农村生活污水强化膜混凝性能及其污泥资源化潜力

摘要：近年来，农村生活污水和污泥的当地处理和资源利用受到了广泛的关注。与生物法相比，强化膜混凝技术可以快速捕获污水中的碳磷资源，已在北京农村生活污水处理中得到示范和应用。为此，对增强膜混凝技术的示范应用效果进行了分析，并以其产生的污泥为研究对象，考察了污泥中碳磷的回收性能。结果表明，强化膜混凝一体化示范设备在水力停留时间为60min的条件下实现80%以上COD和TP去除，产生碳、磷丰富、资源潜力好的污泥。酸碱预处理能有效强化污泥水解，特别是碱性条件能促进污泥中有机物和磷酸盐的同步释放，浓度分别达到5214.5mg/L和122mg/L。酸化发酵是实现有机物进一步转化利用的重要途径之一。pH酸化发酵效果，酸化产品产量达到3419.6mg/L（以COD计），酸化率高达77.0%。“强化膜混凝 预处理污泥酸碱 酸化发酵有望促进农村生活污水中碳磷资源的回收，但需要进一步研究后续利用和潜在风险。

强化膜混凝技术采用混凝/吸附-膜过滤复合工艺分离去除污水中的碳、氮、磷污染物，对污水量、水质、环境温度适应性好，保证出水水质稳定；在同一水平COD在去除效果的条件下，传统生物法的水力停留时间只有10%左右（HRT），设备尺寸和占地面积大大降低。京津冀地区依托该技术，建立了多个农村生活污水处理示范项目。然而，制约该技术进一步发展的关键问题之一是如何实现膜混凝土污泥的快速稳定约该技术进一步发展的关键问题之一。相关研究表明，如果采用厌氧消化技术稳定和回收，微生物很难接触和降解包裹在混凝土絮凝中的有机物，降解转化率低，磷酸盐很难与铝离子分离，磷酸盐的释放率通常不到10%。因此，有必要寻求有效的技术手段来加强膜混凝土中有机物和磷酸盐的溶解释放，促进污泥通过厌氧消化的稳定和无害化，为后续污泥的回收利用提供条件。

酸碱预处理，即调整污泥pH，是加速污泥水解广泛的预处理方法之一。但目前还没有关于膜混凝土污泥强化水解酸化的报道。鉴于此，笔者研究了膜混凝土示范工程的运行性能，特别是膜混凝土污泥的性质，研究了酸碱预处理条件下膜混凝土污泥中预处理条件下膜混凝污泥中有机物和磷酸盐的溶解和变化利用的潜力。

01 材料与方法

1.1 强化膜混凝示范工程简介

示范工程位于北京市通州区某村，采用强化膜混凝-人工湿地处理工艺，设计规模2000m3/d，水质设计符合北京市地方标准《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 二级A标准为11/1612-2019)。研究期间，示范工程进水COD、TP和NH4 -N分别为（235.9±105.9）、（3.9±0.5）、（35.5±6.1）mg/L。强化膜混凝设备占地15m2.采用浸没式超滤膜组件，膜材料为PVDF，膜孔径为0.02μm。设备运行过程包括过滤产水、停止和脉冲曝气，每个周期持续11min，其中，产水阶段的持续时间为9min，恒定出水流量约10.5m3/h。脉冲曝气的目的是在膜表面形成侧流剪切力，从而减少膜表面污染物的积累。大约每4 d次氯酸钠溶液(1000~3000000~3000000)通过排放膜混凝土和气水反冲来缓解膜污染mg/L）浸泡和清洗膜组件。膜池内混凝剂(聚合氯化铝)的投加量为20~50mg/L，吸附剂(粉末活性炭，木/煤混合，平均粒径26.5μm，碘值>800 mg/g）投加量为0～20mg/L，HRT为60min。

1.2 膜混凝土污泥强化水解酸化试验

本实验反应器为7个恒温厌氧发酵罐(35)℃），编号为R1～R7.有效体积为2L，其中R3.对照组(实验期间不调整)pH）。分为强化水解阶段和酸化发酵阶段。强化水解阶段：在纯氮气吹脱条件下，将2装入所有发酵罐中L4.膜混凝土污泥mol/L盐酸将R1和R2中污泥初始pH分别调为2和4，4mol/L NaOH溶液将R4～R7中污泥初始pH分别调为9、10、11和12；反应0.5 h污泥取样测定后SCOD、PO43--P浓度。酸化发酵阶段：强化水解阶段结束后，进入酸化发酵阶段，利用膜混凝土污泥中原微生物酸化发酵水解产生的有机物，每天检测反应器中的污泥pH、SCOD、PO43--P、乙醇、有机酸（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和乳酸等）的变化情况，实验结束后，测量反应器中的气体组分和污泥的总固体（TS）挥发性固体（VS）含量。

02 结果与讨论

2.1 强化膜混凝示范工程运行效果

在示范工程中，虽然强化膜混凝设备的进水量COD大波动(235).9±105.9）mg/L］，但出水COD基本稳定在50mg/L以下［（42.4±7.2）mg/L去除率为82%；设备对TP也有很好的去除效果，出水TP为（0.48±0.19）mg/L，去除率超过85%，但设备对NH4 -N去除效果有限，去除率约为28%。去除方法主要是活性炭和膜表面泥饼层的吸附和截留。

强化膜混凝设备产生的污泥性能如表1所示，COD和TP含量远高于文献报道的含铝盐混凝剂的初沉污泥。因此，膜混凝土污泥具有更大的碳磷资源回收潜力。此外，膜混凝土污泥SCOD和PO43--P含量很低，说明污泥中的碳磷大多以悬浮和胶体的形式存在，很难直接回收碳磷。

2.3 酸化发酵效果

2.3.1 酸化发酵性能

不同初始pH膜混凝土污泥的酸化发酵性能如图2所示，包括污泥SCOD、PO43--P和pH反应器中的气体成分随发酵时间的变化而变化。

从图2（a）可以看出，对照组反应器R3中的SCOD碱预处理反应器在发酵过程中一直处于值（R4～R7）中的SCOD均高于酸预处理反应器（R1、R2）。碱预处理反应器SCOD均在第1天达到值，分别为1610、3348、5641和10885mg/L，然后逐渐下降，趋于稳定。导致强化水解过程的持续作用SCOD微生物发酵作用在天达到值的重要原因逐渐突出，SCOD因为转化为有机酸，CO2、CH4与H降低2等物质。

2.3.第二节将详细讨论发酵过程中有机酸的产量和成分，发酵实验后检测到的有机酸的产生和气体成分见图2（d）上述推测已得到证实。酸化发酵过程中产生的有机酸作为污泥碱度pH它起到缓冲作用，从而导致酸预处理反应器pH提升和碱预处理反应器pH降低［见图2（c）］，逐渐适合发酵微生物的生长。然而，这种缓冲对反应器有影响R1（pH=2）和R7（pH=12)影响非常有限，这两个反应器在第五天仍然保持强酸或强碱环境见图2（c）这会抑制微生物特别是甲烷古菌的代谢活性。因此，与其他反应器相比，反应器在发酵结束时R1和R7中甲烷含量见图2（d）］。

在酸化发酵阶段，反应器R2（pH=4）与R3.PO43--P含量一直保持在水平见图2（b）］。反应器R1（pH=2）的PO43--P释放效果非常显著，天达到值191.3 mg/L，然后开始下降。反应器R4（pH=9）、R5（pH=10）、R6（pH=11）中的PO43--P含量逐渐下降。PO43--P污泥含量下降的主要原因是污泥pH变化使原本溶出的变化PO43--P重生不溶物。值得注意的是，反应器R1，尤其是R7，它们的pH在酸化发酵过程中变化不大，因此污泥从反应器中释放出来PO43--P保持在较高水平，第五天分别达到118.3和154.0mg/L。

2.3.2 酸化产物特性

不同初始pH见图3。与对照组（R三、酸预处理组（R1、R2)与碱预处理组相比，碱预处理组（R4~R7)酸化产品总量普遍较高，与图2相比（a）的SCOD结果一致。反应器R6（pH=11)酸化发酵效果，第二天酸化产品产量值3 419.6mg/L，酸化率高达77.0%。

不同初始pH随发酵时间的变化，见图4。反应器R2、R5和R6终酸化产物组成相似，但变化过程不同。反应器R2和R6异丁酸在发酵初期积累，然后异丁酸的比例开始下降，乙酸的比例增加，表明异丁酸在发酵微生物的作用下开始转化为乙酸，终各成分的比例趋于稳定。反应器R根据反应器中的气体成分见图2（d）可以看出，这可能是由于部分乙酸转化为甲烷。反应器R1和R3.酸化产品产量很低(见图3)。与其他反应器不同，乳酸在终酸化产品中所占比例较高。反应器R4.乙酸在整个过程中的比例非常低，结合反应器的气体组分见图2（d）可以看出，在反应器中的丙酸和丁酸继续转化为乙酸后，它们再次被产甲烷菌利用，丁酸比丙酸更容易转化为乙酸，导致反应器R终酸化产物中丙酸的比例较高。反应器R7正丁酸在第三天开始积累，属于典型的丁酸发酵过程，可以推断为高pH条件有利于丁酸发酵。

2.4 膜混凝污泥资源化潜力分析

资源化处理是我国农村生活污水处理领域的重要技术导向。这里提到的资源化不仅包括水资源，还包括碳、氮、磷等污水资源。好氧曝气是导致污水处理行业高能耗、高碳排放的重要因素之一。本研究应用的化学强化一级沉淀技术和强化膜混凝技术是污水中碳磷资源快速捕获的类似物化技术，为后续碳磷资源的回收提供了良好的基础。强化膜混凝技术产生的污泥COD和TP含量分别达到(26645).6±7116.1）、（480.9±238.2）mg/L，化学强化一级沉淀污泥的4倍左右，资源化潜力更大。

膜混凝土污泥的回收不仅包括污泥中有机物和磷的回收，还包括污泥终产品的利用。在有机物利用方面，用方面SCOD达到了10885mg/L（pH=12)酸化产品产量达到3419.6mg/L（pH=11)不仅可以作为污水处理厂深度脱氮的反硝化替代碳源，还可以作为微生物甲烷化的原料，以沼气的形式回收有机物资源。磷回收，Bi等和Chen磷酸盐通过磷酸铵镁法从碱预处理的剩余污泥和化学强化一级沉淀污泥中回收。本研究中的膜混凝土污泥在初始阶段pH磷酸盐含量分别为磷酸盐含量分别为105.8和122mg/L，磷酸盐含量明显高于上述文献，磷回收潜力好。在污泥的终产品利用方面，厌氧消化技术可以首先稳定污泥，然后可以在附近用于农村景观绿化，补充土壤营养元素，提高土壤环境质量，但需要进一步研究膜混凝土景观利用的适宜性和潜在风险。

03 结论

① 在农村生活污水处理示范工程中，强化膜混凝设备的水力停留时间为60 min去除80%以上的条件COD和TP，出水COD低于50mg/L，出水TP低于0.5mg/L，污泥中COD和TP含量分别达到(26645).6±7116.1）mg/L和（480.9±238.2）mg/L，资源化潜力好。

② 当污泥初始时，酸预处理可以加强膜混凝土污泥中磷酸盐的释放pH调为2时，在0.5h内PO43--P释放倍数为117倍，有机物释放倍数仅为3倍左右；碱预处理可促进污泥初始时有机物和磷酸盐的同步释放pH12:00，磷酸盐和污泥水解后SCOD含量可分别达到122和5214.5mg/L。

③ 释放酸碱预处理SCOD污泥中的微生物可以进一步转化，产生的有机酸会导致污泥pH改变中性方向，促进微生物酸化发酵过程，使溶解的磷酸盐再生不溶物；当污泥初始时pH酸化发酵效果，酸化产品产量在第二天达到值(3419.6mg/L），酸化率高达77.0%，乙酸约占终发酵产品的50%。

④ 强化膜混凝技术可以快速收集农村生活污水中的碳资源。富碳磷污泥可以在有机物和磷回收的基础上用于园林绿化，但需要进一步评估其适宜性和潜在风险。

来源：中国给水排水

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