目前全国每年产生农村生活污水约80多亿t，其中96%的农村生活污水未经处理直接排放，成为我国水体污染的主要污染源之一^[1]. 为此，废水脱氮除磷工艺的开发备受关注. 笔者结合ABR反应器能有效去除有机污染物和悬浮物、 能耗低^[2]与MBR反应器出水水质好、 占地面积小、 实现了水力停留时间(HRT) 和污泥龄(SRT) 的完全分离等优点^[3]，将ABR反应器和MBR反应器进行优化组合用于废水的脱氮除磷，并获得了较好的处理效果^{[4, 5]}，但存在能耗较高的问题. 由于充氧曝气的能耗高达工艺总体能耗的60%~70%^[6]，为此，降低MBR反应器曝气量，工艺由全程硝化反硝化转换为短程硝化反硝化，并取得了较好的处理效果，同时大幅节省了能耗^[7]. 然而曝气量的大幅减小加剧了膜污染，影响工艺的实际运行性能. 而在MBR反应器内添加颗粒填料能增其与膜表面的摩擦作用，有利于缓减膜污染^{[8, 9]}. 另外，污泥回流的能耗高达工艺总体能耗的10%~20%^{[10, 11]}.

为此，本试验在前期研究基础上，研究如何通过工艺结构的优化，实现工艺能耗的进一步降低. 另外，在MBR反应器内添加颗粒填料，研究颗粒填料对膜污染的影响，比较添加颗粒填料前后工艺处理效能的变化，分析了颗粒填料对膜表面污染物成分的影响，以期为工艺的节能优化提供借鉴，拓展缓减膜污染的措施，进一步提高MBR反应器的实际应用性能.

工艺进水为某高校生活污水，其水质为COD 232~459 mg ·L^-1，NH⁺₄-N 20~46 mg ·L^-1，TN 25~56 mg ·L^-1，
TP 1~7 mg ·L^-1.

接种污泥取自苏州市某城市污水处理厂重力浓缩池. 污泥静置1 周后，加入适量葡萄糖，再静置2 d，然后均匀移入ABR 各隔室，总接种泥量约为各隔室有效体积的3/5. 用配制的生活污水填满各隔室，闲置1 d后开始连续进水. 启动时，ABR 反应器各隔室MLSS约为28 g ·L^-1. 将取自苏州某污水处理厂氧化沟的活性污泥注入好氧池，投入量占好氧池有效体积的1/2，MLSS 约为7.5 g ·L^-1.

颗粒填料呈球形，粒径为4.0~4.4 mm，相对密度1.01~1.04，材质主体为聚乙二醇含水凝胶载体(改性聚氨酯凝胶占16%、 水占84%). 其在好氧池投加的体积占好氧池体积的5%.

本试验所采用的小型中试装置由3隔室ABR反应器和2个好氧池组合而成，为及时和定性观察反应器内的运行情况，反应器均由透明有机玻璃加工制作. ABR反应器、 好氧池1和好氧池2的有效容积分别为60、 20、 40 L，在好氧池2放入膜组件，构建MBR反应器. 试验装置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 试验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of experimental reactor

好氧池底部布设穿孔曝气管，曝气量可由空气流量计调节. 通过调节曝气量，在好氧池实现全程 硝化或短程硝化，在ABR内实现(短程)反硝化及反硝化除磷脱氮，同时基于厌氧反硝化除磷以及厌氧释磷、 好氧吸磷等特性，最终通过沉淀区排泥来实现磷的去除. 部分污泥由沉淀区下方的斜板回流至好氧区. MBR由自吸泵间歇抽吸出水，抽吸周期为12 min(包括10 min 抽吸和2 min反冲洗). 整个系统采用可编程逻辑控制器(PLC)进行恒定水位、 出水泵和反冲洗泵启闭的自动控制. 通过在线监测仪实时监控ABR和好氧池的DO、 pH值. 试验选用的膜组件为PVDF帘式中空纤维微滤膜，膜孔径为0.1 μm，过滤面积为1.2 m²，采用真空压力表监测跨膜压差(TMP)变化，观察膜的污染状况，当TMP增至40 kPa时对膜组件进行化学清洗.

工艺运行条件如表 1所示，每个工况至少稳定运行两个月.

表 1(Table 1)

表 1 试验运行条件 Table 1 Operation conditions of the process 工况 颗粒填料 HRT/h SRT/d R1/% R2/% 好氧池溶解氧 /mg·L-1 温度/℃ ABR MBR 合计 1 无 4.5 3 7.5 20 200 50 3 25 2 无 4.5 3 7.5 20 200 50 1 25 3 有 4.5 3 7.5 20 200 50 1 25

表 1 试验运行条件 Table 1 Operation conditions of the process

对每个工况膜清洗时，进行膜污染物的提取. 在膜污染物提取前，先采用物理清洗去除膜表面的泥饼层. 然后将剪取的污染膜浸泡于30℃、 pH为12的氢氧化钠溶液24 h，提取膜污染物^{[12, 13]}.

本试验COD、 NH⁺₄-N、 TN、 TP、 MLSS、 MLVSS等均采用国家标准方法进行测定^[14]. 污染物TOC采用Analytikjena 3100C型TOC分析仪测定； 碳水化合物采用苯酚硫酸法^[15]； 蛋白质采用Lowry试剂法^[16].

前期研究^[4]只是将ABR反应器和MBR反应器进行简单的组合，通过两个混合液回流泵实现泥水的回流，能耗较高. 为此，笔者在前期研究基础上对工艺结构和运行条件进行优化，其措施如表 2所示. 在好氧池1和好氧池2分别增加两块隔板，构建两个集气室，利用收集曝气气体的提升作用取代了两个混合液回流泵(即气升回流)^[17]，将泥水混合液提升至厌氧区，实现泥水混合液的自动回流，节省了投资成本，降低了动力能耗(从0.85 kW ·h ·m^-3降至0.59 kW ·h ·m^-3). 工况2大幅降低曝气量，能耗得到进一步降低(从0.59 kW ·h ·m^-3降至0.48kW ·h ·m^-3). 工况3，MBR池内添加了颗粒填料，由以下分析可知，添加颗粒填料可减少膜清洗频率. 这样，工况3增加的颗粒填料成本可由减少的膜清洗费用抵消，而能耗不变. 最终，工艺能耗为0.48 kW ·h ·m^-3，与Choo等^[18]和Iaconi等^[19]的研究结果(0.39~1.04 kW ·h ·m^-3)相比，本工艺能耗亦比较低.

表 2(Table 2)

表 2 工艺降耗措施 Table 2 Measures of energy saving 工况 措施 成本 能耗/kW·h·m-3 1 构建两个集气室 节省两个泥水回流泵 从0.85降至0.59 2 大幅降低曝气量(溶解氧从3mg·L-1降到1mg·L-1) 曝气机型号更小 从0.59降至0.48 3 添加颗粒填料 填料成本可由减少的膜清洗成本抵消 0.48

表 2 工艺降耗措施 Table 2 Measures of energy saving

在工艺优化过程中污染物的去除变化如表 3所示，可知整个优化过程中，工艺对COD 的去除差别不大，去除效果很好，出水COD平均浓度低于38 mg ·L^-1，平均去除率高于88%. 工况1溶解氧浓度较高，工艺全程硝化能力强，平均出水NH⁺₄-N浓度为0.7 mg ·L^-1，NO^-₃-N获得了积累，浓度达8.6 mg ·L^-1，TN浓度为12.1 mg ·L^-1，其去除率达72%； 平均出水TP浓度为0.5 mg ·L^-1，去除率达89%. 工况2溶解氧大幅降低，工艺转为短程硝化模式，出水NH⁺₄-N平均为4 mg ·L^-1，NO^-₂-N获得了积累，浓度达4.1 mg ·L^-1，TN浓度为9.5 mg ·L^-1，其去除率为75%； 平均出水TP浓度为0.7 mg ·L^-1，去除率降低了9个百分点，这与溶解氧降低影响聚磷菌释磷和吸磷能力有关^[20]. 相比工况2，工况3添加了颗粒填料，出水NH⁺₄-N和TN浓度变化不大，TN去除率变化不大，与颗粒填料能显著提高硝化效果的结论有所不同^[21]； 然而TP去除率增大了6个百分点，这可能与填料能吸附磷有关. 综上所述，工艺优化过程中降低了大量能耗，同时污染物去除效果仍保持在较高水平.

表 3(Table 3)

表 3 工艺进出水水质 Table 3 Water quality of the influent and effluent 项目 进水/mg·L-1 出水/mg·L-1 去除率/% COD NH+4-N TN TP COD TN TP NH+4-N NO-2-N NO-3-N COD TN TP 工况1 336 30 45 5 38 12.1 0.5 0.7 0.2 8.6 88 72 89 工况2 412 28 38 4 25 9.5 0.7 4.0 4.1 0.5 93 75 80 工况3 374 31 44 5 32 10.6 0.7 4.6 3.5 0.7 91 76 86

表 3 工艺进出水水质 Table 3 Water quality of the influent and effluent

不同工况条件下TMP变化情况如图 2所示，化学药洗基本能保证TMP恢复至初始值(15 kPa). 工况1化学清洗后，膜组件基本能够正常稳定运行30 d. 而当工况2大幅降低曝气量时，膜污染加剧，只能维持正常稳定运行15 d左右，说明曝气量是影响膜污染的重要因素之一^[22]. 工况3，膜组件化学清洗后运行12 d，TMP上升至26 kPa，随即向工艺内添加了颗粒填料，发现TMP大幅降低至18 kPa，此后TMP缓慢上升，膜组件能正常稳定运行40 d左右，显著提高了膜组件的清洗周期，从而可有效减少膜清洗频率，降低膜清洗的成本，极大地增强了MBR反应器的实际应用性能.

图 2

Fig. 2

图 2 不同运行工况跨膜压差的变化 Fig. 2 Change of TMP under different operation conditions

工艺内未添加颗粒填料，膜表面会形成厚厚的泥饼层，而且比较松软，而在工艺内添加颗粒填料后，泥饼层很难形成，这与在曝气作用下颗粒填料形成流化状态对膜表面的冲刷、 撞击作用促成膜表面污泥颗粒反向扩散及沉积层脱落有关^[23]； 当TMP达35 kPa时，泥饼层仍很薄，但比较致密. 试验发现未添加颗粒填料和添加颗粒填料两种运行模式下TMP均达到35 kPa时，膜表面的泥饼层厚度相差很大. 添加了颗粒填料，泥饼层很薄，为何膜污染依然很严重？为此，对膜组件进行物理清洗，清除了膜表面的泥饼层后继续运行. 随即发现未添加颗粒填料时的膜组件TMP恢复至24 kPa，而添加颗粒填料时的膜组件TMP只能恢复至30 kPa. 由此可知添加颗粒填料改变了膜污染的形成过程，不仅附着于膜表面的泥饼层发生了变化，而且经物理清洗后仍黏附在膜表面的污染物也发生了变化. 因此，有必要对经物理清洗仍黏附在膜表面的污染物成分进行分析，以此说明膜污染的成因.

膜表面污染物的成分如表 4所示，可知添加颗粒填料前后膜表面污染物的成分发生了明显变化. 添加颗粒填料后，单位膜表面积的膜污染物显著增多，其中碳水化合物增加23%，而蛋白质减少6%，碳水化合物/蛋白质比则由0.42增加到0.55，表明碳水化合物是引起膜污染的重要影响因素^{[24, 25]}. 虽然膜污染物成分不同，但经化学清洗后，TMP仍能恢复至初始值，说明添加颗粒填料不影响膜通量的恢复，不影响膜组件的继续使用性能.

表 4(Table 4)

表 4 膜表面污染物的成分 Table 4 Amounts of organic components of the membrane foulants 项目 TOC/mg·m-2 碳水化合物/mg·m-2 蛋白质/mg·m-2 碳水化合物/蛋白质 未添加颗粒填料的膜表面污染物 103 101 241 0.42 添加颗粒填料的膜表面污染物 136 124 226 0.55

表 4 膜表面污染物的成分 Table 4 Amounts of organic components of the membrane foulants

为更好地分析颗粒填料对膜污染形成过程的影响，故采用SEM对工艺膜污染现象进行观察. 图 3是各个过程膜表面的SEM照片. 由图 3A可见新膜膜孔非常清晰，分布也比较均匀. 膜被严重污染后(图 3B)，膜表面被滤饼层覆盖，膜孔被全部堵塞. 未添加颗粒填料阶段，严重污染的膜经物理清理后(图 3C)泥饼层被清除，部分膜孔清晰可见，但膜污染还是比较严重. 添加颗粒填料阶段，严重污染的膜经物理清理后(图 3D)泥饼层被清除，清晰可见的膜孔相对未添加颗粒填料阶段更少，膜污染更加严重. 这与未添加颗粒填料时的膜组件TMP可恢复至24 kPa，而添加颗粒填料时的膜组件TMP只能恢复至30 kPa的结果是一致的. 然而无论是未添加颗粒填料阶段还是添加颗粒填料阶段的污染膜经化学清洗后，膜孔均清洗可见(图 3E和3F)，膜通量基本能得到恢复. 另外，工艺添加颗粒填料后运行了两个多月，膜表面(图 3F)与新膜(图 3A)相比没有任何损伤. 说明添加颗粒填料后，其与膜表面的摩擦作用不会对膜造成危害.

图 3

Fig. 3

A.新膜； B.膜污染后期； C.未添加颗粒填料，污染膜物理清洗后； D.添加颗粒填料，污染膜物理清洗后； E.未添加颗粒填料，污染膜化学清洗后； F.添加颗粒填料，污染膜化学清洗后 图 3 膜污染扫描电镜图片 Fig. 3 SEM images of the membrane surface

(1)构建了ABR-MBR一体化工艺，通过气升回流作用不但节省了工艺成本，而且降低了工艺运行能耗，同时工艺对污染物的去除效果仍保持在较高水平，对COD、 NH⁺₄-N、 TN和TP的平均去除率分别为91%、 85%、 76%和86%.

(2)添加颗粒填料可有效延缓膜污染，减少工艺运行过程中膜组件的清洗频率，同时不会对膜组件本身构成危害，增强了MBR反应器的实际应用性能.

(3)添加颗粒填料改变了膜污染的形成过程，膜表面泥饼层变硬变薄，膜内部污染物含量显著增多，碳水化合物/蛋白质比明显增大.