城市污水处理厂进水水质分析及MBR 膜生物处理工艺研究

陈 琰

（青岛职业技术学院，山东 青岛 266555）

随着近年来我国城镇化进程的不断加快，城市污水的排放量也呈现出逐渐增加的趋势，我国的水资源供应相对比较匮乏，多地都存在比较严重的用水困难问题，城市污水的大量产生及排放不仅会造成严重的生态环境污染，还会造成大量水资源的浪费[1-3]。因此，为了提高我国水资源的利用效率，有必要对城市污水进行深度高效的处理，以提高水资源的循环再利用能力。

目前，针对城市污水的处理方法主要包括物理法、化学法以及生物法等[4-6]，但由于城市污水通常具有成分复杂、污染物含量高以及处理困难等特点，采用单一的处理方法往往无法达到较好的处理效果，需要几种处理方法联合使用才能达到较为理想的处理效果[7，8]。其中MBR 膜生物处理工艺是将膜分离技术与生物处理技术相结合的一种新型污水处理技术[9-12]，在生物反应器中置入膜组件，使其具有更加高效的固液分离效率，MBR 膜生物反应器中的膜组件对微生物的截留作用较好，能够使系统保持较高的污泥浓度和较长的停留时间，耐冲击负荷性能较强。另外，MBR 膜生物处理技术通常还具有出水水质好、悬浮物含量低、COD、NH3-N 和浊度较低的特点，并且设备的占地面积较小、回收率高以及使用寿命较长，能够适应城市污水和工业污水的处理需求，具有比较广阔的应用前景[13-15]。本文以某城市污水处理厂的进水水样为研究对象，在分析了不同时间节点的进水水质指标的基础之上，开展了MBR膜生物处理工艺研究，并对其处理效果进行了分析，以期为城市污水的高效处理提供一定的技术支持和借鉴。

1 实验部分

1.1 实验装置

本文采用MBR 膜生物处理中试装置对目标污水处理厂的进水进行处理，其中MBR 膜生物处理工艺中试装置的简易流程图见图1。中试装置的材质均为碳钢，装置设计的日处理量为150m3·d-1。其中MBR 池中的膜组件选择为中空纤维膜，材质主要为聚偏氟乙烯、高分子聚合物聚砜和聚醚砜，膜的总面积为70m2，孔径为0.04μm。

图1 MBR 膜生物处理工艺中试装置流程图Fig.1 Flow chart of MBR membrane biological treatment process pilot plant

具体处理流程 首先，将目标城市污水处理厂的污水注入调节池，然后依次经过缺氧池、好氧池、MBR 池，总HRT 为5d，混合液经过MBR 池的处理后继续回流至缺氧池，最后经过自吸泵出水。对处理不同时间后的出水水质进行测定，主要包括COD、NH3-N、TN、TP 和SS。

1.2 主要材料及仪器

实验用污水取自目标城市污水处理厂；K2Cr2O7、浓H2SO4、浓HCl、NaOH、NH3·H2O、Ag2SO4、FeSO4、（NH4）2Fe（SO4）2、邻 苯 二 甲 酸 氢 钾、K2S2O8、KNO3、Na4P2O7，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；纳氏试剂（AR 天津市光复科技发展有限公司）；NH4MoO（AR 西安天茂化工有限公司）。

HT-1004B 型电子分析天平（青岛海特尔环保科技有限公司）；101 型数显电热恒温鼓风干燥箱（沧州鑫鑫试验仪器有限公司）；MR-16 型微孔滤膜过滤器（青岛瑞明仪器设备有限公司）；UV759CRT型紫外可见分光光度计（上海荆和分析仪器有限公司）；5B-3N 型氨氮快速测定仪（北京连华永兴科技有限公司）；HK-8620 型连续流动分析仪（北京华科仪科技股份有限公司）。

1.3 水质分析方法

按照环境保护行业标准HJ 495-2009《水质采样方案设计技术规定》的相关要求，在不同时间节点对目标城市污水处理厂的进水口进行取样，然后分别测定不同水样的COD、NH3-N、TN、TP 和SS 浓度值。其中COD 浓度的测定方法参照环境保护行业标准HJ 828-2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》进行；NH3-N 浓度的测定参照环境保护行业标准HJ 535-2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》进行；TN 浓度的测定参照环境保护行业标准HJ 636-2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》进行；TP 浓度的测定参照环境保护行业标准HJ 670-2013《水质磷酸盐和总磷的测定 连续流动-钼酸铵分光光度法》进行；SS 浓度的测定参照国家标准GB/T 11901-1989《水质 悬浮物的测定重量法》进行。

2 结果与讨论

2.1 目标污水处理厂进水水质分析

按照1.3 中的实验方法对目标污水处理厂2020年不同月份的平均水质指标进行了分析总结，结果见表1。

表1 目标污水处理厂进水水质分析结果Tab.1 Analysis results of inflow water quality of the target sewage treatment plant

由表1 可见，目标城市污水处理厂进口水样中各项污染物的浓度存在一定的波动现象，但整体来看，变化的幅度并不大，其中COD 浓度范围在187.4~218.5mg·L-1之间，平均为202.8mg·L-1；NH3-N浓度范围在35.5~41.5mg·L-1之间，平均为38.3mg·L-1；TN 浓度范围在49.1~52.9mg·L-1之间，平均为50.8mg·L-1；TP 浓度范围在5.1~7.9mg·L-1之间，平均为6.1mg·L-1；SS 浓度范围在248.3~279.8mg·L-1之间，平均为261.6mg·L-1。综合来看，目标城市污水处理厂的进水水质中的污染物浓度含量较高，但波动变化的范围较小，适合采用MBR 膜生物处理工艺对其进行处理。

2.2 MBR 膜生物处理效果分析

2.2.1 COD 去除效果 图2 为目标污水经过MBR膜生物处理后的COD 去除效果，其中不同时间的进水水质指标见表1（下同）。

图2 COD 去除效果Fig.2 COD removal effect

由图2 可见，污水经过处理后出水中的COD 值均低于12mg·L-1，COD 去除率在95%左右。12 个月出水中的平均COD 浓度为9.82mg·L-1，远远小于国家标准GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物综合排放标准》中要求的一级A 标准（COD≤50mg·L-1），COD 去除率平均可以达到95.15%。

2.2.2 NH3-N 去除效果 图3 为目标污水经过MBR 膜生物处理后的NH3-N 去除效果。

图3 NH3-N 去除效果Fig.3 Ammonia nitrogen removal effect

由图3 可见，污水经过处理后出水中的NH3-N浓度值均较低，NH3-N 去除率在95%以上。12 个月出水中的平均NH3-N 浓度为0.94mg·L-1，同样远远低于国家标准GB 18918-2002 中要求的一级A 标准（氨氮≤5mg·L-1），NH3-N 去除率平均可以达到97.53%。

2.2.3 TN 去除效果 图4 为目标污水经过MBR 膜生物处理后的TN 去除效果。

图4 TN 去除效果Fig.4 Total nitrogen removal effect

由图4 可见，污水经过处理后出水中的TN 浓度值均较低，TN 去除率在80%以上。12 个月出水中的平均TN 浓度为8.41mg·L-1，同样低于国家标准GB 18918-2002 中要求的一级A 标准（TN≤15mg·L-1），TN 去除率平均可以达到83.45%。

2.2.4 TP 去除效果 图5 为目标污水经过MBR 膜生物处理后的TP 去除效果。

图5 TP 去除效果Fig.5 Total phosphorus removal effect

由图5 可见，污水经处理后出水中的TP 浓度值均较低，TP 去除率均在90%以上。12 个月出水中平均TP 浓度为0.35mg·L-1，同样低于国家标准GB 18918-2002 中要求的一级A 标准（TP≤0.5mg·L-1），TP 去除率平均可以达到94.19%。

2.2.5 SS 去除效果 图6 为目标污水经过MBR 膜生物处理后的SS 去除效果。

图6 SS 去除效果Fig.6 Suspended solids removal effect

由图6 可见，污水经过处理后出水中的SS 浓度值均较低，SS 去除率均在99%以上。12 个月出水中的平均SS 浓度为1.93mg·L-1，同样远远低于国家标准GB 18918-2002 中要求的一级A 标准（TP≤10mg·L-1），SS 去除率平均可以达到99.26%。

综上，目标城市污水处理厂的污水经MBR 膜生物处理工艺处理后，各项污染物指标（COD、NH3-N、TN、TP 和SS）均能达到国家标准GB 18918-2002 中的一级A 标准要求，MBR 膜生物处理工艺能够对目标污水起到较好的处理效果。能够使出水中COD、NH3-N、TN、TP、SS 浓度长期保持较低水平，从而达到相关排放标准要求。但后续仍需对该工艺进行继续优化研究，以满足不断变化的污水水质指标。

3 结论及建议

（1）目标城市污水处理厂进口水样水质分析结果表明，COD、NH3-N、TN、TP 和SS 平均浓度分别为202.8mg·L-1、38.3mg·L-1、50.8mg·L-1、6.1mg·L-1、261.6mg·L-1。进水水质中污染物的浓度较高，但随时间的波动变化范围比较小。

（2）对目标污水采用MBR 膜生物处理工艺进行处理，结果表明，处理后的污水中COD、NH3-N、TN、TP 和SS 浓度平均值分别为9.82mg·L-1、0.94mg·L-1、8.41mg·L-1、0.35mg·L-1、1.93mg·L-1，各项污染物指标均明显低于国家标准GB 18918-2002 中的一级A标准要求。

（3）MBR 膜生物处理工艺对目标城市污水的处理效果较好，能够有效去除污水中的各种污染物，使出水水质达到相关排放标准。但针对某些城市污水处理厂进水水质变化范围较大的情况，仍需要对相关处理工艺进行优化，以达到更好的处理效果。