生活污水中含有大量有機物和營養物質，若未經有效處理直接排入天然水體會導致水體的富營養化，另外也會造成水資源的巨大浪費。因此，條件許可情況下應考慮對生活污水進行再生利用處理。在眾多處理技術中，膜生物反應器(MBR)具有處理效率高、出水水質好、占地面積小、剩余污泥少等優點[1, 2, 3]，近年來引起人們的廣泛關注。
為進一步提高MBR的處理效能，筆者擬在常規膜生物反應器(MBR)的曝氣池中種植水生植物，將MBR改造為生態式膜生物反應器(EMBR)[4]，并采用EMBR處理生活污水 ，以去除水中的有機物和營養物質。
1 材料與方法
1.1 試驗裝置
EMBR曝氣池的尺寸為1 500 mm×667 mm× 2 000 mm，有效容積為2 m3。反應器處理能力為200 L/h，水力停留時間(HRT)為10 h，污泥停留時間(SRT)為10 d。在曝氣池的水面上放置塑料泡沫，利用塑料泡沫固定、種植水生植物，試驗種植的水生植物為蘆葦。在曝氣池一側安裝PVDF中空纖維膜組件，膜孔徑為0.2 μm。采用蠕動泵抽吸出水，運行方式為開8 min、停2 min。膜出水管上安裝真空表，當真空表壓力到達20 kPa時停止運行，對膜組件進行清洗。膜組件下方安裝曝氣頭，提供微生物進行新陳代謝所必需的溶解氧，并利用氣泡沖刷膜絲表面，控制膜污染。EMBR的工藝流程如圖1所示。
圖1 EMBR工藝流程
1.2 試驗方法
采用EMBR處理某居民小區生活污水，每周從進水管和膜出水管中各取樣3~4次，檢測指標為COD、BOD5、NH3-N、TN和TP，試驗周期超過3個月。將試驗結果與曝氣池中未種植水生植物的MBR進行比較，對EMBR去除有機物及營養物質的效能進行研究。
試驗期間，曝氣池內水溫介于16.5~22.8 ℃，DO為(1.0±0.2) mg/L，膜通量為10 L/(m2·h)，蘆葦生物量約為7 510 g/m2，蘆葦根系附著的生物膜量約為 1 470 mg/L。曝氣池內MLSS為3 670~3 810 mg/L，MLVSS為2 530~2 604 mg/L。試驗期間原水水質情況見表1。
1.3 檢測項目及方法
COD采用重鉻酸鉀法測定，BOD5采用生化需氧量標準法測定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定;TP采用鉬銻抗分光光度法測定，MLSS、MLVSS采用重量法[5]測定。DO用溶解氧儀測定，pH由pH計測定。
生物膜量的測定：取出所有蘆葦，將根系上附著的生物膜清除下來，烘干、稱重，所得質量與曝氣池有效容積的比值即為生物膜量。蘆葦生物量的測定：清除根系附著的生物膜后，將蘆葦置于室溫下晾至表面附著水消失，此時蘆葦稱重所得質量與曝氣池有效平面面積的比值即為蘆葦的生物量。
2 試驗結果與討論
2.1 對COD的去除效果
試驗期間MBR和EMBR對COD的去除效果均較為穩定，其中MBR對COD的去除率介于87.3%~92.8%，平均去除率為90.2%，EMBR對COD的去除率介于93.2%~97.2%，平均去除率為95.7%，可見EMBR對COD的去除效果明顯優于MBR(見圖2)。
?圖2 MBR與EMBR對COD的去除效果
2.2 對BOD5的去除效果
生活污水的可生化性較好，試驗期間MBR和EMBR對BOD5均表現出良好的去除效果，且去除效果均較為穩定。其中MBR對BOD5的去除率介于88.2%~93.8%，平均去除率為91.1%，而EMBR對BOD5的去除率介于94.1%~98.8%，平均去除率為97.3%。很明顯，EMBR能夠在MBR的基礎上進一步去除生活污水中的BOD5(見圖3)。
圖3 MBR與EMBR對BOD5的去除效果
2.3 對NH3-N的去除效果
由于膜分離技術的介入，MBR的HRT與SRT相分離，反應器可在較低的HRT與較高的SRT條件下運行，而較高的SRT有利于硝化細菌的生長，可提高反應器對氨氮的去除效果。考察了MBR與EMBR對NH3-N的去除效果，如圖4所示。
圖4 MBR與EMBR對NH3-N的去除效果
由圖4可知，MBR和EMBR均表現出良好的去除氨氮的效果，兩者對NH3-N的去除率均超過90%。其中MBR對NH3-N的平均去除率為92.8%，而EMBR對NH3-N的平均去除率為97.3%。
2.4 對TN的去除效果
一般而言，生物脫氮過程可分為2個步驟，第1個步驟是在好氧條件下的硝化反應過程，第2個步驟是在缺氧條件下的反硝化反應過程。在普通好氧式MBR中，好氧條件下的硝化反應過程進行得較為徹底，反應器對氨氮的去除效果較好，但由于缺少缺氧環境，反硝化反應過程受到嚴重影響。因此好氧式MBR的脫氮效果較差。為了進一步提高MBR的脫氮效果，在試驗過程中將DO控制在較低的水平(1.0 mg/L左右)，期望能在活性污泥內部實現缺氧或厭氧微環境以實現同步硝化反硝化，然而從檢測結果來看，MBR的脫氮效果仍然不是很理想。MBR與EMBR對TN的去除效果如圖5所示。
?圖5 MBR與EMBR對TN的去除效果
由圖5可知，MBR對TN的平均去除率僅為38.6%，脫氮效果較差，而EMBR對TN的平均去除率為48.7%，取得了較好的脫氮效果。
2.5 對TP的去除效果
考察了MBR與EMBR對TP的去除效果，如圖6所示。
圖6 MBR與EMBR對TP的去除效果
生物除磷過程也需要2個步驟，一個是厭氧條件下聚磷菌的釋磷過程，另一個是好氧條件下聚磷菌的吸磷過程。由圖6可知，MBR和EMBR均取得了良好的除磷效果，分析其原因應該與DO濃度較低、SRT較小有關，DO較低有利于在活性污泥內部和反應器局部形成厭氧微環境，而SRT較小則有利于及時排除高磷污泥。另外，試驗結果同時顯示EMBR的除磷效果稍優于MBR，MBR對TP的平均去除率為76.2%，而EMBR對TP的平均去除率為79.3%。
2.6 討論
水生植物能夠有效去除水中的有機物及營養物質。魏東慧等的研究結果表明，水田薺對TN、TP、NH3-N、COD的去除率分別為75.28%、93.00%、76.35%、83.74%，燈芯草對TN、TP、NH3-N、COD的去除率分別為89.30%、83.11%、83.41%、78.56%[6]。常會慶等的研究結果表明，伊樂藻對TN、TP、COD的去除率分別為62.9%、71.21%、43.33%，黃花水龍對TN、TP、COD的去除率分別為93.56%、97.74%、52.49%[7]。魏曉慧等的研究結果表明，蘆葦對TN、TP、NH3-N、COD的去除率分別為66.82%、53.15%、25.57%、50.57%[8]。
水生植物去除有機物及營養物質的作用機理主要包括以下幾種：(1)植物的吸收作用。水生植物可以直接從水體和底泥中吸收氮、磷，并將其同化為自身的結構組成物質。(2)微生物的降解作用。水生植物根系發達，比表面積較大，在根系表面可以附著生長生物膜，對有機物進行生物降解。(3)吸附、沉降作用。水生植物的根系表面可以吸附或黏附水體中的膠體[9]，從而起到去除污染物的作用。另外，水生植物在光合作用過程中可通過離子交換吸附以及自身的分泌物對一些礦質元素(如Zn)起到螯合沉積作用[10]。
EMBR中不僅有活性污泥，在蘆葦根系表面還附著相當數量的生物膜，微生物總量約為MBR的1.3倍，因此，EMBR具有很強的生物降解能力，能夠在MBR基礎上進一步去除COD和BOD5;由于生物膜的SRT比活性污泥長，更有利于世代周期長的硝化細菌的生長，因此EMBR的硝化能力比MBR強;在DO濃度較低的情況下，EMBR不僅能夠在活性污泥內部形成厭氧微環境，還能在生物膜內部形成厭氧微環境，從而提高反應器的反硝化能力，進而提高脫氮效果;EMBR對TP去除率的提高可能與生物膜上附著微生物的同化作用有關[11, 12]。另外，蘆葦的吸收作用也是去除有機物及營養物質的原因之一。蘆葦通過同化作用吸收有機物和營養物質合成自身的組成物質，最終達到凈化污水的目的。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結論
(1)EMBR能夠有效去除有機物及營養物質，對COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為95.7%、97.3%、97.3%、48.7%、79.3%。
(2)EMBR處理效能的提高應該主要歸功于蘆葦根系附著的生物膜，生物膜可使EMBR對有機物及氮、磷的去除能力得到提高。另外，蘆葦的同化吸收作用也是EMBR處理效能提高的原因之一。
(3)EMBR可作為分散式的小型污水再生利用裝置，對污水進行就近處理、就近回用，其處理效率高且能美化環境。在反應器運行過程中應關注水生植物的管理、收割以及在冬季的保溫。由于水生植物種植在曝氣池中，而曝氣池占地面積很小，因此水生植物的維護管理工作量不大，便于收割、易于控制。另外，由于EMBR占地面積很小，可將其因地制宜地安置于建筑物內(例如地下室中)，且由于生活污水在冬季的水溫一般也較高，水生植物在冬季的保溫工作難度不大。
