我國農村每年約產生 80 億t生活污水，大部分未經處理便直接排入自然水系中。隨著水體污染的加劇，《城鎮污水處理廠污染物排放標準》對處理后污水的氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)等指標有了更嚴格的要求。

　　膜-生物反應器(MBR)利用膜的高效截留代替傳統工藝中的二沉池，具有出水水質好、耐沖擊負荷、產泥少、占地面積小等優點，是農村生活污水處理的重要工藝之一。MBR 工藝的核心是膜組件，其中有機膜的應用最廣泛，材質主要為聚氯乙烯(polyvi⁃ nyl chloride，PVC)、聚氯氟乙烯(polyvinylidene fluo⁃ ride，PVDF)。但有機膜具有易損壞、易受化學物質侵蝕、易產生不可逆污染等缺點，影響處理效果，且日常維護管理復雜。農村地區經濟技術相對落后，缺乏專業技術人員，傳統 MBR 建成投產后難以保證科學的維護與管理[8]。相比而言，陶瓷膜具有抗污染性能好、耐酸堿性、機械強度大、結構穩定以及維護簡單等優勢，更適合應用于MBR 處理農村生活污水。

　　目前研究主要集中在C-MBR 對于校園生活污水、醫院污水、煉油廢水的處理以及膜污染特性，對于C-MBR 在農村生活污水中的應用，尤其是脫氮除磷強化工藝鮮有報道。本研究采用浸沒式平板陶瓷膜-MBR 工藝處理農村生活污水，對 C-MBR 處理農村生活污水的效果、脫氮除磷性能進行了強化研究。其中，通過優化回流比、DO、HRT 進行強化脫氮。由于傳統MBR 單一的工藝對磷的去除效果難以滿足日益嚴格的排放標準，限制了其廣泛應用。目前，為解決MBR 除磷效果差的問題，研究主要集中在化學法，通過投加化學藥劑進行除磷，填料吸附除磷在C-MBR 農村生活污水處理中相對不多。本研究采用粉煤灰多孔填料吸附進行強化除磷，相比化學法，操作簡單，維護量小。從而為C-MBR 工藝在農村生活污水中的應用，以及脫氮除磷強化提供解決思路和有益參考。

　　1 材料與方法

　　1.1 工藝與裝置

　　圖 1 為強化前工藝流程與裝置示意圖。工藝設有調節池、缺氧池、厭氧池、好氧池和出水池等，各池材質均為有機玻璃。調節池容積為 500 L，用于配水并調節水質。好氧池長25 cm，寬25 cm，高64 cm，容積為 40 L，缺氧池∶厭氧池∶好氧池體積比為 1∶1∶2，可根據試驗要求調節水位和有效容積，同時設置陶瓷膜反沖洗裝置。調節池中設置進水管，利用蠕動泵向缺氧池配水，后利用重力流入厭氧池，兩池中設有攪拌器。好氧池內底部安裝曝氣穿孔管，利用曝氣泵曝氣，池中設有回流管，混合液經回流泵回流。膜組件放置在好氧池混合液中，抽吸出水。

　　1.2 試驗材料

　　試驗采用的平板陶瓷膜由河南方周瓷業生產。

　　主要膜材質為Al2O3，膜孔徑有 1000、500、100 nm 和 50 nm 四種。接種污泥來源于上海市長寧區天山路污水處理廠，該廠處理對象為城鎮生活污水，污泥經兩個月的培養馴化，濃度性質達到穩定后用于試驗。試驗用水為人工模擬生活污水，以葡萄糖為碳源，NH4Cl 為主要氮源，魚粉蛋白胨為輔助氮源，KH2PO4為磷源。進水COD 和TN、NH3-N、TP 的質量濃度分別為 360.00~661.00、33.90~57.60、16.80~32.30 mg·L-1和4.78~5.77 mg·L-1。

　　1.3 分析項目及方法

　　MLS試驗分析的項目主要有COD、TN、NH3-N、TP、S、pH 和DO 等，檢測方法COD 采用快速消解分光光度法，TN 采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法， NH3-N 采用納氏試劑分光光度法，TP 采用鉬酸鹽分光光度法，MLSS 采用烘干稱量法，pH 采用酸度計(型號：WTW pH-3210)，DO 采用便攜式溶解氧儀(型號：

　　WTW Oxi-3310)。

　　2 結果與討論

　　2.1 污染物去除效果

　　經過前期預試驗，確定在膜通量20 L·m-2·h-1、膜孔徑50 nm、好氧池MLSS 3000 mg·L-1 運行條件下，膜清洗周期最長且出水水質穩定。為明確傳統C-MBR對氮磷去除的局限性，提供工藝優化方向，先在常規條件下[總HRT 為6 h(其實好氧池HRT 2 h)，DO 3.00 mg·L-1，回流比50%]研究C-MBR 去除效果。具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

　　2.1.1 COD 去除效果

　　C-MBR 對于COD 的去除效果見圖 2。由圖 2 可知，進水COD 平均濃度為554.80 mg·L-1，出水平均濃度為34.90 mg·L-1，平均去除率為93.68%，出水COD 濃度滿足一級A 排放標準(50.00 mg·L-1)。其中，陶瓷膜進水COD 平均濃度為298.63 mg·L-1，出水平均濃度為

　　34.90 mg·L-1，陶瓷膜對COD 平均截留率可達90.16%。其原因是，膜池內的MLSS 較高，有機物與微生物在池內充分反應;同時由于陶瓷膜對溶液中固體懸浮顆粒、蛋白質、酶等大分子有機物進行攔截，增加了微生物與有機物接觸時間，強化了有機物的生物降解。

　　2.1.1 TN 去除效果

　　C-MBR 對于TN 的去除效果見圖 3。由圖 3 可知，進水 TN 平均濃度為 47.68 mg·L-1，出水平均濃度為22.59 mg·L-1，C-MBR 對TN 平均去除率為50.52%，出水TN 濃度不滿足一級A 排放標準(15.00 mg·L-1)。其中，陶瓷膜進水 TN 平均濃度為 27.52 mg·L-1，出水平均濃度為22.59 mg·L-1，陶瓷膜對TN 平均截留率為18.02%。TN 的去除主要靠好氧池的硝化作用與缺氧池的反硝化作用。此外，陶瓷膜會截留未被完全降解的含氮有機大分子。TN 的去除受多個工藝參數影響，后續將進行強化脫氮工藝研究。

　　2.1.3 NH3-N 去除效果

　　C-MBR 對NH3-N 的去除效果如圖4 所示。由圖可知，進水NH3-N 平均濃度為24.77 mg·L-1，出水平均濃度為1.13 mg·L-1，平均去除率為95.00%，滿足一級A 排放標準(5.00 mg·L-1)。其中，陶瓷膜對NH3-N平均截留率為6.20%。分析認為：NH3-N 主要以離子形式存在，直徑小于膜孔徑，可能存在NH3-N 附著在懸浮顆粒物上，被陶瓷膜所截留，但總體來說陶瓷膜對NH3-N 的截留作用很小。NH3-N 的去除主要是在有氧條件下，通過硝化作用轉化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。好氧池內DO 充足且硝化菌濃度高，硝化反應徹底，因此NH3-N 有較好的去除效果。

　　2.1.4 TP 去除效果

　　圖 5 為TP 的去除效果。由圖 5 可知，進水 TP 平均濃度為 4.99 mg·L-1，出水平均濃度為 4.57 mg·L-1，平均去除率僅為 12.32%，遠未達到一級 A 排放標準

　　(0.50 mg·L-1)。其中陶瓷膜對 TP 的截留率為 2.8%。分析認為：生物除磷主要利用聚磷菌在好氧狀態下過量攝取磷，通過及時排放剩余污泥進行除磷。由于 C-MBR 中污泥被膜截留在好氧池中，泥齡長，排泥量少，因此 C-MBR 除磷效果差。為提高TP 去除效果，后續將進行強化除磷研究。

　　2.2 膜組件污染速率

　　試驗采用恒定膜通量的運行方式。如圖6 所示，因膜面污堵會出現壓力損耗，跨膜壓差隨著過濾的不

　　斷進行而逐漸增加。陶瓷膜的物理特性使其能承受較高的連續運行跨膜壓差(上限值為±60 kPa)，且具有耐腐蝕性強(次氯酸鈉溶液)的特點。

　　當達到清洗壓差時，利用加藥泵將 1000 mg·L-1的次氯酸鈉溶液，以每片膜500 mL·30 min-1 的速度緩慢注入陶瓷膜片中，經反沖洗裝置進行清洗藥劑排出，膜壓力恢復速率最快，清洗效果最佳。理論上提高膜通量，可減少膜組件的數量，降低投資費用，但過高的膜通量會造成膜清洗頻繁，加速膜的老化，增加膜的更換成本，本試驗中膜通量 20 L·m-2·h-1 時性價比最高。

　　2.3 強化脫氮研究

　　為強化C-MBR 脫氮效果，將對回流比、DO、好氧池HRT 等工藝參數進行優化，以使C-MBR 出水水質穩定，出水 TN 濃度達到一級A 標準，且盡量減少能耗。

　　2.3.1 回流比對脫氮效果的影響

　　回流作為活性污泥工藝中的重要參數之一，對脫氮起重要的作用，與膜過濾技術結合后，回流也有了新的特點，能使膜池內混合液更充分混合接觸。

　　通過改變回流比，旨在提高C-MBR 脫氮效果，使出水TN 濃度達到一級A 標準。試驗時間為 80 d，系統穩定后工況為：總 HRT 為 6 h(好氧池 HRT 為 2 h)，DO為3.00 mg·L-1。好氧池MLSS、膜通量以及膜孔徑工況維持不變。回流比設50%、100%、200% 和300% 四個梯度。圖7 為不同回流比下，主要污染物的去除情況。由圖7 可知，隨著回流比增加，TN 去除率先增加后降低，當回流比為 200% 時，平均去除率最高，為64.60%，出水TN 平均濃度為14.86 mg·L-1，滿足一級A排放標準(15.00 mg·L-1);COD 和NH3-N 去除率均高于90%，出水滿足一級A 標準;TP 去除率呈下降趨勢。這是因為：(1)當回流比提高，回流至缺氧池的硝態氮增多，經反硝化作用TN 去除率提高;當回流比過高(如300%)，回流量攜帶的氧增多，缺氧池內缺氧環境被破壞，反硝化菌活性被抑制，且回流至缺氧段的硝態氮接近飽和，異養菌數量也增多，有限的碳源無法提供足夠的電子供體，導致無法將回流的硝態氮完全還原，TN 去除率下降;(2)C-MBR 耐沖擊負荷能力較強，對 COD 有穩定的處理效果;(3)好氧池中硝化菌活性較高，硝化反應徹底，因此NH3-N 去除效果好;(4)隨著回流比增加，厭氧池中 DO 增加，影響厭氧釋磷，不徹底的釋磷不利于好氧條件下聚磷菌的過量吸磷[20]，因此 TP 去除率下降。綜上，回流比為200% 時，出水TN 平均濃度滿足一級A 排放標準。因此是系統最佳回流比。

　　2.3.2 DO 對脫氮效果的影響

　　曝氣是污水生物處理系統的主要能耗，傳統污水處理廠中鼓風曝氣能耗占總能耗的 50% 左右，在二級生物處理單元中鼓風機電耗甚至占單元電耗的75%。通過改變DO 濃度，旨在使出水TN 滿足一級A 標準的同時，減少能耗。利用便攜式溶解氧儀進行實時監測，通過數顯氣體流量計(型號MF-5712)調節曝氣量的大小對DO 濃度進行控制。設置DO 濃度為0.50、1.00、2.00、3.00 mg·L-1 四個梯度，回流比 200%，總HRT 6 h(其中好氧池 HRT 2 h)，其他參數維持不變，試驗時間為80 d。圖8 為不同DO 下，主要污染物的去除情況。

　　由圖 8 可知，隨著 DO 濃度增加，TN 去除率先升高后降低，當 DO 為 2.00 mg·L-1 時，平均去除率達到最高，為65.9%，此時出水TN 濃度為14.13 mg·L-1，滿足一級A 標準;NH3-N 去除率逐漸提高，當DO≥2 mg· L-1 時，出水NH3-N 濃度才滿足一級A 排放標準(5.00 mg·L-1);COD 平均去除率均大于 90%，無明顯變化;TP 去除率逐漸降低。

　　這是因為：(1)當DO 濃度過低，好氧池中硝化反應不充分，NH3-N 出水不滿足一級A 標準。DO 濃度增加，硝化菌活性增加，NH3-N 的去除效果提高;(2)當DO 濃度增加，硝化反應充分，因此回流的硝態氮增多，反硝化更加徹底，提高了 TN 去除效果。但當DO 濃度過高，回流液中攜帶的 DO 抑制硝酸鹽還原酶的合成和活性，反硝化作用受抑制，降低了TN 的去除效果，且增加能耗;(3)DO 增加，回流液中攜帶的DO 消耗了缺氧池中易降解的BOD5，碳源不足影響厭氧 釋 磷 ，同 時 消 耗 了 細 胞 內 的 聚羥基脂肪酸(PHA)，造成除磷效果下降。綜上，DO 濃度為2.00 mg·L-1 時，出水TN、NH3-N 濃度均滿足一級A 排放標準，且該工況下曝氣量小，能耗低，為最佳DO 濃度。

　　2.3.3 好氧池HRT 對脫氮效果的影響

　　2.00當好氧池 HRT 為 2 h，回流比為 200%，DO 為mg·L-1 時，雖然C-MBR 出水TN 平均濃度滿足一級A 標準，但出水水質不穩定，仍會出現不達標情況。通過改變好氧池HRT，可提高系統出水穩定性。試驗時間為80 d，回流比200%，DO 為2.00 mg·L-1，厭氧池、好氧池各維持2 h，其他參數保持不變。圖9 為不同好氧池HRT 下，主要污染物的去除情況。

　　由圖 9 可知，當好氧池 HRT 為 4 h 時，TN 去除率達到最高，平均去除率可達 69.39%，出水平均濃度為 12.52 mg·L-1，且此時出水水質穩定，運行中 TN 濃度均滿足一級A 標準(15.00 mg·L-1);NH3-N 去除率先上升后穩定;COD 去除率上升;TP 去除率無明顯變化。

　　這是因為：(1)好氧池 HRT 從 2 h 增加到 4 h，NH2 h3-N 去除率從90.74% 增加到94.60%，說明HRT 為時，反應池中各微生物種群沒有充分的時間生長，硝化反應未充分進行，導致缺氧池中硝態氮濃度較低，反硝化無法穩定充分進行[25]，不能達到穩定除氮的目的。但是好氧池HTR 過大(如6、8 h)，會導致好氧池中有機物消耗過多，缺氧池 C/N 比降低，降低反硝化速率[26]從而影響TN 去除，同時造成基建面積過大，工程成本提高等問題;(2)隨著HRT 的增長，微生物對有機物的消解更徹底，COD 的去除率隨之升高。綜上，好氧池HRT 為4 h 時，C-MBR 出水水質穩定，出水TN 濃度穩定滿足一級A 標準，且此時 HRT 適中，不會引起基建面積擴大帶來的成本問題，性價比高。

　　因此認為最佳HRT 為4 h。

　　2.2 強化除磷研究

　　經試驗發現，單一的C-MBR 工藝除磷效果差，出水TP 濃度遠不滿足一級A 排放標準。目前，為解決MBR 除磷效率低的問題，主要采用投加化學藥劑的方法。但化學除磷存在很多缺點：需要不斷投加藥劑，且除磷過程中所形成的金屬磷酸鹽等最終形成固體沉淀，需要通過不斷排泥去除，維護量大且管理復雜。

　　在本試驗中，采用在 C-MBR 后端添加除磷填料段，利用填料吸附磷強化 C-MBR 除磷效果。改進后工藝流程如圖 10 所示。填料池由有機玻璃制成，池中裝填粒徑為15~20 mm 的粉煤灰多孔除磷填料。采用上向流設計，C-MBR 出水通過循環泵從填料池底部進水管流入，經過填料，從上部溢流口流出，并設置有多個溢流口。粉煤灰多孔除磷填料，由上海昂未環保發展有限公司提供，主要成分為粉煤灰、生石灰、磷石膏和水泥等，經高溫高壓改性而成。該填料具有重量小、機械強度好、孔隙發達、易掛膜等特點，其磷吸附容量為 0.016 g P·g-1 填料，孔隙率為 55.38%，平均密度為800.00 kg·m-3。

　　為選擇最佳水力負荷，共設置 3 組平行試驗，分別設計水力負荷為0.17、0.33、0.66 m3·m-3·d-1，分別對進出水口進行采樣。C-MBR 維持最佳脫氮工藝參數：回流比為200%、DO 2.00 mg·L-1、總HRT 8 h(好氧池HRT 4 h)，其他參數保持不變。除磷填料在不同水力負荷下的去除率如表1 所示。

　　由表 1 可知，TP 去除率隨水力負荷的增加而降低。分析認為：當水力負荷過大，污染物與填料接觸時間不充分，導致 TP 去除率低;當水力負荷過小，雖然TP 去除效果好，但每日處理水量過低，投資增加。因此，0.33 m3·m-3·d-1 為最佳水力負荷，此時出水 TP平均濃度為 0.42 mg· L-1，滿足一級 A 排放標準(0.5 mg·L-1)。在最佳水力負荷下，C-MBR、脫磷池進出水TP 濃度以及其去除率見圖11。

　　由圖11 可知，采用粉煤灰多孔填料吸附除磷前，進水TP 平均濃度為5.21 mg·L-1，C-MBR 平均出水濃度為4.57 mg·L-1，工藝對TP 平均去除率僅為12.32%;增加填料吸附除磷模塊后，出水平均濃度為0.42 mg· L-1，工藝對TP 平均去除率提升為90.90%，出水TP 濃度滿足一級A 排放標準(0.50 mg·L-1)。此外，采用吸附法除磷相比化學除磷，操作簡便，管理容易，具有較好的推廣價值。

　　2 結論

　　(1)傳統 C-MBR 工藝處理農村生活污水，出水

　　TN 和TP 不能滿足一級A排放標準。優化回流比為200%、好氧池 HRT 為 4 h、DO 濃度為 2.00 mg·L-1，C-MBR 脫氮效果顯著提高，TN 去除率可達 69.39%，平均出水濃度為12.52 mg·L-1，滿足一級A 排放標準。

　　(2)利用粉煤灰多孔填料對污水中的磷進行吸附去除，在水力負荷0.33 m3·(m3·d)-1 條件下，TP 去除率可達90.90%，平均出水濃度為0.42 mg·L-1A 排放標準。

　　(3)通過優化運行參數，增加吸附除磷段，C-MBR 工藝出水氮、磷指標可同時達到一級 A 排放標準，系統運行穩定，且操作簡單、維護量小、能耗低。(來源：上海交通大學農業與生物學院)