MBR脱氮除磷组合工艺研究进展

摘要：指出了膜生物反应器是一种新型高效的污水处理工艺，但是单独膜生物反应器工艺对氮、磷的去除很难达到排放要求，因此膜生物反应器脱氮除磷组合工艺成为研究的热点。分析了多种膜生物反应器脱氮除磷组合工艺的原理、特点和处理效果，并探讨了膜生物反应器脱氮除磷组合工艺存在的问题和发展趋势，以期为mbr脱氮除磷组合工艺研究提供参考。

关键词：膜生物反应器；组合工艺； 脱氮除磷

中图分类号：

X52文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）08004604

1 引言

随着国家工业、农业、新兴产业的不断发展，含有高浓度氮磷物质的污废水排放入江河湖海时，会污染水体，同时使藻类等植物大量繁殖，导致水体水质恶化，出现水体的富营养化。富营养化的水体含有大量的磷酸盐、硝酸盐以及亚硝酸盐，长期饮用将严重危害人类健康。因此，对城市污水进行脱氮除磷处理成为目前污水处理的一个研究热点。实践经验表明，生物脱氮除磷工艺是解决水体富营养化问题的有效方法，正在广泛应用于各种污水处理工艺之中[1]。

2 MBR脱氮除磷能力分析

膜生物反应器（Membrane bioreactor，MBR）是一种新型高效的污水处理技术，将传统生物处理工艺与膜分离技术有机结合起来。与传统生物处理技术相比，MBR具有出水水质好、抗冲击能力强、操作管理简单、占地面积小、水力停留时间与污泥停留时间分离等优点，因此日益受到污水处理行业的关注。MBR主要通过膜的物理截留作用，使硝化菌富集在好氧池内，延长污泥泥龄，满足硝化菌的生长繁殖需要，减少了硝化菌的流失，从而满足了脱氮的条件。研究结果表明，在MBR中存在反硝化脱氮除磷菌，在脱氮的同时也能有效地去除磷[2]。

MBR脱氮除磷工艺主要分为单一形式的MBR工艺和组合形式的MBR工艺两大类。单一形式的MBR工艺出水水质很难达到越来越严格的氮、磷排放要求。组合形式的MBR工艺是目前应用比较普遍、发展前景良好的脱氮除磷工艺[3]。

3 MBR脱氮除磷组合工艺

将膜分离技术与传统的生物脱氮除磷工艺相结合可以强化其脱氮除磷的效果。目前，开发及应用于工程实践的生物脱氮除磷工艺有多种，如A2O工艺、倒置A2O工艺、UCT及其改良工艺、Bardenpho工艺、前置缺氧池的A2O工艺等。这些工艺都属于传统的组合工艺，且都具有脱氮除磷的功能。一方面能够满足去除污水中有机物的要求；另一方面又能脱氮除磷，在聚磷菌除磷的同时，经过硝化细菌的硝化、反硝化作用达到脱氮的目的。脱氮除磷工艺均包含着厌氧、缺氧、好氧3种状态的交替。膜分离技术可以与这些生物脱氮除磷工艺相结合，形成MBR脱氮除磷组合工艺。下面介绍几种具有代表性的MBR脱氮除磷组合工艺[4]。

3.1 A/O-MBR工艺

A/O-MBR脱氮除磷工艺和传统的A/O工艺相类似，在好氧池前面增加一个缺氧池，膜组件浸没在好氧池中。反硝化和微生物释磷过程在缺氧段中进行，有机物的氧化、氮的硝化和微生物吸磷过程在好氧段进行，膜主要是代替重力沉淀池进行固液分离（图1）。

在此工艺中，膜的分离过程对同步硝化反硝化及除磷过程起到强化作用。膜的物理截留作用可使MBR的污泥停留时间和水力停留时间分开，并且可以保持反应器中较高的污泥浓度，一般可以达到8～12g/L，这在一定程度上解决了传统脱氮除磷工艺中硝化菌和聚磷菌对污泥停留时间的竞争问题。即在MBR脱氮除磷工艺中可以在不影响聚磷效果的同时，尽量延长污泥停留时间，给硝化菌带来适宜的生长条件，使得反应器中硝化菌大量积累。并且此工艺采用好氧出水，可以很好的避免磷的二次释放，保证出水磷稳定在一个较低水平。

饶正凯[5]采用A/O-MBR脱氮除磷工艺对生活污水进行小试试验，试验结果表明，间歇回流的运行方式下，系统的全程硝化率达到了99.4%，与连续回流的运行模式相比，TP的去除率明显提高，由57.98%上升到81.5%，出水由2.13 mg/L降到了0.98 mg/L；

李菲菲等人[6]使用A/O-MBR 工艺处理水量为1500 m3的污水，试验结果显示，当进水 COD、总氮、氨氮平均浓度分别为481.3 mg/L、75.1 mg/L和65.8 mg/L时，出水 COD、总氮、氨氮平均浓度分别为 16.5 mg/L、13.4 mg/L和 0.7 mg/L，平均去除率分别为 96.4%、81.9% 和 99.0%。在进行化学除磷的情况下，出水总磷的平均浓度为 0.8 mg/L，平均去除率 86.5%。出水水质优于《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002） 中的相应水质指标要求。

孙井梅等人[7]设计了一整套A/O-MBR 脱氮除磷工艺来处理天津地区高盐的市政污水，研究了这套工艺对氨氮、总氮和总磷的去除效果。实验结果显示工艺对氨氮、总氮和总磷的去除效率分别是95%、50%～70%和60%～80%。实验对总磷的去除效率已超过传统的生物除磷。

3.2 A2/O-MBR工艺

A2/O-MBR工艺包括厌氧池、缺氧池、好氧池与膜池。厌氧、缺氧和好氧的组合有利于不同微生物菌群的生长，能同时去除有机物、氮磷等污染物，工艺流程简单（图2）。

张捍民等人[8]采用A2/O-MBR 工艺，对模拟生活废水的脱氮除磷效果进行了研究。试验结果显示：当N、P 负荷为0.14 kg/（m3d）和0.03 kg/（m3d）时，COD、N、P 去除率分别为90.5%、80.6%和67.7%；系统不必外投硝酸盐即可实现反硝化除磷，具有很强的反硝化脱氮除磷能力。

北方某城市[9]污水处理厂采用A2/O-MBR 工艺，当进水氨氮为20～60 mg/L，TP为2～8 mg/L，出水氨氮小于2 mg/L，TP小于0.5 mg/L，平均去除率分别为95%和87%。

3.3 倒置A2/O-MBR 工艺

倒置A2/O-MBR 工艺将缺氧池前置，工艺流程为缺氧-厌氧-好氧-膜生物反应器。该工艺充分利用水中碳源，首先进行反硝化作用，保证了系统的脱氮效果。同时聚磷菌经厌氧释磷后，直接进入好氧段，充分发挥了聚磷菌在厌氧状态下形成的吸磷动力，提高了系统的除磷效果（图3）。

王盈盈等人[10]采用倒置A2/O-MBR 工艺，对北方某污水处理厂的合流制城镇生活污水进行脱氮除磷试验研究。试验结果表明，该工艺具有同步脱氮除磷的作用，由于其膜的高效截留作用，较常规工艺去除效果更佳。该工艺对COD、NH3-N、SS去除效果较好，出水质量浓度可以达到低于50 mg/L、1 mg/L、10 mg/L。

3.4 A（2A）/O-MBR工艺

A（2A）/O-MBR工艺是两段缺氧A2/O工艺与MBR工艺的组合。其中 MBR 反应池是处理工艺的核心，设置有厌氧池、第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池和膜池共 5 个处理单元[11]。两段缺氧区使水中碳源得到充分利用，实现完全反硝化，大大提高了污水的生物脱氮效率，同时节省了外加碳源，节约运行费用（图4）。

蒋岚岚等人[11]对太湖流域某城市污水处理厂采用的 A（2A）O-MBR 组合工艺的运行情况进行分析，监测结果显示，出水COD、NH3-N、TN 和 TP 去除率分别为 91.9%、98.1%、64.5%和 95.8%，出水水质稳定达到城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）中的一级A排放标准，并具有较强的耐冲击负荷能力。

3.5 SBR-MBR工艺

SBR-MBR工艺是将序批式反应器（SBR）与MBR相结合形成的SBMBR。与SBR相比，由于膜组件物理截留作用，给硝化细菌及亚硝化细菌创造了良好的繁殖条件，系统污泥的生物活性高，吸附和降解有机物的能力强，同时在反应阶段利用膜分离排水，可以减少传统SBR的循环时间。与单一的MBR工艺相比，SBR式的工作方式创造了缺氧好氧的交替运行状态，为除磷菌的生长创造了条件，同时也满足了脱氮的需要，使得单一反应器内实现同时高效去除氮、磷及有机物成为可能[12]。

周律等人[13]采用序批式移动床生物膜反应器（SBMBBR）处理模拟生活污水。试验结果表明：SBMBBR 在单位质量污泥的化学需用量（COD）负荷为0.8 g/（g・d），进水TN和TP的质量浓度分别为50 mg/L和8 mg/L的条件下，对总氮（TN）、总磷（TP）的去除效率分别为91.4 %、90.0 %，均高于同等条件下的SBR 系统，显示出良好的脱氮除磷效果。

3.6 UCT-MBR工艺

UCT脱氮除磷工艺是在A2O工艺的基础上，通过改进混合液的回流方式而得到的。UCT工艺将污泥回流位置由厌氧池变为缺氧池，从而降低了好氧区回流液对厌氧环境的冲击，增强了聚磷菌的释磷效果，同时增加了由缺氧池向厌氧池的回流液回流（图5）。

李亚峰等人[14]采用UTC 工艺的复合式MBR（HMBR）系统进行污水脱氮除磷试验研究。试验结果显示，在C/N=5～8、r=200%、R=300%、SRT=28 d的条件下，系统脱氮除磷效果最佳，TN 平均去除率79.17%，膜出水平均浓度11.78 mg/L；TP 平均去除率86.68%，膜出水平均浓度0.71 mg/L。

Noah I Galil[15]等采用UCT-MBR 进行中试试验，试验结果显示，污泥龄在16～29 d变化范围内，对出水水质的影响很小。出水COD的去除率基本稳定在95%左右，硝化率达100%，TN的去除率在89%～91%之间，出水TP也基本稳定在0.4 mg/L。

H Monclús[16]等采用UCT-MBR进行中试试验，试验结果显示：在水力停留时间保持在15.06 h，底物COD∶N∶P为100∶11∶0.8 时，磷的去除率在80%以上。

3.7 MUCT-MBR工艺

MUCT工艺，即改良的UCT工艺，在UCT工艺的基础上增设一个缺氧池，从而消除了回流硝酸盐对厌氧释磷过程的影响，提高了除磷效果。

张捍民等人[17]自行设计的双反应器MUCT-MBR简化了MUCT工艺，针对MUCT-MBR工艺脱氮除磷性能，尤其是反硝化除磷功能进行研究。结果表明，当进水C∶N∶P比在28.5∶5.1∶1～28.5∶7.2∶1范围内时，整个实验过程中COD、TN和TP平均去除率分别达到90%、81.6%、75.2%；系统运行至第58 d时，系统中反硝化除磷菌（DPAOs）所占比例达84.2%，反硝化除磷占系统总磷去除的67.07%。

4 MBR组合工艺脱氮除磷的发展趋势

MBR工艺在污水需要回用和占地有限制的场合具有独到的优势。尤其是随着地下污水处理厂的发展建设，使得MBR工艺在一些特殊的情况下成为首选的工艺方案。但与传统的生物脱氮除磷工艺相比，MBR组合工艺脱氮除磷的研究还不是很成熟，缺乏工程运行经验，很多研究成果还只停留在实验室阶段。因此将来研究的重点主要体现在以下几方面。

（1）开发好氧和缺氧状态交替运行的MBR工艺，充分发挥生物脱氮除磷功能将是未来MBR工艺的发展方向。

（2） 充分利用水中难生物降解有机物，提高生物脱氮效率，开发新型的MBR组合工艺也是未来的研究重点。

随着城市的发展，城市污水中工业废水水量的比例不断增加，使得水中易降解有机物含量降低，有机碳源不足而导致脱氮除磷效率低。如果将难生物降解有机物转化为易生物降解碳源用于脱氮系统，则可大大提高污水的生物脱氮效率，同时还可节省部分运行费用。因此开发新型MBR 组合工艺，充分利用水中难生物降解有机物以提高脱氮除磷效率并降低运行费用具有重要的实用价值。

（3） 膜污染问题制约着MBR的大规模应用，能否有效控制膜通量的衰减是保证MBR长期稳定运行的关键。目前，最常用的缓解膜污染问题的方法是向膜池中投加絮凝剂以及增加膜池的曝气量，但同时这也增加了处理成本。

研究发现，胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物代谢产物（SMP）是造成不可逆膜污染的主要污染物。通过投加新型吸附材料，吸附EPS和SMP，延缓膜污染将是未来的研究方向。同时，改变膜表面特性，开发新型耐污染膜材料也是目前作为延缓膜污染的主流方式[18]。

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Abstract： Although membrane bioreactor is a new and efficient wastewater treatment process， it can not remove nitrogen and phosphorus effectively to meet the requirements of discharge standard. Thus， process in nitrogen and phosphorus removal using MBR combined process has become a hot research topic. This paper introduces the principle， characteristics and effects of kinds of nitrogen and phosphorus removal using MBR combined process， analyzes the problems and development tendency of process in nitrogen and phosphorus removal using MBR combined process.

Key words：MRB； membrane bioreactor； combined process； nitrogen and phosphorus removal