随着工农业生产的迅速发展以及城市化进程的加快，城市综合污水由高浓度氮、磷营养物质的生活污水和工业废水组成，水质已不再是传统意义上的“市政污水”，污染物组分复杂，难以降解。另一方面，随着水污染问题日益被重视，尤其是2006 年国家推行节能减排以来，对城镇污水处理厂出水水质提出了更高的要求，逐步开始执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级标准。目前我国大部分污水处理厂采用氧化沟、A2/O、SBR等传统工艺的活性污泥处理方法，出水仅能达到GB18918-2002 二级标准。因此，污水处理厂在污水处理工艺上都进行了新的探索，以使出水满足更严格的排放标准。
膜生物反应器(MBR)是将传统的活性污泥法与膜过滤工艺相结合的一种污水处理工艺，具有占地面积小、出泥少、出水水质稳定等特点。随着MBR 及其组合工艺研究的不断深入，使得其在中大型污水处理厂中实际运用变为可能。本实验主要研究了用水解酸化—膜生物反应器(MBR)相结合的工艺处理含有大量印染废水的城市综合污水，使水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A 标准的要求。
1 实验部分
1. 1 工艺流程
本实验的工艺流程为原水经过格栅、初沉池后进入水解酸化池，进行反硝化。污泥混合液由泵提升到MBR 中进行好氧反应，并通过膜片过滤后出水，从而使最终出水达到排放的要求。其工艺流程如图1 所示。
1.2 实验设备
本实验中，MBR 系统内置膜元件是TO-RAY公司生产的TMR140 系列的平板膜。该膜片主要用于膜生物反应器，膜片具体参数为：平板式膜，膜孔径0.2μm，过滤方式为错流抽吸过滤，膜材料为PVDF+PET 无纺布，框架材料为ABS 树脂。MBR 系统为外形1m×1m×2.5m的箱体，有效水深2m，运行由PLC 自动控制。系统每片模的设计出水水量为600 L/h。采用真空泵出水，流量2m3/h，扬程14m，转速2 800 r/min，功率370 W。出水真空泵为间歇运行，运行8.5min 停1.5min。系统曝气量设定为10~15m3/h，风机采用三叶罗茨鼓风机，转速1000 r/min，流量20m3/h，功率750 W。
1.3 原水水质
本实验为中试实验。实验用原水为嘉兴某污水处理厂初沉池出水，水质指标为COD 200~450mg/L，BOD 50~120mg/L，SS 110~350mg/L，NH4+-N 15~45mg/L，TN 25~65mg/L，TP 3.6~18.5mg/L。
1.4 实验方法
本实验开始时，向水解酸化池和MBR 系统中接种污泥，接种污泥的混合液发挥性悬浮固体(MLVSS)质量分数达到40%左右，考虑到接种污泥活性较低，接种量约为悬浮固体(MLSS)200mg/L。而后MBR 系统进行闷曝，期间每天向装置内添加葡萄糖、碳酸铵和磷酸二氢钾等营养物质，5d 后启动试验装置。经过60 d 的连续运行，MBR 系统污龄为90 d，回流比为200%，每天处理水量为12m3。
1.5 测定项目与方法
各工艺环节测定项目包括pH、SS、COD、TN、NH4+-N、TP、色度等，均采用国家规定的标准方法以及国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》提供的方法进行测定。其中COD 测定用重铬酸钾法，色度测定用稀释倍数法，TN 测定用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP 测定用钼酸铵分光光度法，NO3--N 测定用紫外分光光度法，NH4+-N测定用纳氏试剂分光光度法;NO2--N 测定用分光光度法;混合液悬浮固体(MLSS)、MLVSS、SS 测定用重量法，pH 值用pH 试纸测量，DO、pH 和温度测定用仪器法(WTW Oxi Level2 便携式溶解氧仪)。
2 实验结果与讨论
原水经水解酸化—MBR 系统处理后，COD、SS、NH4+-N、TN 和色度出水水质均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A 标准，各污染物去除率也高于传统的活性污泥法。
2.1 污泥性状变化
为了考察水解酸化—MBR 反应器中微生物膜随启动时间的动态变化，本研究定期对污泥取样，用扫描电镜考察污泥中的微生物相的情况。
与常规活性污泥相比，正常运行MBR 中的污泥形态比较松散，无较明显的絮状形态，产生这种现象的主要原因有两种：一是MBR 中曝气量过大，将污泥絮状结构催散;二是MBR 中MLSS 较高。污泥处于内源呼吸阶段，很难形成絮状结构。
2.2 对SS 的处理效果
MBR 膜本身空隙较小(<0.2 μm)，因此对悬浮物的去除也主要依靠过滤作用。系统启动之初MBR 对SS 的去除率仅为83.1%，这是由于启动阶段因膜面沉积层尚未形成，系统对悬浮物的去除主要依靠膜孔的截留作用，即膜的筛滤作用，MBR 系统膜组件与管路连接部位存在微小间隙，导致SS通过。经过一段时间的运行，MBR 系统稳定后，随着截留物质的增多，膜上逐渐形成凝胶层，此时对SS 去除贡献来源于这层凝胶层。出水SS 保持在0.5~3.0mg/L。这说明，正常运行后MBR 膜对SS 的截留机理发生变化，在泥水分离过程中膜实际起了一个骨架作用，膜表面凝胶层对小分子物质的截留往往具有不可替代的作用。膜面形成的沉积层协同膜的截留作用，提高了对悬浮物的去除率。
2.3 对COD 的去除效果
MBR 对有机物的去除主要来自两方面的作用：一是生物反应器对有机物的降解;二是膜的截留，大分子物质及悬浮物被截留于反应器后可比传统活性污泥法获得更多的与微生物的接触时间和机会，同时膜的截留也有助于某些专性微生物的培养，进而提高对有机物的去除率。
此外，在系统启动后的前10 d 生物反应器对COD 的去除率相对较低，COD 去除率均在70%以下。经过显微镜观察发现，微生物种类和数量较少，且微生物在污水中的运动性较差。在此阶段，对COD 的去除主要是依靠膜的截留作用，有机大分子物质和悬浮物被截留下来，而有机小分子物质和可溶性的有机物没有被去除。随着时间的增加，反应器内微生物浓度和活性都逐渐升高，生物降解发挥作用，从而使COD 去除率得到提高。系统稳定后，COD 去除率>89.90%，虽然进水COD 在200~450mg/L 之间波动，但出水COD 稳定在40~50mg/L 之间。运行后期，由于水解酸化工艺段微生物体系的成熟，提高了进入MBR 系统污水B/C 值，更加有利于MBR 反应器微生物生物降解作用，出水COD 进一步降低到20~35mg/L。
2.4 对NH4+-N的去除效果
膜分离使微生物完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，并且膜的截留作用防止了硝化菌的流失，给生物反应器内的增殖缓慢的硝化菌的保持高浓度创造了有利的条件，从而大大提高了硝化效率。当系统稳定后，出水NH4+-N接近于零。MBR 内去除NH4+-N 主要靠硝化菌的硝化作用，考虑到MBR 膜片的反冲洗要求，MBR 生物反应器内溶解氧(DO)高于普通活性污泥法反应器，本实验过程中MBR 内DO 值一直保持在5mg/L 左右，在MBR 内形成良好的好氧环境，利于硝化菌通过硝化作用去除NH4+-N。另外，MBR正常运行时MLSS 高达24.0 g/L 左右，MBR 内微生物，尤其是硝化菌群量大也利于NH4+-N去除。该工艺运行期间NH4+-N去除效果较好的另一个原因是该工艺污泥龄较长，为90 d，时间较长的亚硝化菌和硝化菌得以富集，使得系统具有较强的硝化能力。
2.5 对TN 的去除效果
污水处理厂出水TN 主要包括NH4+-N、NO3--N和NO2--N。实验期间出水NH4+-N一直较低，NO2--N 也较低(为0.02~0.08mg/L)，出水TN 以NO3--N为主，影响出水NO3--N浓度的主要因素为进水C/N 和水解酸化池HRT。系统启动初期，由于水解酸化系统反硝化菌群尚不成熟，TN 的去除率较低;水解酸化系统内MLSS 提高后，TN 的平均去除率有所提高，通过增加水解酸化池有效容积延长HRT后，此时TN的去除率进一步提升。实验系统中，TN的去除依赖于水解酸化工艺。
2.6 对TP 的去除效果
整个运行阶段中，TP 的去除率虽随着MLSS增加略有增加，但出水TP一直在1.8mg/L 以上。MBR为获得理想的硝化效果须有较长的污泥龄。而除磷过程必须短泥龄运行，因此脱氮和除磷在泥龄选择上存在矛盾;在释磷和反硝化过程中存在对碳源的竞争，因此同样难以同时达到最佳的脱氮除磷效果。MBR 工艺低的有机物负荷，高的回流污泥比和污泥龄，适于硝化反应，但高的回流比使水解酸化池中一直大量存在NO2--N 和NO3--N，反硝化菌与聚磷菌同时存在，两者形成竞争关系，导致聚磷菌无法厌氧释磷，从而在NBR 中无法实现耗氧吸磷。可见，要利用MBR 实现TP 较好的去除，需要解决NO2--N和NO3--N浓度过高的问题以及释磷效果及污泥龄过长的问题。具体可以通过平衡硝化与反硝化时间，直至NO2--N和NO3--N浓度降低，并投加适量的碳源，同时调节MBR 的污泥龄到合适的值，或者采用协同化学除磷的方式(即投加FeCl3、AlCl3及聚合氯化铝等化学除磷絮凝剂，在排泥的同时实现除磷)等。
2.7 对色度的去除效果
MBR 系统启动之初，色度去除率就达75%，系统稳定后，色度去除率达到87.5%以上。经分析，这是膜的截留作用和生物降解作用的结果，带有颜色的大分子物质和悬浮物被截留下来，微生物将部分有机物降解使其脱色，从而降低了出水色度。
3 结论
利用水解酸化—MBR 工艺处理城市综合污水，除TP 外，出水COD、NH4+-N、TN 指标符合GB18918-2002 一级A 标准。应对MBR 出水再采用一定的强化除磷措施(如投加化学除磷药剂等)。
水解酸化—MBR 工艺是处理城市综合污水的一种可行方案，在实际运用中还需注意膜污染的问题，以延长装置使用寿命。
