AAO-MBR工藝在某城鎮污水處理廠中的應用

謝曉旺，李露澤

(1.南水北調江蘇水務發展有限公司，江蘇南京 210029；2.永嘉縣排水有限公司，浙江溫州 325100)

溫州某城鎮污水處理廠一期建設規模為5 000 m3/d，污水處理采用“AAO+SBR”工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級B標準。2017年擴建提標至1.0×104m3/d處理規模，因用地受限，污水選用AAO-MBR處理工藝，廢棄了原有的SBR池，新建1.0×104m3/d AAO-MBR池。污泥采用帶式濃縮脫水一體機干化，含水率降低至80%以下外運。二期工程于2017年底通水，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。

1 工藝設計

1.1 工藝選擇

本項目規劃處理總規模為2.0×104m3/d，占地1.5×104m2，廠區為三角地形，土地利用率低。項目水質如表1所示，實際進水BOD5及懸浮物 SS均低于設計值，TN平均值為20 mg/L，SS平均值為110 mg/L，各項污染負荷均不高。BOD5/CODCr平均值約0.59，生化性極好，常規的活性污泥法和生物膜法均能有效處理。因原執行一級B標準，無深度處理設施，本次提標擴建工程需增加該部分單元，但現狀預留用地面積僅為0.6×104m2，且地形不規整，還需考慮二期預留，土地資源緊張。如果按傳統工藝出水，達到一級A標準則需增設1座直徑為28 m的二沉池、1座深度處理間(L×B=24.5 m×13.5 m)和1座5 000 m3/d的生化池(L×B=40 m×25 m)，那么提標擴建總占地約為1 942.5 m2，就會導致項目二期無法布置。因此，選用工藝流程短、占地面積小的AAO+MBR工藝。此外，MBR較高的回流污泥濃度使得AAO池內污泥濃度高，生物池處理能力強、設計池體容積相對減小。故而，雖然MBR的運行成本略高，但MBR工藝因流程短、工程投資和占地面積小，在該項目中優勢顯著而被推薦使用。

表1 工程進出水水質 (單位：mg/L)Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent (Unit: mg/L)

1.2 工藝流程

市政污水重力流進入廠區粗格柵，經潛污泵提升至細格柵及旋流沉砂池后，過初沉池去除可沉物，再進入膜格柵攔截1 mm以上雜物，以防止堵塞膜孔。一級處理后，污水進入AAO-MBR生物池降解有機物，并同步生物脫氮除磷，當出水磷有超標風險時，在膜池投加PAC化學除磷，膜池處理后的出水進入紫外消毒池，滅殺大腸桿菌等微生物后出水。污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

1.3 主要設計參數

1.3.1 提升泵房(改建)

提升泵房用于將污水一次性提升至設計水位高程，靠重力流進入后續構筑物，進行污水處理。原采用3臺潛污泵，其中1臺常開，另1臺待水量大時開啟且設置變頻控制，第3臺備用。集水池有效水深H=1.8 m，平均日流量Qave=1.0×104m3/d，總變化系數Kz=1.58，設計流量Qmax=658.33 m3/h，原水泵參數Q=220 m3/h，H=14 m，N=15 kW，本次新增同參數潛污泵1臺。

1.3.2 膜格柵(新建)

MBR工藝是一種膜分離技術，在產水泵負壓抽吸的作用下，泥水實現固液分離、污水跨膜運動。采用的聚偏二氟乙烯中空纖維膜公稱孔徑為0.1 μm，污水中的顆粒雜質逐漸在壁孔附著，長時間會堵塞孔隙或纏繞膜絲，跨膜動力要求增大，膜絲壽命縮短[1]。因此，MBR工藝系統正常運行，必須設置膜格柵，本次采用內進外出型膜格柵，柵條間隙為1 mm。膜格柵土建及設備均按1.0×104m3/d的規模建成，1用1備，共2臺。過柵流速為0.7 m/s，柵前水深為1.25 m，膜格柵間隙為1 mm，過柵流速v=0.4～0.6 m/s。

1.3.3 AAO+MBR膜綜合間

生物反應池是污水處理最重要的構筑物，分為厭氧區、缺氧區和好氧區，去除和降解污水中各種主要的有機污染物質，固液分離，使出水達標。AAO池設2組，總停留時間為10.0 h，厭氧區停留時間為1.5 h，缺氧區為2.5 h，好氧區為6.0 h。污泥濃度為5.5 g/L，污泥負荷Ns=0.15 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥回流比為200%，混合液回流比為200%，供氣量Gs=2 700 m3/h。膜池共設計4個廊道，并列運行，每個廊道4個膜位，安裝3只膜組器，預留1個膜組器位置，單組膜面積為2 100 m2，設計平均膜通量為16.53 L/(m3·h)，水力停留時間為1.3 h，回流比1為500%，回流比2為400%，回流比3為200%。膜吹掃風量為160 m3/min，設計污泥濃度為10 g/L。膜設備間配產水泵5臺(4用1備)，Q=167 m3/h，H=10.1 m，N=7.5 kW；膜清洗泵2臺(1用1備)，Q=106 m3/h，H=11.8 m，N=5.5 kW；膜吹掃風機3臺(2用1備)，Q=32 m3/h，H=44.10 m，N=55 kW。AAO段池尺寸為33.2 m×24.7 m×6.7 m，MBR膜池尺寸為33.2 m×14.55 m×14.95 m，MBR膜設備間尺寸為33.2 m×11.65 m×10.15 m。

1.3.4 鼓風機房(改建)

鼓風機房作為廠區主要的附屬構筑物，改建鼓風機房主要用于新建1.0×104m3/d的AAO池好氧段曝氣?，F有2臺羅茨鼓風機(1用1備)，Q=22.5 m3/min，H=60 kPa，N=37 kW。本次設計增加同樣參數羅茨鼓風機1臺。

1.3.5 紫外消毒池(改造)

采用紫外消毒，用以殺滅污水中的細菌、病原菌等微生物?，F狀土建已按2.0×104m3/d規模設計，設備按1.0×104m3/d規模設計。平均日流量Qave=1.0×104m3/d，總變化系數Kz=1.58，設計流量Qmax=416.67 m3/h，有效水深為1.8 m，現狀紫外消毒池1座，分為2組，總平面尺寸為15.5 m×3.75 m。

2 污染物去除效率

項目2018年1月開始經過反復調試后，生化系統運行參數控制如下：膜池污泥濃度維持在10 g/L，溶解氧為4 mg/L, 膜池回好氧池回流比為350%，好氧池回缺氧池回流比為200%，缺氧回好氧池回流比為75%，泥齡為25 d。

2.1 有機物去除效率

該系統2018年全年運營中CODCr指標降低效果如圖2所示，進水CODCr濃度在123.87～252.25 mg/L，但出水CODCr基本維持在25 mg/L以下，平均濃度為20.48 mg/L。圖3為2018年全年運營中BOD5指標處理效率，進水BOD5在42.41～146.45 mg/L，但出水BOD5保持在6 mg/L以下，平均濃度為4.18 mg/L。全年運營結果表明，即使在溫度較低的春季初期，微生物活性有所降低的條件下，該工藝的有機物去除率仍然能達到85%以上，出水水質遠優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。

圖2 進出水月均CODCr濃度及去除率Fig.2 Monthly Average CODCr Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

圖3 進出水月均BOD5濃度及去除率Fig.3 Monthly Average BOD5 Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

項目COD月均去除率在83.90%～94.83%，年平均去除率為88.30%。BOD月均最低去除率為94.32%，年平均降解率為96.14%。本工藝擁有較好的有機物去除效果，得益于項目進水BOD/COD平均值較高(約0.59)，生化性強，而膜處理器表面形成的生物膜又能截留水中的可溶性大分子物質，維持生物系統內較高的污泥濃度。有機物接觸反應時間大于膜池的水力停留時間，得以充分降解。

2.2 脫氮效率

圖4為全年TN去除效率，進水TN在15.42～27.65 mg/L，出水TN維持在13 mg/L以下，平均濃度為9.47 mg/L，月均去除率在29.84%～63.42%，年平均去除率為55.02%。圖5給出了全年NH3-N的降解情況，進水NH3-N在8.03～18.08 mg/L，出水NH3-N維持在4 mg/L以下，平均濃度為2.02 mg/L，月均去除率為75.75%～90.76%，年平均去除率為84.24%。

圖4 進出水月均TN濃度及去除率Fig.4 Monthly Average TN Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

圖5 進出水月均NH3-N濃度及去除率Fig.5 Monthly Average NH3-N Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

理論上，膜工藝在較長的污泥停留時間和BOD/TN為 4.97的條件下，適宜自養型反硝化細菌的生長與脫氮[2]，但因項目進水TN濃度較低，滿足達標的條件下體現的去除率均不高[3]，如10月進水TN為15.42 mg/L，出水濃度為10.82 mg/L，去除率為29.84%。MBR工藝中，生化池能保持較高的活性污泥濃度和較長的泥齡，在好氧的環境下，污水中含氮物質充分硝化轉化成硝態氮，NH3-N降解率較高[4]。反硝化過程在缺氧區進行，除缺氧的環境、充足的有機物、適宜的溫度和pH外，還需要硝態氮的存在，本項目硝化產生的硝態氮從膜池和好氧池逐級回流，在進水濃度不高、保證達標排放前提下，部分硝態氮未經反硝化直接排放，是TN去除率不高的可能原因。

2.3 磷與SS去除效率

圖6為全年TP進出水月平均變化情況，進水TP在1.71～3.09 mg/L，除2018年1月—3月調試期出水TP濃度超過0.60 mg/L外，其他月份均小于0.50 mg/L。TP月均去除率在72.46%～92.77%，年平均去除率為85.71%。生物除磷需要較短的泥齡，而MBR工藝泥齡長，通過排泥達到磷排放的效果有限。在膜池投加絮凝劑，通過化學除磷與生物除磷相結合的形式保證出水TP達標。圖7為全年SS進出水月平均變化情況，進水SS濃度在74～155 mg/L，因為膜組器中膜堵頭松動，膜絲斷裂，出水SS在前期濃度超過10 mg/L，最大為13.3 mg/L。膜組器修復以后穩定控制在4 mg/L以下，月均去除率在83.58%～97.97%，年平均去除率為92.15%。聚偏二氟乙烯中空纖維膜過濾精度較高，菌類和病原體去除率高達95%以上，因此，MBR工藝無需設置二沉池就能穩定達到排放標準。

圖7 進出水月均SS濃度及去除率Fig.7 Monthly Average SS Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

3 主要經濟指標

一級A標準出水要求下，AAO-MBR工藝與傳統活性污泥法主要經濟技術指標對比如表2所示。項目投資為2 933.80萬元，與傳統活性污泥法相比,雖土建投資有所減少，但膜系統及配套設備費較高。此外，因AAO-MBR工藝流程縮短，生化池總停留時間較小，單位占地為0.65～0.90 m2/(m3·d)，比傳統活性污泥法1.55 ～1.75 m2/(m3·d)小。

項目全年運轉361 d，日均進水量為6 899 m3/d，日均用電量為3 248 kW·h，單位水處理電耗為0.47 kW·h /m3，高于傳統活性污泥法的0.30～0.40 kW·h。膜工藝由電能形成的壓差來實現污水跨膜運動，且需要持續的高風量吹掃擦洗膜絲以防堵塞，因此，單位電耗較高[5]。

污泥日均產量為3.29 t，PAC日均用量為194 kg，PAM日均用量為48 kg，單位產泥量為4.77 t/(萬m3)，噸泥PAC耗量為0.059 t，噸泥PAM耗量為0.015 t。傳統活性污泥法采用帶式污泥脫水機PAM耗量與MBR工藝接近，但AAO-MBR工藝雖設置有厭氧池，因泥齡較長，好氧段存在釋磷過程，導致需要投加PAC輔助化學除磷。與傳統活性污泥法相比，AAO-MBR工藝為緩解膜絲堵塞和結垢情況，需次氯酸鈉和檸檬酸在線和周期性離線清洗，增加了部分藥劑費用。

4 結語

(1)AAO-MBR工藝能夠穩定地降解有機物和脫氮除磷，出水CODCr、TN、NH3-N和TP平均濃度分別為20.48、9.47、2.02 mg/L和0.33 mg/L。

(2)AAO-MBR工藝噸水電耗為0.47 kW·h，噸泥PAC耗量為0.059 t，高于傳統活性污泥工藝。

(3)AAO-MBR工藝產泥量為4.77 t/(萬m3)，噸泥PAM耗量為0.015 t，與傳統活性污泥法相當。

(4)AAO-MBR雖然在投資和運營成本上略高于傳統活性污泥法，但是該工藝較好的出水水質，可用于城市雜用水和景觀補水，特別適用于對水質要求高且水資源緊張的地區使用。

(5)該工藝比傳統活性污泥法單位水量占地小，適宜在規劃用地緊張的改擴建項目中使用。