本研究主要对比考察MBR及BAF工艺对某城市污水处理厂二级生化处理出水进一步深度处理的污染物去除效果和运行特性，并进行2种不同工艺的技术经济比较，为实际污水回用处理工程设计过程中的工艺优选提供技术依据。
1材料与方法
1.1进水水质与水量
本试验进水为某污水处理厂生化反应池出水，处理水量为10～20m3˙d-1。由于试验期间处于气温较低的冬季(水温：3～8℃,平均为5℃)，该出水水质略差于城镇污水处理厂污染物排放标准一级B(GB18918-2002)排放标准，具体水质参数见表1。
1.2工艺流程
本试验分别采用MBR和BAF二种处理工艺并联运行，作为两级反渗透(RO)工艺的预处理，对生活污水进行深度处理后回用作锅炉补给水。MBR和BAF可以降低RO进水中的污染物含量，保证后续工艺的稳定运行，最终达到污水回用标准。
整体工艺流程如图1所示。
1.3主要设备及构筑物
1.3.1MBR系统
MBR的设计处理量为10～20m3˙d-1。反应池规格为L×B×H=2.0m×1.2m×3.0m，碳钢防腐，内设3个膜组件。鼓风机为百事得回转式鼓风机(1用1备)，风量0.3m3˙min-1，风压50kPa，功率0.55kW。抽吸泵选用粤华抽吸泵(1用1备)，流量0～2.4m3˙h-1，扬程12～35m，最大负压80kPa，功率0.37kW。在线清洗泵采用隔膜泵，流量为3.5m3˙h-1，扬程为30m，功率为1.5kW。膜组件参数为：(1)膜材料：PVDF;(2)中空纤维膜内/外径(mm)：0.85/1.45;(3)截留分子质量(道尔顿)：150000;(4)单膜有效膜面积：10m2;(5)设计通量：10～20L˙h-1˙m-2;(6)有效膜长×膜宽：1500mm×790mm。装置运行由PLC自动控制。
1.3.2BAF系统
BAF设计处理量为20m3˙d-1。反应池规格为L×B×H=1.0m×1.0m×3.0m，碳钢防腐。曝气鼓风机为百事得回转式鼓风机，风量0.3m3˙min-1，风压50kPa，功率0.55kW。反洗风机风量1.1m3˙min-1，风压50kPa，功率1.5kW。生物滤料采用火山岩生物滤料，滤料高度取1.5m。
2工艺设计和运行特点
2.1MBR系统
MBR通过自吸泵抽吸作用出水，出水采用间歇出水方式，出水9min、停止3min。BOD5容积负荷为0.1～0.2kg˙m-3˙d-1，停留时间为6～10h。系统稳定后，活性污泥MLSS在5500～6100mg˙L-1之间。穿孔曝气充氧，氧利用率约5%。由于曝气作用不仅在于提供生化反应所需氧气，在反应池中，曝气槽中供给的空气直接吹气到膜上，摇动膜进行清洗的同时，利用曝气形成的活性污泥流进行膜清洗。膜下部产生的曝气在膜组件内部产生向上流，使用向上流和空气气泡同时清洗膜组件。因此设计曝气量应远大于常规的活性污泥法。设计曝气量为100～140m3˙h-1˙m-2膜投影面积。
MBR用在线清洗和离线清洗2种方式进行清洗。MBR运行约3个月进行1次在线清洗，清洗用药剂为次氯酸钠，活性氯质量浓度约为3000mg˙L-1，在线清洗药液量为2L˙m-2膜面积+配管内部容量。离线清洗药液为：次氯酸钠(3000mg˙L-1)和氢氧化钠水溶液(质量分数4%)，使用的药液量为能浸没膜组件。
2.2BAF系统
因进水浓度较低，BAF池容积负荷按氨氮负荷计算，NH3-N容积负荷为：0.1kg˙m-3˙d-1，水力停留时间4～6h。曝气空气用量为50～70m-3˙kg-1。采用穿孔曝气系统，穿孔管采用UPVC材质，设置在距滤料层地面以上约0.3m处，使滤料层的底部有一小段距离内不进行曝气，不受空气的扰动，保证有更好的过滤效果。
BAF的反洗周期由水头损失所决定。当滤料层的水头损失随着时间不断增加，必须进行反冲洗，清除滤层中多余的固体物质，恢复滤池的过水能力。采用气水联合反冲洗的方式，也可单独进行无气反冲。滤池的工作周期为2部分：运行段以及反冲洗段。运行过程可利用PLC可编程控制器在中央控制机内根据工况条件随时设定，反冲洗过程手动进行。水冲洗强度6～10L˙m-2˙s-1，气反冲强度为12～20m3˙m-2˙s-1，一次反冲时间10～20min。
3运行效果分析
3.1系统启动阶段
MBR接种污泥取自某生活污水处理厂二沉池的回流污泥(MLSS约6100mg˙L-1)，污泥外观呈棕褐色。在驯化阶段，进水采用部分污水加营养物质的方式，处理水量逐步递增。经过两周左右的培养，活性污泥生长良好，出水水质稳定，认为驯化已成功。
BAF的启动采用相同的活性污泥进行接种。由于接种活性污泥中生物量浓度较高,有利于固定床生物膜反应器中的生物量的稳定生长，挂膜速度较快。首先将污泥打入曝气生物滤池，在不进水的情况下曝气2d，之后不断提高进水流量，并向废水系统内投加适当营养盐，一周后BAF中火山岩滤料表面颜色由黑褐色转为黄褐色，继续提高进水负荷，10d后滤料表面黄褐色膜明显增加，而且COD的去除率达到稳定，此时，认为BAF中微生物的培养驯化成功。
3.2处理效果比较
经过40d的连续运行及进出水水质分析，对MBR和BAF对主要污染物的去除效果总结如表2和表3所示。
通过表2和表3可以看出，MBR出水水质可以稳定达到国家标准城市污水再生利用工业用水水质标准(GB/T19923-2005)中有关再生水用作锅炉补给水的水质要求。而BAF的出水水质不稳定，有些出水水质指标不能达标，如：出水中NH4+-N的平均质量浓度为16.62mg˙L-1，不能达到GB/T19923-2005标准中再生水用作锅炉补给水的水质要求。
3.2.1有机物的去除
尽管试验阶段平均温度只有5℃，生化处理能力低，且进水水质变化很大(进水COD30～197mg˙L-1)，但2种工艺对有机物的去除均有良好的效果，COD的平均去除率分别可以达到75%、70%，BOD5的去除率分别为92%、78%。相比较而言，在本试验中，MBR对有机物处理效果和处理稳定性均优于BAF，MBR绝大多数天数的出水值在20mg˙L-1以下，同时去除率稳定在65%～80%。因此，MBR在低温及进水水质变化较大的情况下，仍有较好的污染物处理效果，表现出较强的抗冲击负荷能力。
3.2.2氮磷的去除
根据过去的研究，MBR和BAF对TP的去除效果较差。但本试验结果表明，2种工艺对TP均有一定的去除效果，而且平均去除率均高于80%，分析原因，可能是由于进水SS很高，大多数磷存在或者吸附与污泥固体中，水相中TP含量很低，而MBR和BAF对SS均具有良好的去除能力，因此两者对TP也有较好的去除。
在本试验中，MBR对NH4+-N的去除率明显高于BAF，MBR对NH4+-N的去除率稳定在90%～99%之间。而BAF对NH4+-N的去除效果不佳，可能是由于气温低，硝化细菌较难在滤料上生长，而在MBR反应器中更容易适应。
3.2.3悬浮固体的去除
MBR反应器具有良好的除浊能力。本试验所采用的超滤膜孔径很小(孔径0.02μm)，截留分子量较低(150000道尔顿)，在进水的SS相对较高(平均质量浓度约为34mg˙L-1)，而且相对不稳定(10～99mg˙L-1)的情况下，MBR出水SS接近于0。
BAF对SS的去除主要依靠滤料的过滤作用，相对超滤膜的截留作用，BAF对SS去除效果相对较差。
3.2.4MBR反应器中的膜污染
通常采用跨膜压差(Transmembranepressure，TMP)来表征膜污染的程度，污染物在膜表面的积累造成跨膜压差的增长。为了减缓膜污染，试验膜组件采用帘式结构，膜丝排布稀疏且膜丝松弛，保证膜丝可以自由运动，3组膜帘留有一定空间，膜帘放置距离保证膜丝之间有空间能相互摩擦碰撞，以实现在线机械清洗作用，膜组件下方设有穿孔曝气管，形成膜表面水气流的错流流速，错流方式也有助于减缓膜污染。
MBR运行期间对TMP进行了连续监测，结果表明，TMP的增长趋势较为缓和，在运行的40d中，平均日跨膜压差增长趋势为0.00032MPa˙d-1，膜抗污染程度较强。
4技术经济分析
4.1MBR
根据主要设计参数，MBR的处理水量为15m3˙d-1。污水主要处理费用主要为动力费(电费)和清洗时所消耗的药剂费用。
动力费：运行设备中，包括自吸出水泵，鼓风机的日常运行，同时考虑每季度反洗时所用的反洗泵，以及一些自控设备的日常电耗。估算MBR的日常电耗约为22kWh˙d-1，总电耗为1.467kWh˙m-3，计电费为0.55元˙kWh-1，电费为0.807元˙m-3。
药剂费：所消耗的药剂主要为次氯酸钠(计600元˙t-1)和氢氧化钠(计3000元˙t-1)。根据膜生产商的建议，每3个月进行1次在线清洗，每半年1次离线清洗。总药剂费为0.012元˙m-3。因此，MBR运行过程中，运行费用约为0.82元˙m-3。4.2BAF
根据设计参数，曝气生物滤池的处理污水量为20m3˙d-1。主要处理费用主要为日常运行的电费。
BAF的主要耗电设备为鼓风机同时考虑每季度反洗时所用的反洗泵(功率为1.5kW)，反洗鼓风机，污水厂运行中的潜污泵电耗，以及一些自控设备的日常电耗，计日常电耗为20kWh˙d-1，电价计为0.55元˙kWh-1，即BAF电费为0.55元˙m-3。由于BAF运行过程中不需要药剂清洗，因此药剂费用忽略。因此，BAF运行总费用即为运行电费，为0.55元˙m-3。由于中试试验处理量较小，因此在实际工程应用中，吨水处理费用会比本计算结果有一定程度的降低。
5结论
MBR和BAF工艺用于污水深度处理时，均有较高的污染物去除效果，相比而言，MBR工艺对污染物的去除效果优于BAF，对COD、BOD5、NH4+-N、TP和SS的去除率分别可以达到75%、92%、95%、90%、93%，且处理效果稳定，耐冲击负荷强。而BAF对COD、BOD5、NH4+-N、TP的去除率仅为70%、78%、29%和82%。
MBR工艺处理污水的运行费用略高于BAF工艺，且该工艺处理效果优良、出水稳定、占地面积少、维护管理方便，因此，在以污水回用为目的的实际工程中推荐采用MBR工艺。
