膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）作為一種能耗低、占地小、脫氮效率高的新技術(shù)受到廣泛關(guān)注。MABR的供氧方式具有“無泡曝氣”特性，即氧氣從透氧膜內(nèi)通過擴散作用傳遞至膜外側(cè)過程中無氣泡產(chǎn)生，不像傳統(tǒng)微孔曝氣需經(jīng)過液相邊界層，故其無α系數(shù)轉(zhuǎn)化問題，具備更高的氧傳遞效率。同時，MABR的傳質(zhì)過程具有“逆向擴散”特性，即來自透氧膜內(nèi)部的氧氣與來自外部水體中的底物從相反方向進入生物膜，兩者將產(chǎn)生不同的傳質(zhì)濃度梯度，使生物膜形成獨特的分層結(jié)構(gòu)。MABR內(nèi)層生物膜因供氧充足且底物濃度低，利于硝化自養(yǎng)菌生長，而外層生物膜與之相反，更有利于異養(yǎng)菌生長，大幅降低了硝化菌與異養(yǎng)菌對氧氣的競爭，以及硝化速率受BOD負(fù)荷的影響。一般將MABR置于缺氧區(qū)運行，可實現(xiàn)同步硝化反硝化（SND），有效降低系統(tǒng)的硝化液回流量，從而降低運行成本。
MABR的諸多優(yōu)勢使其具備廣闊應(yīng)用前景，但目前的實際工程案例還不多，且國內(nèi)采用其處理市政污水的中試研究規(guī)模普遍較小，運行周期也較短。為更加貼合實際工程應(yīng)用場景和更深入驗證MABR的性能及表現(xiàn)，于南京市某污水處理廠內(nèi)建設(shè)了處理量為400m³/d的示范項目，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，開展工程規(guī)模下的應(yīng)用研究。示范項目參照目前主流的市政污水處理工藝A2O，采用A2OMABR工藝，按現(xiàn)有工程標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)及運維，配備完善的自動化數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)及定期的人工采樣檢測，旨在通過對該項目的長期穩(wěn)定運行監(jiān)測，收集大量數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，多角度評估MABR的應(yīng)用效果，為該技術(shù)的開發(fā)與推廣奠定基礎(chǔ)。
1、項目概況
1.1 設(shè)計規(guī)模及水質(zhì)
示范項目位于南京市某市政污水處理廠曝氣沉砂池旁，進水為曝氣沉砂池出水，取水點位于精細格柵后端。設(shè)計處理量為400m3/d，占地面積約150m2。設(shè)計進水COD、氨氮、TN、TP濃度分別為180、27、30、3.2mg/L，經(jīng)處理后的出水水質(zhì)預(yù)期達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）的Ⅳ類（其中TN≤10mg/L）。
1.2 工藝流程及布置
系統(tǒng)以連續(xù)進水連續(xù)出水的方式不間斷運行，工藝流程為：進水→厭氧區(qū)→缺氧區(qū)→好氧區(qū)→二沉池→出水。池體采用碳鋼板焊接而成，配套彩鋼房中控室、風(fēng)機房、水質(zhì)在線監(jiān)測室及碳源投加裝置等設(shè)施，現(xiàn)場布置見圖1。在缺氧區(qū)內(nèi)安裝2座同規(guī)格的MABR膜箱，與缺氧區(qū)共同組成“MABR單元”，采用1臺無油風(fēng)機對2座膜箱供氣。考慮MABR具有高效硝化能力及SND作用，故未設(shè)置硝化液內(nèi)回流，回流泵僅作二沉池污泥回流用。為驗證系統(tǒng)自身的生物脫氮除磷能力及避免干擾，碳源投加僅作強降雨等突發(fā)情況下維持污泥活性的應(yīng)急使用，不用作例行投加以提升處理效果與出水水質(zhì)。因占地及成本受限，不設(shè)配套污泥處置設(shè)施，剩余污泥排入污水廠進行處置。
MABR膜箱主要由集成中空纖維膜絲的多列膜組件、整體支撐框架、氣體分配組件與管路構(gòu)成。工藝運行流程為：風(fēng)機供氣由膜箱上部進入，經(jīng)過膜絲利用后，尾氣在膜箱下部的集氣裝置內(nèi)聚集，再導(dǎo)入至裝置兩側(cè)的穿孔管后產(chǎn)生向上的脈沖大氣泡，對膜絲進行擦洗以控制生物膜厚度、沖刷附著的雜質(zhì)垃圾，并攪動混合周邊缺氧區(qū)的活性污泥。空氣在膜絲內(nèi)腔因溫差產(chǎn)生的冷凝液將存于底部收集槽內(nèi)，定期由外部水射器吸出排放。
1.3 設(shè)計及運行參數(shù)
各生化區(qū)有效水深均為3.5m，其中厭氧區(qū)尺寸為2.1m×2.4m×3.8m，缺氧區(qū)尺寸為6.0m×2.4m×3.8m，好氧段三區(qū)尺寸為2.1m×2.4m×3.8m、3.0m×2.4m×3.8m、3.0m×2.4m×3.8m；中進周出輻流式二沉池的尺寸為Ø7.1m×3.8m，有效水深為3.4m，設(shè)計表面負(fù)荷為0.42m3（/m2·h）。單座MABR膜箱的膜面積約1900m2，體積約11m³。
在2022年10月—2023年7月期間，系統(tǒng)各項運行參數(shù)平均值如下：進水量為（298±16）m3/d，進水溫度為（18.6±4.0）℃，進水pH為6~8；污泥回流比為（65±9）%，SRT為（9±2）d；好氧區(qū)末端MLSS為2400mg/L；好氧區(qū)曝氣量為（92±28）m3/h，DO為（2.6±0.9）mg/L；2座MABR膜箱供氣量共（17.5±1.1）m3/h，供氣壓力為（50.1±1.2）kPa。
1.4 分析指標(biāo)及方法
通過江蘇德林在線監(jiān)測儀對系統(tǒng)進出水COD、氨氮、TN、TP進行檢測，頻率為1次/h；采用水質(zhì)傳感器實時監(jiān)測生化區(qū)的DO、pH、ORP及MLSS；MABR尾氣的氧濃度采用在線氧分析儀（上海昶艾，CI-PC162）實時監(jiān)測；定期采集缺氧區(qū)的進出水水樣，在實驗室采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定氨氮、硝酸鹽氮、正磷酸鹽濃度；對MABR的生物膜采樣及處理后，利用高通量測序技術(shù)對16SrDNA特征序列進行分析。
1.5 池體水力狀態(tài)的示蹤試驗
構(gòu)筑物的水力狀態(tài)對水處理生化反應(yīng)的傳質(zhì)過程及效率有顯著影響，進而決定處理效果的優(yōu)劣。為檢驗生化區(qū)有無死區(qū)、短流問題，以及是否符合CSTR模型的水力全混狀態(tài)，進行了示蹤試驗：將示蹤劑羅丹明B加入待測試的池子中，注入清水至有效水深并開啟攪拌混合設(shè)備，再按照設(shè)計流量穩(wěn)定供應(yīng)清水作為進水源，之后定時取出水口水樣檢測示蹤劑濃度，記錄其隨時間的變化數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)變化曲線，從而判斷結(jié)果是否符合所采用的流體模型。結(jié)果表明，示范項目的生化區(qū)池體設(shè)計符合CSTR模型，達到了較理想的水力全混狀態(tài)，為后續(xù)系統(tǒng)發(fā)揮處理效能及穩(wěn)定運行提供了基礎(chǔ)保障。
2、運行結(jié)果與分析
2.1 總體運行效果
經(jīng)過污泥接種培養(yǎng)、MABR掛膜、聯(lián)動調(diào)試后，系統(tǒng)運行狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。2022年10月—2023年7月運行期間總體進出水日均指標(biāo)見表1，其中進水取樣點為精細格柵后，出水取樣點為二沉池出水口。
運行期間出水水質(zhì)接近設(shè)計要求。對比實際MABR工程對COD、氨氮、TN、TP的去除率，如北方地區(qū)某提標(biāo)改造工程為90%、92%、83%、88%（未加藥），湖北某高速公路服務(wù)區(qū)試點工程約為95%、99%、97%、96%，本項目對TN、TP的去除率略低。
示范項目進水COD濃度波動較大，出水長期保持穩(wěn)定。氨氮去除率最高，得益于MABR高效的硝化作用。由于MABR附著固定生長的好氧生物膜，以及高效硝化性能對好氧區(qū)硝化作用的替代和增強，A2O-MABR系統(tǒng)可長期保持較低的SRT（約9d）運行，從而排放更多的富磷剩余污泥，有利于提高TP去除率。但出水TP與TN仍未達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是進水碳源不足——長期處于進水BOD5與總凱氏氮之比約為3、BOD5與TP之比約為20的低碳源條件下，且外碳源僅為強降雨時短期投加而非用于日常運行。
2.2 MABR的氧傳遞效果
評判MABR氧傳遞效果的3個重要指標(biāo)為傳氧效率（OTE，空氣中氧氣傳遞至生物膜上的比例）、傳氧速率（OTR，每平方米膜面積每天傳遞的氧氣量）及充氧動力效率（AE，每消耗1kW·h電量所傳遞的氧氣量）。根據(jù)在線氧分析儀監(jiān)測的膜箱尾氣氧濃度數(shù)據(jù)，計算出運行期間OTE、OTR、AE的平均值分別為27.4%、9.0g/（m2·d）、4.7kg/（kW·h），與美國YBSD升級改造應(yīng)用工程及中試案例的數(shù)據(jù)接近。傳統(tǒng)曝氣裝置的OTE設(shè)計值一般為10%~20%，微孔曝氣器的AE為2.6kg/（kW·h），表明MABR具備更高效的氧傳遞能力。
2.3 MABR單元的脫氮除磷效果
為評估MABR單元的脫氮除磷效果，定期采集缺氧區(qū)的進出水水樣，分析氨氮、硝酸鹽氮及正磷酸鹽指標(biāo)。MABR單元對氨氮的去除由其上生長的好氧生物膜通過硝化反應(yīng)來實現(xiàn)。采用MABR對總進水氨氮的去除占比來評估其硝化能力，結(jié)果見圖2。MABR去除占比為19%~37%，平均值為28%。對比北方地區(qū)某提標(biāo)改造工程去除占比為9.6%（該項目本身設(shè)計值低），英國某中試案例去除占比為21%~34%，表明本項目MABR的硝化效果良好。且運行期間MABR去除占比基本保持在20%以上，表現(xiàn)出穩(wěn)定的硝化性能。由圖2可知，MABR的硝化作用與氨氮濃度之間有明顯的相關(guān)性，這表明MABR的生物膜系統(tǒng)正處于氨氮限制條件下運行。該特點有利于應(yīng)對進水氨氮峰值負(fù)荷的沖擊，并可為后段好氧區(qū)懸浮態(tài)活性污泥系統(tǒng)規(guī)避或減輕超負(fù)荷運行的風(fēng)險。
MABR單元的SND作用主要由MABR上內(nèi)層好氧生物膜對氨氮的硝化、外層缺氧生物膜及懸浮態(tài)活性污泥對硝酸鹽氮的反硝化組成。根據(jù)進出水氨氮及硝酸鹽氮數(shù)據(jù)，分別計算出兩者的去除量作比較以評估同步硝化反硝化效果，如圖3所示。可知兩者去除量具有較明顯的線性關(guān)系，表明MABR單元內(nèi)SND效果較為良好，使系統(tǒng)可在無硝化液回流的運行方式下滿足生物脫氮需求，既節(jié)省了內(nèi)回流所需的能耗，又避免了傳統(tǒng)A2O工藝內(nèi)回流夾帶溶解氧對反硝化過程造成抑制的問題。
MABR單元的除磷效果如圖4所示。大多時段下進出水正磷酸鹽濃度相差較小，除磷效果較弱。MABR單元的除磷作用可能是通過一類不同于傳統(tǒng)聚磷菌（PAOs）的反硝化聚磷菌（DPAOs）來實現(xiàn)。DPAOs可在缺氧條件下利用NO2⁻或NO3⁻作為電子受體吸收環(huán)境中的無機磷酸鹽合成多聚磷酸鹽進行除磷，而導(dǎo)致除磷效果低的潛在原因有DPAOs富集量較少、前段厭氧區(qū)釋磷不充分、水溫較低及反硝化菌對DPAOs的競爭等。因MABR單元對磷的去除貢獻較低，故對于系統(tǒng)整體的除磷作用而言，仍主要依靠傳統(tǒng)聚磷菌的厭氧釋磷及好氧吸磷過程，最終通過排出富磷剩余污泥實現(xiàn)。
2.4 微生物多樣性分析
在系統(tǒng)運行穩(wěn)定且MABR充分掛膜后，沿著進出水流方向?qū)δは淝爸泻蠖我约白笥覂蓚?cè)膜絲進行生物膜采樣，同時采集膜箱周邊活性污泥混合液樣品，進行生物膜厚度測定、微生物群落結(jié)構(gòu)及豐度分析。各點位分別編號為BI（前段）、BM（中段）、BO（后段）、BL（左側(cè)）、BR（右側(cè)）、AS（混合液），每個點位取3個樣品。
結(jié)果顯示，樣品生物膜厚度在200~500μm之間，已具有分層結(jié)構(gòu)特征。各點位生物膜的絕對豐度（以C計）分別為100.4、92.9、81.8、90.9、85.2mg/g，顯示出前中后段的生物膜生物量在依次下降。考慮到后段出水端膜絲受到更少的進水水流沖擊，故排除水力沖刷減少生物量的影響，則前中后段生物膜生物量沿著水流方向下降應(yīng)與進水端有更豐富的反應(yīng)底物有關(guān)。活性污泥樣品的絕對豐度為76.3mg/g，生物膜上的生物量相對活性污泥明顯更多，說明MABR具備更好的生物富集作用。再對各樣品進行16SrDNA高通量測序后，分別在門、屬分類水平下統(tǒng)計樣品的群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。
從圖5（a）可以看出，在門水平上分類出10種主要細菌門類，且生物膜與活性污泥樣品的微生物種群結(jié)構(gòu)相似，但生物膜樣品的群落分布和多樣性隨水流方向而有所區(qū)別，結(jié)合上述水流方向上生物量下降的現(xiàn)象，可從側(cè)面證明MABR單元的水力流態(tài)良好，無阻塞短流等狀況。無論在生物膜還是活性污泥中，變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）及硝化螺旋菌門（Nitrospirae）的相對豐度較高，這與其他中試案例的結(jié)果類似。此三者是污水處理系統(tǒng)中的常見細菌類群，Proteobacteria是大多數(shù)污水處理系統(tǒng)中最優(yōu)勢的菌門，是參與脫氮除磷、有機物降解的主要菌種；Bacteroidetes菌門的物種可降解有機物、參與反硝化過程；Nitrospirae則是典型的硝化優(yōu)勢菌門。
從圖5（b）可以看出，在屬水平上硝化螺旋菌屬（Nitrospira）的相對豐度較高，其是污水處理系統(tǒng)中亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的優(yōu)勢種屬。各生物膜樣品中Nitrospira占比為5%~18%，平均占比為12%，而在活性污泥中其占比則不到4%。這驗證了MABR對硝化菌的富集作用，該特點是MABR具備更優(yōu)硝化性能的基礎(chǔ)保障。
2.5 運行能耗分析
運行期間通過現(xiàn)場安裝的電表讀數(shù)，統(tǒng)計系統(tǒng)的耗電量在152~188kW·h/d之間，平均為171kW·h/d，平均能耗約為0.57kW·h/m3。對比處理規(guī)模<1×104m3/d的實際污水處理廠（0.346±0.211）kW·h/m3的平均能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本項目總體能耗偏高。多方位分析后總結(jié)造成系統(tǒng)能耗偏高的主要原因有：示范項目各類儀表、中控設(shè)備、照明及換氣等公共系統(tǒng)的用電在總體用電中占比不低，但項目規(guī)模相比實際污水廠還不足夠大，故無法較大程度上平攤該部分用電量而使噸水能耗較高；為使系統(tǒng)調(diào)控有足夠的操作空間，示范項目在設(shè)備選型上往往有較大的負(fù)荷冗余，導(dǎo)致工作功率上升、能耗增加。
單獨統(tǒng)計MABR系統(tǒng)的平均能耗為0.11kW·h/m3，相對北方地區(qū)某提標(biāo)改造工程（MABR工藝段運行能耗為0.61kW·h/m3）而言較低。示范項目MABR運行能耗僅占總體能耗的19%，而傳統(tǒng)活性污泥法中好氧曝氣能耗約占總能耗的50%以上。MABR系統(tǒng)的低能耗得益于其曝氣量相比傳統(tǒng)工藝的好氧區(qū)大幅降低，故所需鼓風(fēng)機裝機負(fù)荷小、用電量低。同時A2O-MABR工藝降低或取消傳統(tǒng)活性污泥法的硝化液回流后，原有回流設(shè)備對應(yīng)的電耗也將被節(jié)省。綜上所述，A2O-MABR工藝具有降低能耗的作用，但因項目規(guī)模所限導(dǎo)致能耗降低效果不明顯。而隨著MABR技術(shù)不斷推廣，在更大規(guī)模工程化應(yīng)用場景下節(jié)能降碳優(yōu)勢將會更加顯著。
3、結(jié)論
①示范項目水池水力條件達到CSTR全混狀態(tài)，這是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。
②系統(tǒng)總體出水水質(zhì)接近設(shè)計要求；MABR的氧傳遞及硝化性能穩(wěn)定，硝化去除的氨氮占總進水氨氮的28%；MABR單元的同步硝化反硝化效果明顯，除磷效果因各種因素影響而不顯著。
③MABR掛膜效果良好，生物富集作用更強，存在豐富的各類污水處理系統(tǒng)典型菌種，且生物膜內(nèi)硝化菌相對豐度更高，平均值達到12%。
④MABR系統(tǒng)的耗電量僅占總體能耗的19%，在未來更大規(guī)模的工程化項目中將會進一步突顯出節(jié)能降碳的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。（來源：南京智島水環(huán)境科技有限公司，蘇交科集團股份有限公司，江蘇金陵環(huán)境股份有限公司，南京市給排水工程設(shè)計院有限公司）
