膜生物反应器（MBR）工艺作为一种新型水处理技术，其出水水质可靠、操作方式便捷、结构紧凑、占地面积小〔1〕，长期受到人们的青睐。然而由于膜组件成本高、抽吸出水消耗大，以及膜易污染等问题，严重制约了MBR 的全面推广应用〔2〕。自生动态膜（SDM）是指在过滤污泥混合物的过程中，微生物及其代谢产物在多孔支撑体表面上，通过循环沉淀所形成的膜分离层〔3〕。与常规分离膜相比，动态膜具有较多优势，如过滤压力小，采用重力自流出水，节省了运行能耗；采用大孔径材料来制作，降低了膜组件的造价；抗污染能力强，清洗方便等〔4〕。
化粪池废水中的氨氮浓度介于城市污水与高浓度氨氮工业废水之间，前者可以采用传统的生化脱氮工艺处理，后者可以采用吹脱法等物化方法处理。化粪池废水属于一种可生化处理的高浓度氨氮废水，采用物化脱氮法（如吹脱法）效率低，而用常规污水生物处理工艺又很难达到满意的处理效果。在传统生物脱氮工艺中，为维持良好的硝化效果，必须保证好氧单元污泥具有非常强的硝化能力； 但硝化菌是一类弱势菌种，要获得含高浓度硝化菌的活性污泥，必须大大延长污泥停留时间〔5〕。MBR 利用膜的分离作用，将污泥停留时间与水力停留时间完全分开，可以大幅提高污泥系统中硝化菌的浓度〔6〕。
笔者将传统的A/O 工艺与MBR 工艺结合，并以动态膜组件替代了传统的分离膜，构建了一套厌氧/好氧/动态膜生物反应器（A/O/DMBR），用于对高氨氮化粪池废水的处理，并考察了动态膜的特点、反应器的处理效果和系统的稳定性。
1 试验装置与方法 1.1 A/O/DMBR 系统
A/O/DMBR 系统主要由缺氧池（A 池）、好氧池（O 池）、沉淀池（S 池）和动态膜池（M 池）组成，如图 1所示。
图 1 A/O/DMBR 试验装置
污水首先进入A 池，在此与由循环流作用下回流至A 池的硝化污水混合，并发生反硝化作用，其中，A 池与O 池之间的挡板可以上下活动，进而调节硝化污水的回流比。然后，污水由A 池底部进入 O 池，其中的有机物和氨氮在O 池得到降解与转化。接着，污水进入S 池，并在S 池实现泥水分离，其中沉降于底部的污泥在循环流的作用下返回至O 池，清液进入M 池。在M 池，污水中的污染物得到进一步的生物降解，并被动态膜截留。最终，处理后的污水在重力作用下，经动态膜表面进入膜组件内部的清水收集管，并自流出系统。A/O/DMBR 工艺的优势表现在：
（1）装置为一体式，结构简单，占地面积小；缺氧段、好氧段由挡板隔开，顶部和底部均连通，好氧单元的硝化污水可以在曝气循环流的作用下，直接回流至缺氧段，不需回流泵，降低了能耗。
（2）将A/O 与DMBR 结合，一方面发挥了MBR 的优势，提高了工艺的硝化效果和出水水质；另一方面，进水中绝大部分的污染物在A/O 单元得到降解，且通过中间沉淀池的初步泥水分离，大大降低了DMBR 单元的负荷，有利于减轻膜污染。
（3）采用动态膜替代常规分离膜，反应器出水为重力自流出水，节省了运行能耗；动态膜由廉价的过滤网制作而成，降低了投资成本；动态膜还具有膜通量高、抗污染能力强和清洗方便等优势。
1.2 动态膜组件
试验所用动态膜组件的结构类似于平板膜，由 0.1 mm 孔径的筛绢包裹形成过滤面，代替常规的微滤或超滤膜，其有效面积为0.32 m2；当污泥混合液在此过滤面循环流动时，污泥将在过滤面上堆积，形成截留效果良好的动态分离膜，同时，滤液透过动态膜进入膜组件内的空腔，并通过出水收集管流出反应器，成为DMBR 的出水，因此，该动态膜组件具有成本低、能耗低、高通量、易拆卸和清洗方便等优势。
1.3 试验用水
试验用水取自某小区化粪池，水质情况见表 1。
1.4 测定项目与方法
用于监测污水和污泥特征的分析项目和方法主要包括：SS、MLSS、VSS 测定采用称重法；TCOD、 SCOD 测定采用标准重铬酸钾法；pH 测定采用PB- 10 精密pH 计； 浊度测定采用WGZ-2000 浊度仪；总氮测定采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法； 氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法； 硝酸氮测定采用紫外分光光度法；总磷测定采用钼锑抗分光光度法。
2 结果与讨论 2.1 动态膜的形成与稳定
出水浊度是衡量动态膜截留效能的重要指标。当动态膜膜通量控制在约25~35 L/（m2·h），极限水头损失控制在500 Pa（即当动态膜的水头损失达到 500 Pa 时，认为一个运行周期结束，开始对动态膜进行清洗），且过滤活性污泥的MLSS 约5~6 g/L 时，动态膜出水浊度能够在1.0 h 内达到稳定，说明在 0.1 mm 孔径的筛网上，动态膜能够在1.0 h 内形成完全。且A/O/DMBR 出水浊度能够在35 d 内一直控制在3 NTU 以下，说明在此条件下，动态膜运行周期大于35 d，长于相关报道（一般1~7 d）〔7〕，这表明一体式A/O/DMBR 可以减缓膜污染。
2.2 A/O/DMBR 处理效果
化粪池废水是一种典型的高氨氮、低C/N 废水，本研究重点考察了A/O/DMBR 对化粪池废水中 COD、氨氮和总氮的去除效果。
2.2.1 对COD 的去除效果
稳定运行期间，当A 单元和O 单元MLSS 为3~4 g/L，DMBR 单元MLSS 为5~6 g/L，总HRT=9.6 h，水温为常温（约17~25 ℃），pH 为7.0~8.0 时，一体式 A/O/DMBR 对COD 的去除效果见图 2。
图 2 一体式A/O/DMBR 对COD 的去除效果
由图 2 可见，进水COD 波动较大，但反应器对 COD 的去除率一直较高，出水COD 在50 mg/L 以下，去除率为61.3%~90.2%，平均为81.5%。而且通过检测O 单元出水上清液中COD 可知，A 和O 单元是主要的COD 去除单元，去除率约占进水COD 的60%； 而DMBR 单元的去除率仅占进水COD 的 20%左右，主要去除机理是污泥系统对难降解COD 的进一步去除，以及动态膜对COD 的截留。
2.2.2 对氨氮的去除效果
稳定运行期间，当运行条件如前所述，一体式 A/O/DMBR 对氨氮的去除效果见图 3。
图 3 一体式A/O/DMBR 对氨氮的去除效果
由图 3 可见，进水氨氮浓度较高，平均为126.6 mg/L，但反应器能够保持较好的氨氮去除效果。试验初期，氨氮去除率相对较低（65%），这主要是因为硝化菌生长速度较慢；之后，反应器对氨氮的去除率达到80.0%~95.0%，平均为87.0%，出水氨氮保持在30 mg/L 以下。动态膜本身对氨氮的去除作用很小，但它可以截留硝化菌，对硝化菌的富集起到了关键作用。总之，A/O/DMBR 对高浓度氨氮表现出良好的去除效果。
2.2.3 对总氮的去除效果
稳定运行期间，当运行条件如前所述，一体式 A/O/DMBR 对总氮的去除效果见图 4。
图 4 一体式A/O/DMBR 对总氮的去除效果
由图 4可见，反应器对总氮的去除率较低，平均去除率为30%。进水C/N 低、反硝化碳源不足是造成TN 去除不高的主要原因〔8〕。研究表明，要实现良好的TN 去除效果，C/N 需要大于4.6，而本试验所用化粪池废水C/N 仅1.56，因此，通过投加适量的反硝化外加碳源，可以达到更加满意的脱氮效果。
2.3 污泥的生化活性 2.3.1 比硝化活性
试验将好氧单元的活性污泥取出，用自来水清洗3 遍，然后采用序批试验监测了好氧污泥的比硝化速率，当水温为25 ℃，MLSS 为4.13 g/L，起始氨氮质量浓度约100 mg/L 时，结果如图 5 所示。
图 5 污泥的比硝化速率
由图 5 可以看出，氨氮浓度与运行时间呈负线性相关，好氧污泥的比硝化速率为2.79 mg/（g·h），说明A/O/DMBR 系统中的活性污泥具有较强的硝化活性。
2.3.2 比反硝化活性
同样，按照上述方法，对缺氧单元的活性污泥进行了比反硝化活性检测。当水温为25 ℃，MLSS 为 5.66 g/L，起始硝态氮质量浓度约32 mg/L 时，硝态氮浓度与运行时间也是呈负线性相关，比反硝化速率为1.33 mg/（g·h）。说明厌氧污泥也具有较强的反硝化能力，而低C/N 可能是导致反应器反硝化效果不理想的主要原因。
2.4 A/O/DMBR 系统的稳定性分析 2.4.1 流量负荷冲击
研究表明，传统MBR 具有较好的抗流量冲击能力，为验证一体式A/O/DMBR 也具有此能力，试验进行流量负荷冲击试验，当起始流量为5.1 L/h， HRT=9.6 h，在不同冲击倍数和冲击时间的情况下，反应器出水COD 和NH3-N 的波动见表 2。
由表 2 可知，流量冲击对出水COD 和氨氮的影响很小，说明该系统具有较强的抗流量冲击的能力。
2.4.2 有机负荷冲击
试验考察了有机负荷冲击对A/O/DMBR 的影响，当进水流量为5.1 L/h，HRT=9.6 h，起始COD 为 224.8 mg/L 时，在不同程度有机负荷的冲击下，反应器出水COD 和NH3-N 的变化见表 3。
由表 3 可知，有机负荷冲击对出水COD、氨氮的影响不大，反应器表现出较好的抗有机负荷冲击能力。
3 结论
（1）开发了一套新型的一体式A/O/DMBR，其中，动态膜能够快速形成，且运行周期大于35 d。反应器表现出较好的COD 和氨氮去除效果，平均去除率分别达到81.5%和87.0%；同时，反应器还表现出较强的脱氮能力，厌氧单元和硝化单元污泥的比反硝化速率和比硝化速率分别达到1.33、2.79 mg/（g·h）。
（2）一体式A/O/DMBR 具有较强的稳定性，流量冲击和有机负荷冲击对出水水质的影响不明显。
（3）一体式A/O/DMBR 可以用于可生化处理的高浓度氨氮废水的处理，包括化粪池废水、畜牧业废水等； 也可以用于吹脱法等物化方法处理后的高浓度氨氮工业废水的处理，特别是在分散性、小规模和难处理类废水的处理领域，该反应器具有广阔的应用前景。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。