高术波

(北京禹冰水利勘测规划设计有限公司，北京 100161)

1 研究背景

目前，我国偏远山区或人口相对较为分散的农村地区，管网铺设难度大，生活污水无法集中收集，使当地水资源和水环境受到污染，给农村人民健康带来极大威胁[1]。分散式污水处理工艺仍然处于起步阶段，多种工艺存在一定的局限性。近年来，随着经济、社会和人口的快速发展，农村地区水环境受到严峻挑战，农村生活污水处理情况不容乐观，现针对国内农村污水情况，采用A2O及MBR工艺进行分析，对农村污水污染物实现高效去除，出水水质稳定达标具有重要意义。

A2O工艺是将厌氧及好氧除磷和缺氧及好氧脱氮系统相结合而成，是生物脱氮除磷的基础工艺，可同时去除水中的BOD、氮和磷等污染物；MBR工艺是将生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新技术，它既可利用膜原件进行高效的固液分离，又可在生物池内维持高浓度的微生物量，极其有效地去除氨氮和浊度。

A2O+MBR工艺针对我国农村污水特点，以去除有机物和脱氮除磷为目的[2]，在A2O传统脱氮除磷原理上，将A2O和MBR工艺相融合，并在此基础上增加紫外消毒处理单元。作为一种结合活性污泥法与膜过滤技术的污水处理工艺，其高效灵活、占地少、处理效果好的优势弥补了诸多分散式污水处理工艺的不足。但MBR膜污染与高能耗问题成为限制市场普及的主要原因。现对A2O+MBR工艺从工艺流程、运营工况、建设投资及运营成本等方面进行分析，意在阐述此工艺能够满足我国农村污水治理出水高标准的要求。

2 进、出水水质分析

由于缺乏村庄生活污水监测资料，通过对现场水样的检测和分析，结合市政水厂水质分析数据，确定生活污水进水水质排放限值为：CODcr≤450mg/L，BOD5≤210mg/L，NH3-N≤40mg/L，TN≤50mg/L，TP≤6mg/L，SS≤240mg/L[3]。

新建村镇污水处理站，出水排入Ⅲ类水体，其各项水质指标应满足地表准Ⅳ标准的要求。污水站出水水质排放限值为：CODcr≤30mg/L，BOD5≤6mg/L，NH3-N≤1.5mg/L，TN≤15mg/L，TP≤0.3mg/L，SS≤15mg/L[4]。

3 运行及维护

3.1 生化系统运行

生化系统采取A2O工艺，分两组，每组可单独停产进行检修。

厌氧反应器：原污水及缺氧池末端回流混合液同步进入该反应器，回流比宜为50%～100%，其主要功能为释放磷，同时对有机物进行氨化，由于厌氧池内没有分子态氧及化合态氧存在有机物降解的电子受体是有机物[5]，溶解氧应控制在0.2mg/L以下。厌氧反应需要较高且稳定的温度，宜控制在25～35℃之间，且pH值严格控制在6.8～7.2。

缺氧反应器：污水经厌氧后进入该反应器，其首要功能为脱氮，硝态氮是通过内循环由好氧反应器送来，循环的混合液较大，一般为200%～400%[6]，缺氧池中电子受体为NO3-和NO2-，缺氧池内允许化合态氧的存在，溶解氧应控制在0.2～0.5mg/L之间。在缺氧条件下，硝态氮在反硝化菌的代谢作用下，通过两种途径进行转化，即同化反硝化(合成)形成有机氮化合物，成为菌体的一部分和异化反硝化(分解)，最终产物为氮气。

好氧池反应器：即曝气池，混合液由缺氧池进入，该段溶解氧应控制在2～4mg/L之间，气水比宜控制在8～10∶1之间，其功能为多重的，去除BOD、硝化和吸收磷都在该反应器内进行，混合液中含有NO3-N，污泥中含有过剩的磷，而污水中的BOD和COD得到去除，在好氧区有机物得到进一步的降解，硝化菌将污水中存在的氨氮转化为亚硝态氮，同时聚磷菌在利用厌氧条件下产生的动力进行过度吸磷。

该工艺单元的去除效率：BOD和SS能去除90%～95%，总氮去除70%以上，氨氮和总磷去除率为95%。

3.2 膜池运行

(1)膜池与好氧池连通，并设置回流装置，回流比为300%～600%[7]。膜组件设计为中空纤维式，适于不同方式，不同频率的自动清洗，并且能更好地适应水质波动。在正常运行条件下，膜过滤系统不断重复过滤过程，包括产水(过滤)、然后停歇或反洗。当系统在停歇方式下运行时，各产水泵每过8～10min停运一段时间(1～2min)，只进行空气擦洗而不进行过滤。

(2)膜池MLSS能达到10000～15000mg/L左右，较传统工艺高出一倍以上，对COD、氨氮、总磷、总氮去除效果更佳明显，对SS的去除也相当明显，出水浊度小于1NTU，能稳定优于排放标准，MBR出水水质波动较小，可对污染物的去除率保持较高的水平，其出水作为再生水回用。

(3)MBR工艺主要设备为产水泵、曝气风机、回流泵、清洗水泵等，其吨水运营能耗在0.6kW·h左右，随着运行时间增加，产水量会衰减，运营能耗会相应增加，可通过调整曝气和产水方式降低其运营能耗。

3.3 膜系统维护与清洗

膜系统进水端需设置膜格栅，格栅间隙为1mm，防止较大颗粒物、纤维类物质等对膜丝表面的划伤及缠绕，目前较为理想的膜格栅为网板式细格栅。

膜系统跨膜压差控制范围一般为-30kPa范围内，跨膜压差如果大于30kPa，产水量明显下降，则需要进行化学清洗[8]。

MBR膜材质为PVDF中空纤维膜，膜有两种化学清洗的方式：维护性清洗和恢复性清洗。

3.3.1维护性清洗

维护性清洗的过程是全自动的(也可手动操作)，此类清洗持续时间较短，采用较低的化学药品浓度、清洗频率较高。其目的在于保持膜的透水性和延长恢复性清洗周期。

标准频率：每3～7d一次或者当抽吸压力≥30kPa时。

3.3.2恢复性清洗

恢复性清洗用于在膜污堵后恢复膜的透水性。标准清洗频率为6～12m一次或在线清洗完后抽吸压力依然无法下降到初始值(30kPa)时需进行离线浸泡清洗，先采用浓度为800×10-6的NaClO+浓度为5000×10-6NaOH浸泡4～16h，再用浓度为7000×10-6的柠檬酸浸泡2～4h[9]。

4 运营成本分析

4.1 污水站建设投资

污水站建设投资主要包括：工程直接费、建设工程其他费、预备费、铺底流动资金及建设期贷款利息等，本次仅对建设工程直接费进行分析。根据同类不同规模农村污水厂投资概算进行分析，见表1。

表1 同类不同规模农村污水厂投资概算

由表1可知：100～500m3/d污水站建设工程直接费吨水投资为1.06～2.20万元/t，吨水投资随着水量的增加而减少。

4.1.2污水站直接运营成本

污水厂直接运营费用主要包括：

表2 污水厂直接运营费

注：年运行天数为365d。

电度电费、人工费、药剂费、污泥运输及处置费、膜折旧费和设备维修及大修费。本次直接运营成本按照规模500m3/d污水站计算，数额见表2。

由表2可知：500m3/d农村污水站年运行成本为56.45万元，吨水直接运营成本约为3.14元/t。

5 结论

(1)受纳水体为Ⅱ、Ⅲ类水体的地区，为满足出水水质稳定达到地表准Ⅳ标准的要求，采用A2O+MBR工艺是十分必要的。

(2)生化系统应控制好各处理单元回流比，可提高各处理单元效率，有效抑制丝状菌膨胀。

(3)定期对MBR膜进行清洗，可有效缓解膜污染，增大膜通量，降低运行能耗。

(4)采用A2O+MBR工艺吨水投资为1.06～2.20万元/t，直接运营成本约为3.14元/t，可以在高标准出水要求地区推广与使用。

(5)MBR膜产水量随着运行时间的增长会减少，膜元件一般在4～5d后需要进行更换，经济成本高是制约其推广的主要因素。