MBR工艺在农村生活污水处理中的应用

王鸿远, 陈子爱, 潘 科, 施国中

(农业农村部沼气科学研究所， 四川 成都 610041)

我国农村每年产生的生活污水量约为70亿吨，占全国污水排放总量的50%以上。但我国农村污水处理率仅为13%～34%，而城市污水处理率达91.97%[1]。农村生活污水氮磷含量高，COD含量低，属于低碳氮比污水，并具有排放点分散、水质水量变化大的特点，而且许多地区并不具备管网收集系统。截至2020年3月，已经近30个省市自治区发布了地方性的农村生活污水处理设施水污染排放标准，对农村生活污水处理提出了更严格的要求。

与传统的活性污泥法和生物膜法等工艺相比，MBR工艺是一种新兴的工艺。膜生物反应器(MBR)是以传统活性污泥法为主体的生物处理技术与以超滤或微滤为主体的固液分离技术的有机结合，它的主要特点是利用膜组件代替了传统活性污泥法中末端的二次沉淀池。由于MBR技术的独特优势，大多数MBR工艺可以获得相当稳定的处理性能；膜的高效分离也为MBR工艺提供了良好的抗冲击的能力。

1 MBR工程的主流工艺——A2O-MBR

在生活污水处理领域，MBR工程所采取的主流工艺为厌氧/缺氧/好氧-膜生物反应器(A2O-MBR)工艺及其变形，以适应生活污水处理中同步生物脱氮除磷的要求，它是一种常用的二级污水处理技术。谢晴[2]等在四川农村地区示范点运行A2/O-MBR一体化设施出水中COD，BOD5，氨氮，TP浓度分别为21.4，4.6，0.24，0.42 mg·L-1，粪大肠菌群浓度为916个·L-1，SS未检出。黄正文[3]等采用一体式A/O-MBR处理农村污水出水的CODcr，氨氮，SS平均值分别为17.13，1.38，3.31 mg·L-1。陈欣仪[4]等发现倒置A2/O-MBR工艺可解决农村水体黑臭问题，试验中当水处理量为0.75 m3·h-1，HRT=15.5 h时，系统对有机物、氨氮、TN和TP去除率分别达到84.90%，96.42%，30.22%和47.75%。

2 适用于农村地区的一体化设施

农村生活污水一般呈粗放型排放，排放收集体制不健全。我国村庄污水收集率仅为10%[5]。农村生活污水处理设施主要有人工湿地(潜流式和表面流)、生态塘、生物滴滤、一体化MBR设备等方案。人工湿地适合在有充足土地资源和一些气温变化不大的南方地区。污水一体化设备具有占地面积小、处理负荷大、分散性好、施工方便等优点，目前乡镇污水治理总体朝一体化设备方向发展。目前针对农村污水的一体化MBR实验的处理效果如表1所示。

表1 MBR一体化设施处理农村生活污水的出水效果

3 组合工艺的研究

除了A2O-MBR 之外，MBR经常与其他污水处理工艺联用，结合MBR和其他技术的优点达到更好的效果。裴亮[12]等采用MBR-AOP工艺处理农村污水，其中高级氧化工艺(AOP)把MBR出水经过光电化学反应激活分子，同时产生氧化能力极强的羟基自由基，降解水中的难氧化物质，脱色除味和灭菌,结果表明，该工艺处理农村生活污水，对CODCr，BOD5，氨氮和浊度的平均降解率分别为96.4%，95.1%，94.3%和99.1%，且出水中未检测出悬浮物和大肠菌群。

吴召富[14]等采用淹没式生物膜-稳定塘组合技术处理农村生活污水研究，利用稳定塘进一步提高出水水质和实现污水资源化，用于绿化、农田灌溉等。系统对COD,氨氮,TN和TP的平均去除率分别为84.33%,97.02%,80.18%和77.34%，出水平均浓度分别为14.88，1.06，9.92，0.53 mg·L-1。稳定塘中藻类、微生物等进一步降解剩余氨氮，提高出水水质。

刘璐[15]等采用多介质膜生物反应器-复合人工湿地组合工艺处理农村生活污水中试试验，整个系统在冬季对于SS平均去除率达90%;COD的平均去除率达55%;对氨氮，TN，TP的平均去除率分别为75%,42%,30%。

4 强化脱氮除磷的研究

4.1 强化脱氮研究进展

尽管MBR技术在处理废水方面体现了独特优势，但为了适应日益严格的污水排放标准或回用标准，如何提高MBR的处理效果，仍是众多研究学者的关注点。除了通过改变水力停留时间、曝气量等操作条件外，通过在反应器内添加填料，生物促进剂、无机混凝剂或有机混凝剂等均能有效提高膜生物反应器处理效果。黄正文[3]采用了A/0-MBR系统处理农村生活污水，在对氨氮的去除上，发现整个污水处理系统总去除率和生物反应器的去除率没有很大的差别。因此膜的分离、截留作用对氨氮的去除并无太大的贡献，对含氮有机物的去除主要是微生物新陈代谢的作用。

MBR的膜截留作用使硝化菌能够在较短的HRT条件下在MBR内生存繁殖，从而使得反应器内NH3-N的去除效率通常能在90%以上，但对TN的去除效果不理想。通过在MBR中增加厌氧段或按照A/O工况运行，TN的去除效率可以提高至60%～80%。如果装置中没有设置严格的缺氧段来强化其脱氮效果，则反硝化效果不明显，TN的去除率随进水波动大[8]。张丽丽[16]等发现前置式反硝化系统可达到较好地去除有机物和氮的目的,其中水力停留时间为影响硝化作用的重要参数。

农村污水普遍存在C/N比偏低的问题，严重制约了脱氮效率，出水总氮往往不能达标。应对的措施为节约碳源好氧消耗、增加内源碳利用(提高回流比)，或者投加外部碳源[17]。李红瑛[18]研究发现相比膜截留，微生物对氨氮的去除起着主导作用;但因为碳源不足，硝化效果良好,但反硝化效果欠佳。陈欣仪[4]研究发现由于在低碳源条件下，缺氧池的反硝化作用不彻底，系统在最优运行条件时，对总氮去除率仅有34.13%。

唐舒雯[19]等探究了陶瓷膜生物反应器强化脱氮除磷所需的最佳操作参数，认为优化回流比为200%，好氧池HRT为4h，DO浓度为2.00 mg·L-1，陶瓷膜生物反应器脱氮效果显著提高，TN去除率可达69.39%，平均出水浓度为12.52mg·L-1，满足一级A排放标准。

4.2 强化除磷研究进展

影响系统生物除磷效果的主要原因可能包括以下两方面：一是缺氧池反硝化脱氮过程消耗系统内大量碳源，导致后续单元碳源减少，不利于聚磷菌进行有效除磷。二是厌氧池内高浓度硝酸盐对聚磷菌释磷的过程产生一定的影响。可通过缩短泥龄来强化系统除磷的效果。当MBR工艺污泥龄较长、生物除磷不足以满足要求时，往往辅以化学除磷。比如在MBR中投加铝盐和铁盐等无机化学混凝剂改变混合液特性。

控制污泥龄是MBR去除磷的重要手段，但是MBR系统如果为了保证反应装置中足够的微生物量，采用无排泥方式运行，对磷的去除则几乎无法实现[3]。刘强[20]等发现污泥龄对有机物去除效果、硝化效果和脱氮除磷效果有重要影响。

陆继来[21]等采用投加聚合氯化铁并控制泥龄为20 d的方法进行A/O-MBR同步生物脱氮与化学除磷,在聚合氯化铁投量(以全铁计)为10～15 mg·L-1的条件下,对COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别达到86.2%,98.8%,52%和91%。

唐舒雯[19]等利用粉煤灰多孔填料对污水中的磷进行吸附去除，在水力负荷0.33 m3·d-1条件下，TP去除率可达90.90%，平均出水浓度为0.42 mg·L-1。

与传统工艺相比，尽管MBR脱氮除磷工艺尚不成熟，但采用MBR工艺对现有的污水处理厂进行提质改造，可增加处理水量，并提高COD、氮和磷的去除。

5 膜清洗的研究

MBR运行过程中膜污染不可避免，需要对膜进行清洗和反冲洗。化学清洗使用的清洗剂一般分为4类：酸(如HCl)、碱(如NaOH)、氧化剂或消毒剂(如NaOCl或H2O2)、表面活性剂和络合剂等。只有当膜受到严重污染时，才进行异位化学清洗。与此相反，原位化学清洗，如维护清洗、就地清洗(CIP)和化学强化反冲洗(CEB)，具有更多的优点：在不拆卸膜组件的情况下恢复膜的渗透性，降低清洗频率。尽管化学方法可以有效地清除膜污染，但是其可能会破坏膜组件的完整性，影响微生物的生存能力且产生化学废液等。在对膜进行清洗时，要根据自身需求选择清洗方式，在恢复膜通量的同时，尽量保证膜的使用寿命。

郭浩[8]等在试验中每10 d对膜组件进行反冲洗，结果表明经过反冲洗后的膜组件，膜通量可以维持在35 L·m-2·h-1以上，跨膜压力可保证在0.02 MPa以下。裴亮[12]等发现采用地下水反冲洗、弱酸洗、弱碱洗可分别使膜通量恢复至新膜的66%，89%和84%。于玉彬[10]等发现农村污水中膜污染类型主要为微生物有机物污染，试验中通过500 mg·L-1NaClO和0.5%NaOH混合进行在线恢复性化学清洗时，基本可以确保膜性能100%恢复。

6 适用于农村地区的新型膜材料

除了传统的膜材料之外，一些成本低，操作简单，适用于人口稀少的农村地区的膜材料被开发出来。Wang等以尼龙网为过滤材料出处理低强度生活污水(平均进水COD=145.7±59.9mg·L-1)。在HRT=5h时，COD和氨氮的去除率分别为86.3%和98.1%。污泥浓度为4.15±0.15g·L-1，这种网状过滤器MBR成本低、简单高效，有在人口稀少地区的应用潜力[23]。Ren等使用非织造布滤袋(NFFB)作为膜生物反应器，通过重力进行膜过滤，无需抽吸泵。由于F/M比低(0.04～0.10 kgBOD5·m-3·d-1)没有多余污泥。反硝化作用发生在生物被膜层，以恢复碱度，从而消除了补充碱度的需要。该系统操作简单，成本低，是人口稀少地区污水处理的一个解决方案[24]。

7 总结和展望

MBR应用于农村生活污水处理具有出水水质优质稳定，剩余污泥少，占地面积小，可去除难降解有机物，易于自动控制等优点,在生活污水处理中，MBR的主流工艺为厌氧/缺氧/好氧-膜生物反应器(A2O-MBR)工艺，主要是通过一体化设施来应用，在排放要求较严格时，MBR可以通过结合多种工艺、调整流程，添加化学药剂等方式实现脱氮除磷，以达到更好的水处理效果。目前限制MBR工艺主要问题有膜污染和高能耗，MBR若要更广泛地应用，在以上两个问题的研究上应当有所突破。