泥的同時實現除磷)等。
2.7對色度的去除效果
MBR系統啟動之初，色度去除率就達75%，系統穩定后，色度去除率達到87.5%以上。經分析，這是膜的截留作用和生物降解作用的結果，帶有顏色的大分子物質和懸浮物被截留下來，微生物將部分有機物降解使其脫色，從而降低了出水色度。
3結論
利用水解酸化—MBR工藝處理城市綜合污水，除TP外，出水COD、NH4+-N、TN指標符合GB18918-2002一級A標準。應對MBR出水再采用一定的強化除磷措施(如投加化學除磷藥劑等)。
水解酸化—MBR工藝是處理城市綜合污水的一種可行方案，在實際運用中還需注意膜污染的問題，以延長裝置使用壽命。
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