近年来，随着对农村人居环境改善和基础设施建设的日益重视，农村生活污水的收集、治理力度不断加大，因地制宜的污水分散式处理模式在农村地区得到了广泛应用。以一体化膜生物反应器(MBR)为主体工艺的一体化污水处理设备，因其处理效果好、抗冲击能力强、占地面积小、出水水质稳定，成为分散式农村生活污水处理的主要技术之一。我国农村生活污水具有日变化系数大、氮磷含量高等特点，我国农村生活污染对流域中磷的贡献率达8%。脱氮除磷是农村生活污水处理的主要目标，但生物法除磷效果有限，出水总磷(TP)达标存在一定的难度。通过投加除磷药剂，在生物除磷的基础上采用化学的方法辅助除磷，为解决这一问题提供了有效途径。但由于除磷药剂投加量、投加位置等诸多因素都会影响除磷效果，化学除磷的运行参数需要进一步优化。同时，除磷药剂的加入可能会对活性污泥性能产生影响，对MBR膜污染的利弊也需要进一步分析。
本研究依托一套以MBR为主体工艺的一体化污水处理设备对实际生活污水进行处理，通过投加聚合硫酸铁(PFS)作为除磷药剂，进行半年以上的化学同步除磷试验，优化了PFS投加量和投加位置，对除磷效果、活性污泥性能及膜污染情况进行了跟踪监测与评价，可为一体化MBR污水处理设备在农村生活污水处理中稳定同步脱氮除磷提供依据。
1、材料与方法
1.1 装置
采用一套处理工艺为A+MBR的一体化污水处理设备，设计规模30m3·d-1(图1)。设备壳体采用玻璃钢材质，直径2m，长4.5m。正常运行时，污水自进水口进入缺氧池，池内填充鲍尔环填料以强化反硝化，池底设穿孔曝气管进行间歇搅拌以防止污泥沉于底部;之后污水自流进入MBR池，污水中有机污染物在好氧微生物的作用下得到充分降解，NH3-N得到硝化;MBR池膜区内放置PVDF中空纤维膜组件，在抽吸泵的作用下处理后净水被抽出排放，微生物被完全截留在池内继续发挥降解作用;MBR池末端设气提回流装置，将硝化液回流至缺氧池，实现反硝化脱氮。同时，装置采用PLC控制系统实现自动运行，且可通过触摸屏控制面板修改运行参数。
1.2 污水
为某园区生活污水，通过管道收集且经格栅和调节池预处理后由泵提升进入实验装置。
1.3 处理设计
采用PFS作为除磷药剂，铁有效含量21%。将PFS配制成一定浓度的溶液后，由计量泵进行自动、连续加药，同时，定期校核计量泵流量。
实验装置连续运行6个月，期间对除磷药剂的投加量和投加位置进行了优化研究，同时考查了铁盐投加对活性污泥性能、pH和膜污染的影响。装置运行期间，水温为20~30℃，污泥浓度(MLSS)控制在5000~6000mg·L-1。实验各阶段进水水质及药剂投加情况如表1所示。
1.4 分析方法
COD采用型号为COD-2000的COD在线分析仪测定，NH3-N采用型号为NH3-N-2000的氨氮在线分析仪测定，TP采用型号为TPN-2000的总磷在线分析仪测定，MLSS采用滤纸称量法测定，pH采用便携式pH计测定，温度采用水银温度计测定。
2、结果与分析
2.1 药剂投加对出水污染物浓度的影响
2.1.1 PFS投加量的影响
实验装置启动并稳定运行20d后，开始向MBR池好氧区投加除磷药剂，PFS投加量按40~50、50~60和60~70mg·L-1依次增加，测定出水COD、NH3-N和TP浓度的结果如图2所示。
图2可知，未投加PFS时，装置出水COD和NH3-N平均浓度分别为31和2.49mg·L-1，能够稳定达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准;但出水TP浓度在1.5~3.0mg·L-1，远高于一级A标准的要求(0.5mg·L-1)。投加PFS后，出水TP浓度明显下降，且随着PFS投加量增加，TP去除率增大。当PFS投加量为50~60mg·L-1时，出水TP平均浓度降至0.477mg·L-1，满足达标要求，每1t水药剂费用约为0.08元。在加药各阶段初始时期对NH3-N的去除产生了不利的影响，这主要是由于化学药剂对敏感的硝化菌产生了抑制作用，但随着加药进行，微生物逐渐得到驯化，抗药性增强，NH3-N去除效果逐渐恢复。相比于TP和NH3-N，投加PFS对COD去除效果的影响几乎可以忽略。
2.1.2 PFS投加位置的影响
在实验第V和第VI阶段，分别将PFS投加位置改为缺氧池和硝化液回流管，PFS投加量均为50~60mg·L-1，同时与第III阶段出水TP浓度进行对比，结果如图3所示。由图3可知，加药位置对TP的去除效果影响明显，去除效率从高到低依次为回流管、好氧区和缺氧池，与GUO等的实验结果一致。投加位置为回流管和好氧区时，出水TP平均浓度分别为0.253和0.474mg·L-1，能够满足一级A标准的要求。但从药剂利用效率来看，PFS最佳投加位置为回流管处。从理论上分析，将PFS投加在回流管，可使药剂和回流硝化液在管内流动过程中达到更好的混合效果，从而提高了药剂利用效率和TP的去除效果。
2.1.3 长期连续运行的效果
在实验第VII阶段，稳定运行装置2个月，期间连续投加PFS于回流管，投加量为50~60mg·L-1，测定出水水质，结果如图4所示。经过前几个阶段的加药驯化，装置内微生物对PFS有了较好的适应性，对水中各类污染物质也有了相对稳定的去除效果。出水COD、NH3-N和TP浓度均能稳定达到一级A标准，平均浓度分别为25、2.34和0.240mg·L-1。结果表明，PFS对微生物的不利影响可以通过驯化逐渐减弱直至消失，化学同步除磷在MBR一体化污水处理设备的长期连续运行中，出水主要水质指标可以稳定达标。
2.2 药剂投加对运行参数的影响
2.2.1 对pH的影响
在运行第I~IV阶段，考查PFS的投加及用量对出水pH值的影响，结果如图5所示。投加PFS后出水pH值出现下降趋势，且随着投加量的增大，pH值降低更加明显。未加药时，出水pH值接近中性，平均为6.93;投加40~50、50~60、60~70mg·L-1PFS后，出水pH平均值分别降至6.66、6.32和5.81。由此可知，当PFS投加量大于60mg·L-1时，出水pH值低于6，已无法满足一级A标准的要求。因此，采用PFS进行化学除磷时，药剂投加量宜控制在60mg·L-1以内。
2.2.2 对污泥沉降性能的影响
向活性污泥中适量投加除磷药剂可以增强其沉降性能。本实验对PFS投加前后装置内活性污泥沉降比(SV30)进行多次测定，结果如图6所示。PFS的投加对实验装置SV30影响较大，药剂投加前SV30保持在90%以上，多次测定的平均值高达96%;而投加PFS后SV30降至42%~77%，平均值为56%，活性污泥沉降性能明显改善。
2.2.3 对膜污染的影响
图7所示为实验装置连续运行6个月过程中跨膜压差的变化曲线，期间未对膜组件进行任何化学药剂清洗。从图7中可知，随着运行天数增加，跨膜压差从初始的13kPa最终上升至24kPa，整体呈现逐渐升高的趋势。具体来看，跨膜压差的变化过程可以分为3个阶段。装置运行的前1.5个月为第1阶段，跨膜压差较为稳定，基本保持在13kPa左右，膜未受到明显污染;装置运行1.5~4.5个月期间为第2阶段，跨膜压差升至15kPa左右，但仍相对稳定，膜污染较轻微;装置运行的最后1.5个月为第3阶段，此阶段跨膜压差出现急剧上升的趋势，表明膜受到了较为严重的污染，亟需进行化学药剂清洗。实验期间，装置跨膜压差的增长可以总结为相对平稳运行后出现突变上升，其膜污染过程基本符合常规规律。有研究提出，选用铁盐进行MBR化学同步除磷时，投加聚合氯化铁(PFC)将加重膜污染，但实验装置在连续投加PFS后仍能稳定运行4个月，表明PFS对膜污染影响不大。
3、小结
农村生活污水磷含量高，TP去除困难，是农村生活污水处理的一大难点。通过在MBR一体化污水处理设备中投加PFS，进行铁盐同步除磷，可以有效降低出水TP浓度。PFS最佳投加量为50~60mg·L-1，最佳投加位置为回流管处。采用PFS进行化学除磷时，出水pH值随着加药量的增加而逐渐降低，PFS投加量不宜超过60mg·L-1。实验装置在连续投加PFS后，在未对膜进行任何化学药剂清洗的情况下，仍能长期稳定运行，跨膜压差增长过程基本符合常规规律，表明PFS对膜污染影响不大。而投加PFS后装置内SV30从90%以上下降至42%~77%，活性污泥沉降性能得到明显改善。（来源：诚邦设计集团有限公司，浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江大学环境与资源学院）
