MBR工艺强化脱氮除磷处理滇池农业面源污水的调控方法及实际应用

吴 思，马志龙，杨占强，丁文川，郑良秋，王涛涛，曾晓岚

(重庆大学 a.三峡库区生态环境教育部重点实验室；b.低碳绿色建筑国际联合研究中心，重庆 400045)

有关研究表明，面源污染是影响河流、水库及湖泊等水体持续污染的重要因素[1-4]，其中又以农村农业面源污染贡献率最大[5, 6]。《滇池流域水环境保护治理“十四五”规划》中对滇池入湖污染物组分和比例的分析表明，2019年进入滇池的CODCr、TN和TP负荷中农村农业面源污染排放的百分比依次为5.6%、16.0%和34.2%[7]，因而控制农村农业面源污染是滇池富营养化治理的重点。控制流域面源污染常采用污染源控制、过程阻断及末端处理等方法[7]，基于后两者建成的环湖截污治污体系已运用于滇池面源污染防控。该体系利用农灌沟渠收集农业面源污水(包括旱季耕地径流、雨季初期雨水及农村生活污水)，通过末端的高效截留井将高质量浓度部分截留进入环湖截污干渠，再经截污干渠输送至末端混合水质净化厂处理，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级标准的A标准(简称ⅠA标准，且TP执行昆明市地方排放标准≤0.3 mg/L)后排放。目前共有3座混合水质净化厂采用MBR工艺，由于MBR工艺一般用于处理污染物质量浓度较高的污水，如城市生活污水及工业废水等[9, 10]，而环湖截污体系截留的农业面源污水质量浓度较低，如位于滇池东岸的洛龙河混合水质净化厂(设计规模5万m3/d)具有常年进水水质质量浓度、碳氮比以及碳磷比均较低的特点，TP成为了该厂出水达标的难点；另一方面，旱季进水TN质量浓度会超过30 mg/L，两者都会导致现有的MBR工艺不能良好稳定运行，净化厂出水无法达到ⅠA标准，影响了环湖截污治污体系综合效能的充分发挥。为此，本研究依托洛龙河混合水质净化厂，分别针对进水TN质量浓度相对较高且常规运行出水氮磷均不能达标，以及进水TN质量浓度较低且出水总磷不能达标的2种情况，探讨了MBR工艺脱氮除磷技术的强化方案，并结合现场中试实验对MBR工艺参数进一步优化调控，以实现该厂稳定达标运行。

1 洛龙河净化厂及中试系统MBR工艺调控

1.1 MBR工艺流程

洛龙河混合水质净化厂将4组MBR池作为其主体，每组设计规模为12 500 m3/d，目前运行2组，包含缺氧池、厌氧池、好氧池及膜池等单元，其处理流程为：需处理的污水首先流入缺氧池中，与来自好氧池回流的硝化液充分混合，发生反硝化脱氮作用；随后流至厌氧池，释放磷；再进入好氧池，进行硝化作用与好氧吸磷；最终利用膜池处理污水以达到泥水分离的效果。MBR处理工艺内置2个回流：1)好氧池内的硝化液回流至缺氧池；2)通过膜池分离后的污泥回流至好氧池前端。中试装置主要参照洛龙河混合水质净化厂工艺进行设计，并在该厂内完成搭建。装置总尺寸为7.4 m×3.2 m×2.5 m(L×W×H)，有效容积为38.07 m3，设计日处理水量为100 m3。图1为中试系统处理工艺的流程，其膜组件是利用PVDF材料制造的中空纤维膜(杭州凯滤膜有限公司)，总计20片。

图1 MBR中试系统工艺流程图

1.2 MBR工艺进水水质

中试试验期间进水(取自洛龙河混合水质净化厂细格栅出水)平均水质与该厂MBR工艺年均进水水质如表1所示，两者相差不大，故中试研究成果可用于指导净化厂实际的生产运营。

表1 洛龙河混合水质净化厂及中试系统进水水质

1.3 MBR工艺运行参数

在中试规模下，对影响MBR工艺处理效果的各种运行参数进行研究，得到MBR工艺系统基本运行参数，并将该参数用于进一步指导生产规模的洛龙河混合水质净化厂实际运行和优化。最终在研究期间中试系统和洛龙河水质净化厂采用的运行参数如表2所示。

表2 洛龙河混合水质净化厂及中试系统MBR工艺运行参数

1.4 强化脱氮除磷试验研究

中试系统于2015年10月开始，主要针对以下两种进水水质进行试验：1)在进水TN质量浓度相对较高，现有MBR工艺出水氮磷均不能达标的情况下，于MBR工艺进水处投加外碳源，研究外碳源的投加量对去除污水内TN、NH3-N、COD与TP等污染物效果的影响；2)在进水TN质量浓度较低，现有MBR工艺出水仅TP不能稳定达标的情况下，于MBR处理工艺膜池处投加聚合氯化铝(PAC)，研究PAC投加量对系统除磷效果的影响。自2016年4月开始，根据中试参数选用适当的方案对净化厂进行强化脱氮除磷调控，通过出水水质的反馈对运行参数进行优化，直至出水稳定达标。

2 结果与讨论

2.1 中试MBR系统外加碳源强化处理

外加碳源是显著提高低C/N污水TN、TP去除率的常用调控方法[11-13]，其主要包括传统碳源(如乙酸钠等可溶性低分子有机物、糖类)及新型碳源(如天然纤维素、有机工业废水等)等[14]。乙酸钠因具有运输成本低、环保、适应性强、2倍于葡萄糖或白砂糖的高反应速率[15]以及除磷效果较葡萄糖、乙醇、淀粉等更佳[16, 17]的优点，常常作为污水处理厂的外加碳源。通过隔膜泵向进水管中投加乙酸钠，投加量分别为0，30，60 mg/L，考察了外加碳源投加量对MBR工艺去除TN、NH3-N、CODcr和TP效果的影响。从图2(a)可看出，随乙酸钠投加量的增加，中试处理系统对TN的去除率逐渐升高。在未加乙酸钠的情况下，系统中的C/N比约是3.2，出水中TN大概为15 mg/L，TN的平均去除率为28.04%；在乙酸钠的投加量为60 mg/L的情况下，TN平均去除率达到了62.89%，提高了约33%，出水中TN大约为7 mg/L。TN去除率与乙酸钠投加量的相关性较好，据此以乙酸钠投加量为60 mg/L时TN的出水质量浓度计算，当进水TN质量浓度低于40.42 mg/L时可实现出水TN质量浓度达到ⅠA标准。不过在中试试验期间，进水TN质量浓度总体在15.5～20.5 mg/L内波动，处于较低水平，不投加外碳源时出水TN质量浓度已达到ⅠA标准。

图2 碳源投加对污染物去除效果影响

从图2(b)可以看出，无论是否投加乙酸钠，中试处理系统去除NH3-N的效率均在96%以上，其出水的质量浓度远低于ⅠA标准，基本不受外加碳源的影响。由于MBR系统好氧池中污泥质量浓度高于常规工艺，存在大量的硝化菌，对NH3-N具有较高去除能力，而且系统前端缺氧池和厌氧池中的反硝化细菌及除磷菌会迅速消耗额外增加的碳源，导致好氧池中有机物增加量不大，因此好氧池中硝化菌仍然能够获得充分的溶解氧以保持较高活性，对NH3-N氧化效果好[18]。检测系统出水的CODcr(图2(c))确实也发现，乙酸钠投加量的增加对系统出水CODcr质量浓度没有显著影响，基本维持在14 mg/L左右，远低于ⅠA标准。在中试期间，实际进水中TP质量浓度波动较大，从图2(d)可以看出，不同乙酸钠投加量下出水TP质量浓度变化趋势与进水质量浓度相似，虽然乙酸钠投加量增加后可以提高TP去除率，但即使投加量达到60 mg/L，出水TP质量浓度平均值为0.63 mg/L，仍不能达标排放。有研究表明，单独的生物脱氮除磷工艺在进水BOD5质量浓度150 mg/L以下时，出水TP质量浓度常常无法达到ⅠA标准要求[19]，而本试验期间进水BOD5平均质量浓度约为17.7 mg/L。并且，本研究的MBR系统采用缺氧池前置工艺，在缺氧池内存在的反硝化菌首先消耗了大量碳源，进入厌氧池的碳源减少，厌氧段聚磷菌的释磷效果降低。因此要达到昆明市地方排放标准ρTP≤0.3 mg/L的要求，采用增加碳源投加量的方法提高生物除磷效果，从技术上可行，但不具备经济性。

2.2 中试MBR系统外加除磷剂强化处理

针对上述进水碳源不足导致出水TP不能稳定达标的情况，采用在膜池单独投加PAC辅助化学除磷，投加量分别为0，10，20 mg/L，考察PAC投加量对MBR工艺去除TP效果的影响。由图3可知，随着PAC投加量的上升，中试系统对TP的去除作用增强。在PAC投加量是20 mg/L的情况下，系统实际进出水的TP质量浓度均值分别是1.17 mg/L和0.36 mg/L，此时其对TP的去除率达69.62%。利用PAC化学除磷是絮体沉淀吸附、配位沉淀、络合物吸附、网捕和吸附架桥等综合作用的结果，理论上随着PAC投加量增大，沉淀生成量也会随之增大，MBR系统对TP的去除效果也越好。分析数据发现，在0～20 mg/L的PAC投加量下，TP去除率随投加量呈线性上升关系，因此在实际运行中可以根据进水TP质量浓度调控PAC投加量。

图3 外加PAC对TP去除的影响

2.3 混合水质净化厂实际运行调控效果及优化

根据上述中试研究结果，提出了洛龙河混合水质净化厂MBR工艺强化脱氮除磷的2种方案。方案1：当进水TN质量浓度较高，出水氮磷均不能达标时，采用外加乙酸钠以及PAC的双调控方法，以外加乙酸钠和PAC投加量分别为60 mg/L和20 mg/L为基准对净化厂实际运行进行调试；方案2：当进水TN质量浓度较低，出水总磷不能达标时，则采用投加PAC的单调控方法。由于调控运行期间实际进水TN质量浓度低(14.8～31.6 mg/L)，不进行强化脱氮除磷时出水除TP外其他指标均可达标，故采用方案2进行除磷调控。根据该厂实际处理水量为2.0～2.5万m3/d，按中试确定的20 mg/L计算出膜池中PAC投加量为 0.5 t/d，并结合净化厂实际运行工况及出水TP质量浓度小于0.3 mg/L的提标要求，逐渐提高PAC投加量，最终确定投加量应在1.0～1.5 t/d的范围内，投药成本约为0.3～0.45元/m3。在2016年4月18日至2016年5月12日运行中，TP平均去除率提高到84.84%，出水基本达标，但仍存在TP质量浓度波动较大(0.26～0.71 mg/L)，其中2 d出水不能达标的问题。

经对整个调控流程的考察，分析导致上述问题的原因可能是：1)投加PAC的螺杆泵(额定流量：0.06～0.3 m3/h)橡胶衬套性能因PAC呈酸性易腐蚀而受到影响；2)通过计算，PAC的投加流量约为0.028 m3/h，低于螺杆泵的额定流量，效率降低。为提高PAC投加量，稳定出水TP质量浓度，提出将该螺杆泵换为流量调节范围较广、耐腐蚀性强的隔膜泵。PAC投加泵更换后，自当月23日起出水TP质量浓度可稳定达标。由图4可知，在2016年5月～12月期间，净化厂的TP出水质量浓度均值是0.28 mg/L，去除率的平均值达83%，这一结果表明即使进水TP质量浓度具有较大波动，采用强化措施后的MBR工艺仍然能够使出水的TP质量浓度稳定地满足昆明市地方排放标准要求。其后在2017年1～7月间的第三方监测机构检测结果显示，采用调控优化后参数运行，洛龙河混合水质净化厂整体出水水质稳定达到ⅠA标准，如表3所示。

图4 2016年混合水质净化厂进出水TP月平均质量浓度

表3 第三方监测进出水水质

根据混合水质净化厂实际运行调控后的第三方监测水质数据，由式(1)可以计算相应TP污染负荷削减增量。

ΔM=(C0-C1)×Q×T×10-6，

(1)

式中：ΔM为TP削减增量，t；C0表示进水平均TP质量浓度(第三方监测的数据是2.04 mg/L)；C1表示出水平均TP质量浓度(第三方监测数据为0.25 mg/L)；Q为混合水质净化厂日处理量(取实际运行数据2.5万m3/d)；T为混合水质净化厂的年运行时间，取365 d，则该厂目前每年排入滇池TP削减量约增加16.3 t。推广到滇池东岸相同处理工艺、相同处理水量的另一座待运行混合水质净化厂，则以两厂达到总设计处理水量为10万m3/d计，预计每年削减排入滇池TP的量约为65.3 t。

3 结 论

1)在实际生产中，当出水TP要求在0.3 mg/L以下时，采用投加外碳源强化生物除磷仍不能保证其稳定达标，而采用辅助化学除磷是可行方法，且注意选择合适的加药泵，如采用流量调节范围较广、耐腐蚀性强的隔膜泵。

2)针对农业面源污水常年进水水质质量浓度、碳氮比以及碳磷比均较低，TN和TP质量浓度波动大的特点，可灵活采用外加碳源(乙酸钠)和辅助化学除磷(PAC)的双调控方法或辅助化学除磷的单调控方法，在出水氮磷稳定达标得到保障的前提下，使运行成本降低。

3)在生产中采用MBR工艺强化脱氮除磷的中试研究参数为基准，能有效地指导净化厂的实际运行调控，使整个优化过程时间缩短，并实现出水稳定达标。