呂浩田 ， 卞曉崢 ， 黃健平,2* ， 趙藝豪

(1.華北水利水電大學 ， 河南 鄭州 450046 ； 2.河南省水體污染與土壤損害修復(fù)工程技術(shù)研究中心 ， 河南 鄭州 450046)

0 前言

為解決水體富營養(yǎng)化這一環(huán)境問題，污染物排放標準越來越嚴格，生物除磷污水處理工藝得到了廣泛的研究與應(yīng)用。而生物除磷工藝的二次釋磷、污泥齡矛盾和碳源競爭等固有缺陷限制了自身的發(fā)展。為了克服這些缺陷，近20年來國內(nèi)外學者將現(xiàn)有的生物除磷工藝與膜生物反應(yīng)器組合，形成了膜生物反應(yīng)器強化生物除磷污水處理工藝，取得了良好穩(wěn)定的處理效果，生物除磷工藝得到了改善。

1 強化生物除磷工藝研究進展

1.1 生物除磷工藝及其存在的缺陷

生物除磷工藝的除磷機制包括兩種，一種是活性污泥微生物增殖對污水中磷的同化，另一種是活性污泥中的聚磷菌(PAOs)在交替的厭氧和好氧條件下先釋磷后過量吸磷，后者是生物除磷工藝的主要除磷機制[1]。由于生活污水富含氮磷，所以生物除磷工藝通常也包括脫氮。根據(jù)不同的流程單元順序與回流方式，生物除磷工藝可分為A2O工藝、RA2O工藝和UCT工藝。A2O工藝包括厭氧池、缺氧池和好氧池3個流程單元，見圖1。

圖1 A2O工藝流程

生物除磷工藝存在一些固有缺陷，包括二次釋磷、污泥齡矛盾和碳源競爭?；旌弦涸诙脸貐捬醐h(huán)境中會發(fā)生不生成胞內(nèi)有機物的二次釋磷現(xiàn)象，導致出水總磷(TP)升高；PAOs生長時間相對較短，而硝化細菌則較長，兩者差距較大，致使系統(tǒng)存在污泥齡(SRT)矛盾；除磷與脫氮對碳源的競爭導致兩者難以兼顧[2-3]。

1.2 膜生物反應(yīng)器工藝及其優(yōu)勢

膜生物反應(yīng)器(MBR)是活性污泥法與膜濾的結(jié)合，利用膜組器高效截留有機污染物和微生物，代替二沉池實現(xiàn)泥水分離，提高了生化池的污泥濃度(MLSS)和容積負荷，使水力停留時間(HRT)和SRT分離，顯著提高了污染物的去除效果[4-5]。MBR可根據(jù)膜組器位置的不同分為兩種，一種是浸沒式MBR，另一種是外置式MBR。浸沒式MBR的膜組器設(shè)置在生化池內(nèi)，見圖2；外置式MBR的膜組器設(shè)置在生化池后獨立膜池內(nèi)，見圖3。

圖2 浸沒式MBR

圖3 外置式MBR

1.3 膜生物反應(yīng)器改進生物除磷工藝的機制

生物除磷工藝通過與MBR結(jié)合克服工藝自身存在的固有缺陷，形成了膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝，即在生物除磷的最后一個單元好氧池內(nèi)設(shè)置膜組器，或在生物除磷流程末端設(shè)置外置式MBR代替二沉池。此時，二沉池厭氧二次釋磷，PAOs與硝化細菌的泥齡矛盾，以及脫氮與除磷的碳源競爭等問題得到了解決。首先MBR代替二沉池進行泥水分離，直接避免了傳統(tǒng)生物除磷工藝二沉池厭氧二次釋磷。

MBR的高效截留作用解決了PAOs和硝化細菌泥齡矛盾。不同SRT的膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝結(jié)果見表1。

表1 不同SRT的膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝

試驗研究的出水NH3-N<2 mg/L，TP<1 mg/L，SRT分布在15～40 d。此時TP和NH3-N在不同SRT條件下都可獲得良好的去除效果，且觀察到表1中的MLSS維持在6 g/L以上，說明PAOs和硝化細菌在不同SRT條件下都可通過MBR的高效截留作用同時得到有效富集，兩者的泥齡矛盾問題得到了解決。

MBR的高效截留作用同樣解決了PAOs與反硝化菌的碳源競爭問題。由于MBR的高效截留作用可保證出水COD達標，不受運行條件影響。一些研究直接將沉砂池出水作為進水，利用其較高的COD解決碳源競爭問題，得到出水COD<60 mg/L，TN<15 mg/L，TP<1 mg/L，見表2。其中，王朝朝等[15]在UCT-MBR中分別處理低負荷的初沉池出水和高負荷的沉砂池出水，結(jié)果表明，MBR可保障兩種負荷的出水COD達標，高負荷下出水TN和TP顯著低于低負荷，這說明利用MBR對大分子有機物的截留作用解決碳源競爭問題是可行的。

表2 膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝處理沉砂池出水

綜上所述，不同類型的生物除磷工藝都通過與MBR結(jié)合有效解決了二沉池厭氧二次釋磷，PAOs與硝化細菌的泥齡矛盾，以及脫氮與除磷的碳源競爭等問題。

2 除磷效果與膜污染的影響因素

生物除磷工藝能否發(fā)揮其優(yōu)良的除磷特性，取決于PAOs及其活性，這需要適宜該工藝的污水和運行控制條件。MBR運行過程中產(chǎn)生的膜污染不容忽視，膜污染主要由混合液胞外聚合物(EPS)在膜孔和膜表面的沉積而產(chǎn)生。溶解性的EPS又稱溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)，兩者的濃度通常由污水性質(zhì)和運行控制條件決定。盡管生物除磷工藝涉及到的生化反應(yīng)更復(fù)雜，但其混合液成分的要素與傳統(tǒng)活性污泥工藝是一致的。綜上所述，污水組成和運行控制條件是膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝的除磷效果和膜污染的關(guān)鍵影響因素。

2.1 碳氮比

碳氮比(C/N)對除磷效果影響，本質(zhì)上是碳源數(shù)量能否滿足除磷需求的問題，而C/N對膜污染的影響，其機制相對復(fù)雜。王朝朝等[20]研究了不同C/N對UCT-MBR除磷效果與膜污染的影響，結(jié)果顯示：當C/N為3.2時，TP去除率僅為29.5%；當C/N為7.3時，TP去除率提升至98%；C/N由3.2提升至7.3后，膜污染速率提高了32%，此時混合液組分分析表明，EPS多糖和EPS蛋白分別增加了31.8%和94.7%，SMP增加了100%。MANNINA等[21]也做了類似研究，結(jié)果顯示：當C/N為10時，TP去除率為90%，隨后降低C/N至5時，TP去除率降至25%；C/N由10降低至5后，膜污染速率提高了50%，顯然與王朝朝等[20]的研究結(jié)論相悖，此時，混合液組分分析顯示C/N降低后SMP顯著升高，這是由于C/N降低會導致污泥解體，污泥粒徑隨之減小，膜污染加劇。C/N對膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝膜污染的影響有待進一步的深入研究。

2.2 水力停留時間

HRT是影響生物除磷效果和膜污染的關(guān)鍵因素。BROWN等[22]研究了HRT對A2O-MBR的影響，結(jié)果表明：在好氧HRT為8 h等確定條件下，厭氧HRT在0.5～3 h變化，TP去除率隨厭氧HRT先增加后減少；在2 h時最大，為82%。這是因為足夠的厭氧HRT為PAOs吸收COD釋磷提供了足夠的反應(yīng)時間，而時間過長，可利用COD耗盡時，則會發(fā)生不能形成胞內(nèi)有機物的無效釋磷。袁麗梅等[23]研究表明，縮短系統(tǒng)的HRT會直接加速膜污染，系統(tǒng)在HRT為6.96 h期間的膜污染速率是HRT為8.7 h時的3倍。這是因為縮短HRT意味著提高膜通量，則膜污染進程必然隨之加快。

2.3 溫度

溫度決定了混合液微生物活性，且影響膜的性能。SAYI等[24]對A2O-MBR進行長期運行，結(jié)果顯示：期間溫度從41 ℃下降到24 ℃，TP去除率反而從50%逐漸增加到95%，這是由于在較高溫度下，厭氧段PAOs較難吸收有機物釋磷，糖原積累微生物與PAOs之間存在競爭。而膜運行情況顯示：39 ℃下的膜比通量比25 ℃時高43%。這說明隨著溫度的升高，膜污染趨勢有所下降，但生物除磷的過程受到限制。

2.4 溶解氧

溶解氧(DO)對膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝的影響與其對傳統(tǒng)生物除磷的影響不盡相同。袁麗梅等[25]的研究顯示在好氧段DO分別為2.2、1.5、1.0、0.7 mg/L時，TP去除率分別為51.3%、68.5%、71.4%和60.9%，其中DO為1 mg/L時，厭氧段釋磷量最大。因為MBR在高DO條件下直接進行泥水分離，回流污泥攜帶殘留DO會阻礙厭氧池的正常釋磷，而傳統(tǒng)生物除磷工藝則一般不存在這種情況，故本組合工藝宜在好氧池嚴格控制DO。

3 結(jié)語

生物除磷工藝通過與MBR結(jié)合形成的膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝取得良好穩(wěn)定的處理效果，其固有缺陷二沉池厭氧二次釋磷、PAOs與硝化細菌的泥齡矛盾和脫氮與除磷的碳源競爭等問題，因MBR的高效截留作用得到了有效解決。近年來國內(nèi)外學者對此組合工藝的脫氮除磷效果和膜污染的影響因素進行了研究，包括碳氮比、水力停留時間、溫度和溶解氧等。目前，國內(nèi)外對于常規(guī)好氧MBR或厭氧MBR膜污染的研究已深入至微生物群落及其代謝機制的水平。本文工藝研究的側(cè)重點在于脫氮除磷效果，對膜污染的研究報道較少，所以，應(yīng)更進一步探明膜生物反應(yīng)器強化生物除磷工藝的膜污染機理，為工藝的進一步改進提供理論依據(jù)。