多种两段缺氧A3O-MBR工艺在污水处理工程中的应用

祝君乔，蒋岚岚，梁 汀，程 文，张万里，胡 邦

（1.无锡新区市政公用事业管理处，江苏无锡 214000；2.无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072）

0 引言

随着对污水排放标准的提高以及膜成本和能耗的降低，MBR工艺由于出水水质优良、可直接回用和节省占地等优点使其在污水处理方面的应用进入高速发展时期。

对于城市污水处理，难点是脱氮除磷，目前已有众多传统脱氮除磷工艺被应用到MBR系统的生物处理段中，最普遍的是A2/O工艺[1]。但是，它也存在其固有的缺陷，主要是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争[2]。为此，在A2O-MBR工艺的基础上开发出了多种两段缺氧的A3O-MBR工艺。本文结合设计采用A3O-MBR工艺的5座城镇污水处理厂工程，就工程应用中的生物段内部流程、进水方式、回流方式以及脱氮除磷机理等方面进行分析探讨。

1 两段缺氧的A3O-MBR工艺原理

1.1 两段缺氧的基本原理

传统的生物脱氮工艺通常采用前置反硝化或后置反硝化来实现氮的去除，而设置了厌氧、缺氧和好氧反应器的A2O工艺则可以实现同步除碳和脱氮除磷功能。两段缺氧的A3O工艺是指在传统的A2O工艺中增设一级缺氧池，它是一种强化内源反硝化和生物除磷的新型工艺，由于MBR工艺的高浓度活性污泥和生物多样性等特性，使得两段缺氧技术在MBR的生物处理段中得到应用。

1.2 MBR工艺开发两段缺氧的理论依据

（1）由于MBR系统的MLSS较高，以SRT计算确定的生物池的容积较小，相应的所需总HRT较短。因此，如果考虑到系统有较高的硝化和反硝化处理效果要求时，必须对系统内的各段水力停留时间进行重新分配。

（2）由于MBR工艺的泥龄通常较传统工艺长，较长的泥龄会使内源代谢物质增多，若MBR中积累一定量的溶解性微生物产物(Soluble Microbial Products,SMP)，不但会加速膜污染，还会导致出水水质变差[3]，因此，要充分考虑对MBR中产生的内源代谢物质的利用。

（3）为了控制膜表面污堵，通常采用大量的空气来擦洗膜丝，使得膜池内的溶解氧极高，通常其DO值可达8～10 mg/L[4]。依靠膜池的好氧环境保障出水，使得后置缺氧成为可能。

（4）MBR工艺用膜分离代替了传统活性污泥法中的二沉池，并采用抽吸方式出水。因此，在MBR工艺中无传统意义的污泥回流，通常是将膜池的混合液进行回流，即将污泥回流与硝化液回流合并。考虑到回流液中硝态氮对聚磷菌的抑制，使得预缺氧成为一种选择。

（5）由于将污泥回流与硝化液回流合并，使得系统的回流比较大。同时，因为膜池的溶解氧较高，不宜直接将混合液回流至缺氧区，必须经由好氧区回流，为减少各段之间的总回流比，两段缺氧的生物段布置须进行优化调整。

2 各种两段缺氧的A3O-MBR工艺形式比较分析

目前在MBR工艺中采用的两段缺氧A3O-MBR工艺主要有以下 4种形式：（1）A2O/A-MBR；（2）A(2A)O-MBR；（3）A/A2O-MBR；（4）倒置A2O/A-MBR。下面从内部流程、进水方式、回流方式和脱氮除磷机理等4个方面对这4种形式的A3O-MBR工艺进行比较分析。

2.1 内部流程的比较

2.1.1 A2O/A-MBR工艺

A2O/A-MBR工艺的内部流程依次为厌氧、第一缺氧、好氧、第二缺氧和膜池，其特点是在传统A2O工艺后再设一级后置缺氧池，最后再利用膜池的好氧曝气作用保障出水。其内部流程见图1。

图1 A2O/A-MBR工艺内部流程图

2.1.2 A(2A)O-MBR工艺

A(2A)O-MBR工艺的内部流程依次为厌氧、第一缺氧、第二缺氧、好氧和膜池，其特点是在传统A2O工艺中设置了两段缺氧区，通过控制进水与回流点调节两段缺氧区的功能。其内部流程见图2。

图2 A(2A)O-MBR工艺内部流程图

2.1.3 A/A2O-MBR工艺

A/A2O-MBR工艺的内部流程依次为第一缺氧、厌氧、第二缺氧、好氧和膜池，其特点是在传统A2O工艺前增设一段预缺氧池，预处理后的污水首先按比例分配流量分别进入第一缺氧区和厌氧区，然后依次重力流入第二缺氧区、好氧区和膜池，最后通过膜过滤抽吸出水。其内部流程见图3。

图3 A/A2O-MBR工艺内部流程图

2.1.4 倒置A2O/A-MBR工艺

倒置A2O/A-MBR工艺的内部流程依次为第一缺氧、厌氧、好氧、第二缺氧和膜池，其特点是在倒置A2O工艺后增设一级后置缺氧池，是A2O/A-MBR工艺的改进工艺。其内部流程见图4。

图4 倒置A2O/A-MBR工艺内部流程图

2.2 进水方式的比较分析

早期开发的A2O/A-MBR工艺采用的是单点进水的方式，全部原水进入厌氧区，如图1所示。后开发的三种两段缺氧A3O-MBR工艺都采用了两点进水方式以增加系统运行的灵活性，即在生物池前设置进水分配渠道和分配调节堰，污水进入到分配渠道后，通过两套调节堰门可以将原水按照一定比例分配到厌氧区和第一缺氧区，从而选择优先满足生物脱氮还是生物除磷对进水碳源的需要，如图2～图4所示。并且，各区的分配比例还可以根据不同水质、不同季节条件下及生物脱氮和生物除磷所需碳源的变化进行灵活调节。

2.3 回流方式的比较分析

MBR工艺中为了形成足够的水力剪切作用，防止膜污染，同时也为了物料平衡和减少各区功能的相互干扰，一般需设置多级回流。在早期的城镇污水处理工程的MBR工艺中，大多采用从直接膜池回流硝化液到缺氧区的方式。实践表明，通常膜池回流的混合液中溶解氧含量很高，富氧混合液直接回流至缺氧区会破坏缺氧区的反硝化环境。目前，绝大多数的MBR工艺均采用分步回流的方式，即膜池的富氧混合液先回流至好氧区，一方面可以使溶解氧得到充分利用，在一定程度上补充好氧区的供氧量，降低能耗；另一方面可以减少对缺氧区功能的干扰。

在生物处理段，各种两段缺氧A3O-MBR工艺采用了不同的回流方式，分述如下。

（1）A2O/A-MBR采用的是二级单点回流，一级是好氧区混合液回流至第一缺氧区，回流比为300%～400%；二级是从第二缺氧区回流至厌氧区，回流比为100%～200%。

（2）A(2A)O-MBR采用的是二级两点回流，一级是好氧区混合液分别回流至第一缺氧区和第二缺氧区，总回流比为350%；二级是从第一缺氧区回流至厌氧区，回流比为200%。

（3）A/A2O-MBR采用的是单级两点回流，为好氧区混合液回流，分别回流至第一缺氧区和第二缺氧区，总回流比为350%。

（4）倒置A2O/A-MBR采用的是单级单点回流，为好氧区混合液回流至第一缺氧区，回流比为300%。

对比这4种工艺的回流方式可以发现，采用预缺氧的A/A2O-MBR和倒置A2O/A-MBR工艺的生物段的回流只有一级，因为厌氧区位于预缺氧区之后，其污泥浓度可由回流至预缺氧区的混合液保证。采用后置缺氧的A2O/A-MBR和倒置A2O/A-MBR工艺的回流点只有一处，即第一缺氧区，因为第二缺氧区位于好氧区之后，直接由好氧区顺水流流入，无需再从好氧区回流硝化液。总体而言，倒置A2O/A-MBR工艺由于将第一缺氧区前置，减少了一级回流（缺氧I至厌氧），并增设了后置的第二缺氧区，减少了一点回流（好氧至缺氧II），大大节省了能耗和运行成本。

2.4 脱氮除磷机理的比较分析

在MBR工艺中，由于高活性污泥浓度、专性菌种的形成以及膜屏障的截留作用等因素，使系统对有机物的处理效果很好，但是脱氮除磷的效果受限于进水有机碳源和回流比等因素提高不易。总体而言，各种采用两段缺氧工艺的主要目的均是为了强化脱氮除磷，但在机理上有所不同，分述如下。

（1）A2O/A-MBR工艺通过设置后置缺氧段，主要解决进水碳源不足而导致反硝化不充分的问题，使好氧区残留的硝酸盐在反硝化菌作用下，继续以微生物的胞内储存物质及细胞死亡后溶出的有机成分作为碳源进行脱氮[5]。此外，经由后置缺氧池回流到厌氧池的混合液循环设置，最大程度地保证了厌氧环境，有利于厌氧池的释磷过程。

（2）A(2A)O-MBR工艺设置了两段缺氧区（第一缺氧区和第二缺氧区）。在第一缺氧区内，从好氧区回流的NO3-完全被还原，实现完全反硝化；而在第二缺氧区内，由于连续长时间的缺氧，可以实现内源反硝化，进一步地去除了污水中的硝态氮，节省外加碳源的投加[6]。同时，由于好氧区的硝化液回流采用两点回流，两者之间的流量比例通过回流渠道和调节堰来分配，这样可以灵活调节两段缺氧中回流的硝酸根，有利于充分利用内碳源。

（3）A/A2O-MBR工艺设置了前置的预缺氧区，第一缺氧池利用进水碳源和回流硝化液进行快速反硝化，接着混合液进入厌氧池进行厌氧释磷。将厌氧区放在第一缺氧区之后，由于回流液中的硝态氮被充分反硝化，减少了其对聚磷菌的抑制，提高除磷效果。在第二缺氧池再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液进一步反硝化脱氮。

（4）倒置A2O/A-MBR工艺为 A2O/A-MBR的改进工艺，综合了预缺氧和后置缺氧的双重优势，从进水有机碳源的充分利用和合理分配、聚磷菌的绝对厌氧环境的构建、溶解氧的利用和分布、内源代谢产物的有效利用、总回流比的量等多方面均得到了优化配置，系统提高了脱氮除磷的能力。

3 工程实例介绍

采用两段缺氧的A3O-MBR工艺的5座城镇污水处理厂工程的生物段形式、进水方式、回流方式、生物段工艺参数的设计情况如表1所示。

4 结语

随着MBR在污水处理中的应用越来越多，相关的应用技术也在不断开发。在多座MBR工艺城镇污水处理厂工程中，针对膜分离的特点，采用了多种两段缺氧的A3O-MBR工艺，将两段缺氧生物处理技术和膜过滤技术有机结合，可以起到强化脱氮除磷的作用，提高系统的总体去除率，尤其是对于低碳源、高处理标准的污水处理厂而言实用意义较大。

本文结合设计采用两段缺氧A3O-MBR工艺的5座城镇污水处理厂工程，就工艺原理、开发依据进行了介绍，并就工程应用中的生物段内部流程、进水方式、回流方式、脱氮除磷机理等方面进行了比较分析，以期为今后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

表1 5座两段缺氧A3O-MBR类污水处理工程实例介绍

[1]蒋岚岚，胡邦，张万里，等.MBR工艺在太湖流域污水处理工程中的应用[J].给水排水.2011，37（1）:14-18.

[2]孙孝龙，蒋文举，张进，等.改良A2/O工艺预缺氧池中的脱氮作用和机理[J].环境科学与技术，2009，32（12）:138-141.

[3]曹斌，袁宏林，王晓昌，等.膜生物反应器设计中工艺参数的探讨[J].环境工程，2004，22（5）:24-26.

[4]蒋岚岚，张万里，梁汀，等.两段缺氧A(2A)O-MBR工艺污水处理系统降解特性研究[J].水处理技术，2013，39（1）:93-96.

[5]董良飞，刘姗，周铭威，等.MBR工艺在无锡三座城市污水厂中的应用分析[J].中国给水排水，2012，28（4）:20-23.

[6]董良飞，郗晓敏，余海静，等.MBR组合工艺脱氮除磷研究进展[J].中国给水排水，2010，26（4）:24-28.