污水厂AAO-MBR处理工艺沿程运行效果分析

应林荣，党勇杰，姚云波，俞晓兵，柴杭金，刘志刚

(1.杭州余杭城西净水有限公司，浙江杭州 311121；2.同济大学城市污染控制国家工程研究中心，上海 200092)

AAO-MBR工艺是将膜分离与活性污泥结合的新型工艺，利用膜的泥水分离代替传统的重力沉淀，具有分离效果好、占地面积小等特点[1]。随着国家对污水排放标准的提高，越来越多的污水处理厂，尤其是用地紧缺的污水处理厂，在提标改造过程中会选择此工艺[2]，但其能耗较高，膜清洗药耗及除磷药剂投加量也较高[1,3-4]，在一定程度上限制了其推广应用。基于此，国内学者就AAO-MBR工艺的优化进行了研究和分析。于翔等[6]认为，将膜池回流比从3.5增加至6.6，可部分代替好氧池鼓风曝气的氧供应，从而降低能耗[5]，而多点进水的方式可以提高系统对含氮污染物的去除能力。

不同于典型的AAO工艺拥有污泥外回流和混合液内回流两套系统，AAO-MBR工艺一般有3套回流系统，即从MBR回流至好氧池、好氧池回流到缺氧池以及缺氧池回流至厌氧池，且基于MBR系统吹扫预防膜堵塞的需求，MBR系统所需风量经常超过生物需氧量，因此，AAO-MBR工艺总能耗通常较高，一旦操作不当，其生物脱氮除磷效果会变差。基于此，以杭州某AAO-MBR工艺的污水处理厂为调研对象，通过对总体运行效果和工艺单元沿程的运行效果进行分析，以期为其运行优化和节能提供参考依据和方向。

1 运行现状

杭州某污水处理厂采用AAO-MBR工艺(图1～图2)，设计规模为3万m3/d，分2组运行，其设计进出水水质指标如表1所示。出水排放标准基于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准，根据杭州市的实际情况经可研报告研究确定。该污水处理厂各单元设计参数如下：厌氧池水力停留时间(HRT)=1.5 h，混合液悬浮固体浓度(MLSS)=4 000 mg/L；缺氧池HRT=4.38 h，MLSS=4 000～5 000 mg/L；好氧池HRT=8.84 h，MLSS=5 000～5 500 mg/L；MBR采用0.1 μm的中空纤维膜，膜池HRT=1.25 h，共2组8套，MLSS=5 000～6 000 mg/L，出水方式为7 min出水，1 min停止。其回流点包括后置配水池至好氧池1、好氧池2至缺氧池1以及缺氧池1至厌氧池，剩余污泥从后置配水池内排放。另外，为保证除磷效果，在好氧池1沿程设置了3个除磷剂投加点。

表1 设计进出水水质指标

图1 工艺流程

图2 生物处理单元

2020年1月—6月，该污水处理厂日处理量为2.12万m3/d，仅为设计值的71%，出水COD、TN和TP都满足并优于设计值(图3～图5)，其中，出水CODCr低于20 mg/L的比例达到90%以上，出水TN低于10 mg/L的比例超过92%，出水TP低于0.3 mg/L的比例超过88%。但该厂进水CODCr总体偏低，平均值仅为(277.2±77.7)mg/L，超过96%的进水低于设计值400 mg/L；进水TN平均值为(37.8±9.5)mg/L，基本接近设计值45 mg/L，但仍有26.2%的进水超过设计值；进水TP浓度平均值(4.7±1.2)mg/L，高于设计值，超出设计值4.5 mg/L的比例高达64.5%。由图6可知，COD/TP明显较大(大于40的比例超过88%)，而COD/TN总体较低，低于8的比例超过57%。越高的COD/TN和COD/TP意味着生物脱氮除磷潜力越大，对比出水TN浓度，说明该系统生物脱氮效果好于预期。但由图7可知，该阶段所投加的除磷剂Al3+与进水TP的摩尔比达到4.5以上，远大于理论除磷需要量以及常规建议化学药剂投加量，其原因可能是好氧池内的污泥消耗了部分药剂[1]，也表明该污水处理厂的生物系统对磷的去除效果较单一的AAO工艺差，没有充分利用污水中的碳源进行生物除磷，基本要靠向好氧池内投加化学除磷剂而实现。此外，在实际运行过程中，其生物处理系统风机能耗为2 000～4 000 kW·h/d(根据进水水质和季节变动而变动)，而MBR系统通常达到3 200 kW·h/d，后者能耗明显高于前者。

图3 2020年1月—6月污水处理厂进出水CODCr浓度占比

图4 2020年1月—6月污水处理厂进出水TN浓度占比

图5 2020年1月—6月污水处理厂进出水TP浓度占比

图6 2020年1月—6月污水处理厂进水COD/TN和COD/TP占比

图7 2020年1月—6月污水处理厂进出水月均TP及药剂投加比例

2 全流程工况分析

基于以上现状分析，对该污水处理厂其中一组进行全流程取样检测，以确定各处理单元的处理效果和工况，便于更好的剖析现状原因。分别取厌氧进水、厌氧池中段、厌氧出水、缺氧中段、缺氧出水、好氧中段、好氧出水、4个MBR池、出水和前-后置配水池(图2)等进行相关水质和主要参数分析检测(表2)。除进水、出水和MLSS及MLVSS外，其他水样均为沉淀30 min后上清液。便携测定指标采用手持式多参数水质测定仪(YSI Professional Plus, 美国)现场测定。

表2 检测指标及方法

整个取样检测进行了7 d，期间系统的pH值基本稳定在7.0～7.1，其他检测结果如图8～图11所示。在检测过程中，进水COD、BOD5和N、P都较低(图8～图9)，小于前6个月的平均值，更远小于设计值，这与取样时间9月为多雨季节直接相关。取样期间MBR池内残留BOD5和TP都较高，分别超过10 mg/L和0.5 mg/L以上，意味着在污泥含量为7 000 mg/L以上的条件下，单纯靠自然沉降难以去除悬浮物所携带的BOD5及TP等污染物。同时，尽管好氧池末端污含量也达到7 000 mg/L，且DO高于2.5 mg/L(图11)，但好氧池对NH3-N的硝化作用较差，其末端达到9.8 mg/L以上(图9)，硝化效率不足70%，而后续MBR池硝化作用明显。这与张严严等[3]对相同工艺的沿程分析中发现NH3-N在好氧池前段即被硝化完全结果不同，其主要原因应该是后配水池回流比达到500%，而从好氧池2到缺氧池回流量达到300%，直接缩短了好氧池的实际HRT，而张严严等[3]所检测的污水处理厂缺氧池回流位置和好氧池DO与该厂明显不同。另外，受内回流的影响，其缺氧池ORP也达到(124.3±35.4)mV，一定程度上影响了系统反硝化效果，但最终出水TN低于10 mg/L，说明该系统在低C/N条件下仍然可以获得较高的脱氮效果[8]。尽管厌氧池ORP低于-300 mV，具有良好的厌氧环境，但实际生物除磷效果不佳，可能与在好氧池内进行化学除磷有关，即大部分磷转化为磷酸铝沉淀，难以在厌氧池内释放(厌氧出水TP稍高于MBR池TP)，影响了生物除磷效果，具体原因需要进一步研究。但各厂采用的内回流比有所差别，如有的内回流比分别为3.5、2.0和2.0[5]，而有的则采用5.0、4.0和3.0[4]，不同的内回流比以及不同回流位置，所取得的处理效果也各有不同[3,6]，因此，应根据进水水质特点、池型结构以及回流点位置等选择合适的内回流比。需要说明的是，4个MBR池在进气量相近的情况下，其DO浓度并不相同(图11)，与污泥浓度相关，即污泥浓度较低，则DO浓度较高，这与理论相符，因此，在满足处理效果的前提下，建议尽量降低池中污泥浓度，节省曝气能耗。

图8 CODCr、BOD5和TP沿程变化

图9 氮污染物沿程变化

图10 MLSS和MLVSS变化

图11 DO沿程变化

3 结论

(1)AAO-MBR系统处理效果稳定，且在C/N较低条件下可以取得较好的脱氮效果，但MBR池所需风机能耗远大于好氧池生物所需，需要加强MBR吹扫风量的优化研究，降低该部分能耗。

(2)受内回流的影响，所调研污水处理厂好氧池的硝化效率低于70%，其生物除磷效率明显较小，应根据每个水厂的实际情况，逐步调整三种内回流流量甚至是内回流点位置，确保AAO工艺各单元起到应有作用。