基于MBR工艺农村污水处理工程的优化研究

沈 东

（湛江市生态环境局廉江分局，广东 湛江 524400）

工业生产、居民生活等产生的污水废水乱排滥放问题直接影响着我国生态建设，已经成为人们关注的焦点。《关于改善农村人居住环境的指导意见》（2014）、《全国农村环境综合整治“十三五”规划》（2017）、《农业农村污染治理攻坚战略行动计划》（2018）等政策相继出台后，我国进一步加大了对农村污水处理的重视力度，运用MER、A/O等新工艺全面改善出水水质，为我国新农村绿色环保发展打下了坚实基础[1]。

1 农村污水处理的基本特征

（1）污水排放量大，难以收集。网络数据显示，截止到2020年底我国农村污水年排放量约70亿吨，超过全国污水排放总量的1/2。仅从污水处理能力而言，现阶段我国农村污水净化率仅能达到30%左右，出水质量参差不一，根本无法满足各项污水处理指标。尤其是在偏远地区，居民分布较为分散，无法定点进行集中污水采集，导致大量污水乱排滥放，严重污染了农村生态环境。因此，在农村污水处理过程中必须根据实际排放量形成占地面积小，易于就地处理的污水处理装置，以实现经济性处理目标。

（2）处理工艺落后，效益低下。我国农村污水主要包括生活废水和工业废水两部分，污水中的COD、BOD指标往往高于其他区域。在污水处理时仅仅通过活性泥污处理、生物膜过滤、氨氧厌氧化处理等效益并不显著，无法达到《关于加快制定地方农村生活污水处理排放标准的通知》（2018）中的出水水质指标，亟待进行农村污水处理工艺的革新和优化[2]。

2 基于MBR工艺的农村污水处理工程

2.1 MBR工艺原理

膜生物反应器（Membrane Bio-reactor）将生物处理技术、固液分离技术等结合在一起，通过膜组件促进反应，从而达到生物降解和颗粒处理效果。一般MBR工艺主要包括分置式（图1-左）、一体式（图1-右）等，其中膜组件可有效截留活性泥污微生物，减少污水中的悬浮物、TN、TP，优化COD、BOD指标等，处理后的出水水质明显提升。

图1 MBR结构（左为分置式，右为一体式）

分置式装置中污水进入到反应器后，利用加压泵加速过滤，分离后的固体有机物直接回流到反应器中进行生物降解。而一体式则先进行降解反应沉淀后，再利用泵抽取上层滤液，完成污水处理工艺。

2.2 MBR工艺设计

（1）材料选择。目前常见的MBR工艺中主要为高分子有机膜和无机膜两种，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙稀（PP）等；膜组件主要包括中空纤维式、毛细管式、螺旋卷式等，根据填充密度的不同滤水效果及占地面积存在一定的差异，可根据农村污水处理工艺要求及经济性指标进行合理选用[3]。

（2）工艺路线。按照MBR工艺指标，一般应设置预处理、生化处理、膜过滤、泥污处理四个环节，见图2。

图2 MBR工艺流程

①预处理：利用农村污水处理管道将污水汇集到处理站或处理点，在原水泵加压作用后借助圆形或孔型格栅（≤1 mm）分筛过滤，实现初步泥污分离；②生化处理：现阶段MBR工艺可根据水质情况合理选择微生物，利用厌氧微生物实现氨氧化反应、厌氧化反应减少氨氮、TP、TN等，还可以利用好氧微生物或兼氧微生物作用，将污水中的杂质、有机物等分解；③膜过滤：该环节利用压差达到污泥回流效果。一般可以通过前端加压或后端抽取两种方式实现，将滤液输送到消毒池，泥污回流至储存池；④泥污处理：将格栅过滤、厌氧反应器、好氧反应器、MBR反应器等环节中的泥污集中到存储池中后集中处理。

2.3 MBR工艺关键系统

（1）曝气系统：利用自动化装置完成门开关控制，使微生物反应过程中氧气供给的充足。尤其是在兼氧MBR系统设计过程中可选用10/30曝气，将偶数列膜组件并列运行，通过10 s开30 s关模式快速完成氧气供给，并扼制微生物剪切力，以达到兼氧微生物的有效控制，提升生物反应净水效果[4]。

（2）反应系统：以氨氮处理环节为例，设计的过程中先将格栅处理后的污水通入厌氧反应器，并同时注入缺氧池末端回流混合液，控制回流比在60%、氧含量在0.2 mg/L、反应温度30 ℃左右，释放TP并初步厌氧化；处理完后将污水注入缺氧反应池，利用反硝化微生物及厌氧环境完成氨化处理，将氨氮化合物硝化分解为氨气和有机氮化合物；最终，反应后的污水注入到好氧反应池中，此时调整氧含量到3 mg/L左右，控制气水比达到9:1，利用好氧微生物有效去除COD、BOD，利用聚磷菌吸收多余TP[5]。

（3）配套系统：一般MBR工艺设计中必须做好加药配套装置及反冲洗配套装置设置。前者主要通过固定添加化学试剂保证MBR膜两侧压差，为后续反冲洗供药等；后者则在不破坏膜组件性能的基础上通过酸、碱、氧化剂等完成化学清洗，使膜组件中的有机物、颗粒物等冲洗、分解，避免MBR膜组件堵塞造成的出水水质不达标问题，见表1。

表1 MBR加药装置及反冲洗装置药剂情况

（4）出水系统：可根据农村污水处理情况选择连续运行或间歇运行方式，利用加压泵进行前端加压或离心泵后端抽取。该环节需控制压强低于8个标准大气压，避免过压对系统稳定性的影响。

3 MBR工艺在农村污水处理中的应用

3.1 工程概况

本次研究过程中主要以广东省廉江市某村污水处理项目为例，分析以小单元村庄为例的MBR污水处理工程。该村庄范围内无任何工业企业，只包括居民住户840户，日常主要为居民生活废水和牲畜污水。

按照平均每户4人，每人排污水0.05 m3计算，该农村每日污水排放量约为160 m3。考虑到新农村建设规划情况及用水裕度，本工程中应保证基于MBR工艺的污水处理系统处理能力在200 m3/d，具体指标见表2。

表2 广东省廉江市某村污水排放标准

3.2 MBR工艺应用

为达到该村污水处理指标要求，本次MBR工艺主要选择兼氧处理技术，利用MBR膜及兼氧微生物完成COD、BOD、TN、TP、NH4+等技术处理。

工程选用一体化MBR-100设备，占地面积较小，总装机容量为4.4 kW，便于进行现场安装及污水处理，实用性较强（见图3）。污水处理站总占地面积仅为25 m3，周围设置湿地公园，处理完的泥污可直接用于林木养料[6]。

图3 MBR一体化装备结构

本工程中MBR处理流程为生活污水→预处理池→膜技术污水处理器→表流人工湿地→回用或达标排放。生活污水进入到预处理池中进行初步过滤，去除水质中的泥污、杂质等大颗粒物质，然后在水压作用下进入兼氧MBR反应池，曝气处理后，等待厌氧微生物、好氧微生物等硝化反应和总磷吸收反应完成，同时膜组件中的MBR膜对反应后的有机物进行二次过滤，去除原污水中的微生物。处理完成后，由离心泵抽取上层滤液到清水池，用于检测出水水样水质，确保其达到达到二次利用的标准，而下层泥污会经分离后被及时清理。

3.3 处理效果评估

与传统处理工艺相比，本项目可以借助一体化装置减少污水处理占地面积，并且配合公园设置，有效提升了农村污水处理的美观效果，可以实现全自动控制、经济性运行。与此同时，上述一体化装置中的MBR膜组件可反冲洗使用，经济效益非常显著。

在污水处理能力方面，兼容MBR一体化装置可达到日污水处理量200 m3的基本要求，且出水水质检测数据均符合排放指标。数据对比结果中，本工程污水处理悬浮物、氨氮、TP、SS等处理有效率分别达到97.1%、99.5%、39.1%、97.5%，明显高于原来污水处理工艺，见表3。

表3 某村污水处理工艺效果对比

4 结论

农村污水处理过程中必须从MBR新型工艺出发，做好污水处理体系的优化和调整，利用MBR一体化装置增强农村污水处理的稳定性、经济性和有效性。尤其是在反应器设置过程中，应根据实际情况合理选择厌氧氨化反应、兼氧反应等，全面降低出水中COD、BOD、TN、TP、SS等含量，保证新农村污水处理质量迈上一个新台阶。