AAO-MBR工艺在某城镇污水处理厂中的应用

谢晓旺，李露泽

(1.南水北调江苏水务发展有限公司，江苏南京 210029；2.永嘉县排水有限公司，浙江温州 325100)

温州某城镇污水处理厂一期建设规模为5 000 m3/d，污水处理采用“AAO+SBR”工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级B标准。2017年扩建提标至1.0×104m3/d处理规模，因用地受限，污水选用AAO-MBR处理工艺，废弃了原有的SBR池，新建1.0×104m3/d AAO-MBR池。污泥采用带式浓缩脱水一体机干化，含水率降低至80%以下外运。二期工程于2017年底通水，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A标准。

1 工艺设计

1.1 工艺选择

本项目规划处理总规模为2.0×104m3/d，占地1.5×104m2，厂区为三角地形，土地利用率低。项目水质如表1所示，实际进水BOD5及悬浮物 SS均低于设计值，TN平均值为20 mg/L，SS平均值为110 mg/L，各项污染负荷均不高。BOD5/CODCr平均值约0.59，生化性极好，常规的活性污泥法和生物膜法均能有效处理。因原执行一级B标准，无深度处理设施，本次提标扩建工程需增加该部分单元，但现状预留用地面积仅为0.6×104m2，且地形不规整，还需考虑二期预留，土地资源紧张。如果按传统工艺出水，达到一级A标准则需增设1座直径为28 m的二沉池、1座深度处理间(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)，那么提标扩建总占地约为1 942.5 m2，就会导致项目二期无法布置。因此，选用工艺流程短、占地面积小的AAO+MBR工艺。此外，MBR较高的回流污泥浓度使得AAO池内污泥浓度高，生物池处理能力强、设计池体容积相对减小。故而，虽然MBR的运行成本略高，但MBR工艺因流程短、工程投资和占地面积小，在该项目中优势显著而被推荐使用。

表1 工程进出水水质 (单位：mg/L)Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent (Unit: mg/L)

1.2 工艺流程

市政污水重力流进入厂区粗格栅，经潜污泵提升至细格栅及旋流沉砂池后，过初沉池去除可沉物，再进入膜格栅拦截1 mm以上杂物，以防止堵塞膜孔。一级处理后，污水进入AAO-MBR生物池降解有机物，并同步生物脱氮除磷，当出水磷有超标风险时，在膜池投加PAC化学除磷，膜池处理后的出水进入紫外消毒池，灭杀大肠杆菌等微生物后出水。污水处理工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of the Process

1.3 主要设计参数

1.3.1 提升泵房(改建)

提升泵房用于将污水一次性提升至设计水位高程，靠重力流进入后续构筑物，进行污水处理。原采用3台潜污泵，其中1台常开，另1台待水量大时开启且设置变频控制，第3台备用。集水池有效水深H=1.8 m，平均日流量Qave=1.0×104m3/d，总变化系数Kz=1.58，设计流量Qmax=658.33 m3/h，原水泵参数Q=220 m3/h，H=14 m，N=15 kW，本次新增同参数潜污泵1台。

1.3.2 膜格栅(新建)

MBR工艺是一种膜分离技术，在产水泵负压抽吸的作用下，泥水实现固液分离、污水跨膜运动。采用的聚偏二氟乙烯中空纤维膜公称孔径为0.1 μm，污水中的颗粒杂质逐渐在壁孔附着，长时间会堵塞孔隙或缠绕膜丝，跨膜动力要求增大，膜丝寿命缩短[1]。因此，MBR工艺系统正常运行，必须设置膜格栅，本次采用内进外出型膜格栅，栅条间隙为1 mm。膜格栅土建及设备均按1.0×104m3/d的规模建成，1用1备，共2台。过栅流速为0.7 m/s，栅前水深为1.25 m，膜格栅间隙为1 mm，过栅流速v=0.4～0.6 m/s。

1.3.3 AAO+MBR膜综合间

生物反应池是污水处理最重要的构筑物，分为厌氧区、缺氧区和好氧区，去除和降解污水中各种主要的有机污染物质，固液分离，使出水达标。AAO池设2组，总停留时间为10.0 h，厌氧区停留时间为1.5 h，缺氧区为2.5 h，好氧区为6.0 h。污泥浓度为5.5 g/L，污泥负荷Ns=0.15 kg BOD5/(kg MLSS·d)，污泥回流比为200%，混合液回流比为200%，供气量Gs=2 700 m3/h。膜池共设计4个廊道，并列运行，每个廊道4个膜位，安装3只膜组器，预留1个膜组器位置，单组膜面积为2 100 m2，设计平均膜通量为16.53 L/(m3·h)，水力停留时间为1.3 h，回流比1为500%，回流比2为400%，回流比3为200%。膜吹扫风量为160 m3/min，设计污泥浓度为10 g/L。膜设备间配产水泵5台(4用1备)，Q=167 m3/h，H=10.1 m，N=7.5 kW；膜清洗泵2台(1用1备)，Q=106 m3/h，H=11.8 m，N=5.5 kW；膜吹扫风机3台(2用1备)，Q=32 m3/h，H=44.10 m，N=55 kW。AAO段池尺寸为33.2 m×24.7 m×6.7 m，MBR膜池尺寸为33.2 m×14.55 m×14.95 m，MBR膜设备间尺寸为33.2 m×11.65 m×10.15 m。

1.3.4 鼓风机房(改建)

鼓风机房作为厂区主要的附属构筑物，改建鼓风机房主要用于新建1.0×104m3/d的AAO池好氧段曝气。现有2台罗茨鼓风机(1用1备)，Q=22.5 m3/min，H=60 kPa，N=37 kW。本次设计增加同样参数罗茨鼓风机1台。

1.3.5 紫外消毒池(改造)

采用紫外消毒，用以杀灭污水中的细菌、病原菌等微生物。现状土建已按2.0×104m3/d规模设计，设备按1.0×104m3/d规模设计。平均日流量Qave=1.0×104m3/d，总变化系数Kz=1.58，设计流量Qmax=416.67 m3/h，有效水深为1.8 m，现状紫外消毒池1座，分为2组，总平面尺寸为15.5 m×3.75 m。

2 污染物去除效率

项目2018年1月开始经过反复调试后，生化系统运行参数控制如下：膜池污泥浓度维持在10 g/L，溶解氧为4 mg/L, 膜池回好氧池回流比为350%，好氧池回缺氧池回流比为200%，缺氧回好氧池回流比为75%，泥龄为25 d。

2.1 有机物去除效率

该系统2018年全年运营中CODCr指标降低效果如图2所示，进水CODCr浓度在123.87～252.25 mg/L，但出水CODCr基本维持在25 mg/L以下，平均浓度为20.48 mg/L。图3为2018年全年运营中BOD5指标处理效率，进水BOD5在42.41～146.45 mg/L，但出水BOD5保持在6 mg/L以下，平均浓度为4.18 mg/L。全年运营结果表明，即使在温度较低的春季初期，微生物活性有所降低的条件下，该工艺的有机物去除率仍然能达到85%以上，出水水质远优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A标准。

图2 进出水月均CODCr浓度及去除率Fig.2 Monthly Average CODCr Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

图3 进出水月均BOD5浓度及去除率Fig.3 Monthly Average BOD5 Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

项目COD月均去除率在83.90%～94.83%，年平均去除率为88.30%。BOD月均最低去除率为94.32%，年平均降解率为96.14%。本工艺拥有较好的有机物去除效果，得益于项目进水BOD/COD平均值较高(约0.59)，生化性强，而膜处理器表面形成的生物膜又能截留水中的可溶性大分子物质，维持生物系统内较高的污泥浓度。有机物接触反应时间大于膜池的水力停留时间，得以充分降解。

2.2 脱氮效率

图4为全年TN去除效率，进水TN在15.42～27.65 mg/L，出水TN维持在13 mg/L以下，平均浓度为9.47 mg/L，月均去除率在29.84%～63.42%，年平均去除率为55.02%。图5给出了全年NH3-N的降解情况，进水NH3-N在8.03～18.08 mg/L，出水NH3-N维持在4 mg/L以下，平均浓度为2.02 mg/L，月均去除率为75.75%～90.76%，年平均去除率为84.24%。

图4 进出水月均TN浓度及去除率Fig.4 Monthly Average TN Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

图5 进出水月均NH3-N浓度及去除率Fig.5 Monthly Average NH3-N Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

理论上，膜工艺在较长的污泥停留时间和BOD/TN为 4.97的条件下，适宜自养型反硝化细菌的生长与脱氮[2]，但因项目进水TN浓度较低，满足达标的条件下体现的去除率均不高[3]，如10月进水TN为15.42 mg/L，出水浓度为10.82 mg/L，去除率为29.84%。MBR工艺中，生化池能保持较高的活性污泥浓度和较长的泥龄，在好氧的环境下，污水中含氮物质充分硝化转化成硝态氮，NH3-N降解率较高[4]。反硝化过程在缺氧区进行，除缺氧的环境、充足的有机物、适宜的温度和pH外，还需要硝态氮的存在，本项目硝化产生的硝态氮从膜池和好氧池逐级回流，在进水浓度不高、保证达标排放前提下，部分硝态氮未经反硝化直接排放，是TN去除率不高的可能原因。

2.3 磷与SS去除效率

图6为全年TP进出水月平均变化情况，进水TP在1.71～3.09 mg/L，除2018年1月—3月调试期出水TP浓度超过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%，年平均去除率为85.71%。生物除磷需要较短的泥龄，而MBR工艺泥龄长，通过排泥达到磷排放的效果有限。在膜池投加絮凝剂，通过化学除磷与生物除磷相结合的形式保证出水TP达标。图7为全年SS进出水月平均变化情况，进水SS浓度在74～155 mg/L，因为膜组器中膜堵头松动，膜丝断裂，出水SS在前期浓度超过10 mg/L，最大为13.3 mg/L。膜组器修复以后稳定控制在4 mg/L以下，月均去除率在83.58%～97.97%，年平均去除率为92.15%。聚偏二氟乙烯中空纤维膜过滤精度较高，菌类和病原体去除率高达95%以上，因此，MBR工艺无需设置二沉池就能稳定达到排放标准。

图7 进出水月均SS浓度及去除率Fig.7 Monthly Average SS Concentration and Removal Rate of Influent and Effluent

3 主要经济指标

一级A标准出水要求下，AAO-MBR工艺与传统活性污泥法主要经济技术指标对比如表2所示。项目投资为2 933.80万元，与传统活性污泥法相比,虽土建投资有所减少，但膜系统及配套设备费较高。此外，因AAO-MBR工艺流程缩短，生化池总停留时间较小，单位占地为0.65～0.90 m2/(m3·d)，比传统活性污泥法1.55 ～1.75 m2/(m3·d)小。

项目全年运转361 d，日均进水量为6 899 m3/d，日均用电量为3 248 kW·h，单位水处理电耗为0.47 kW·h /m3，高于传统活性污泥法的0.30～0.40 kW·h。膜工艺由电能形成的压差来实现污水跨膜运动，且需要持续的高风量吹扫擦洗膜丝以防堵塞，因此，单位电耗较高[5]。

污泥日均产量为3.29 t，PAC日均用量为194 kg，PAM日均用量为48 kg，单位产泥量为4.77 t/(万m3)，吨泥PAC耗量为0.059 t，吨泥PAM耗量为0.015 t。传统活性污泥法采用带式污泥脱水机PAM耗量与MBR工艺接近，但AAO-MBR工艺虽设置有厌氧池，因泥龄较长，好氧段存在释磷过程，导致需要投加PAC辅助化学除磷。与传统活性污泥法相比，AAO-MBR工艺为缓解膜丝堵塞和结垢情况，需次氯酸钠和柠檬酸在线和周期性离线清洗，增加了部分药剂费用。

4 结语

(1)AAO-MBR工艺能够稳定地降解有机物和脱氮除磷，出水CODCr、TN、NH3-N和TP平均浓度分别为20.48、9.47、2.02 mg/L和0.33 mg/L。

(2)AAO-MBR工艺吨水电耗为0.47 kW·h，吨泥PAC耗量为0.059 t，高于传统活性污泥工艺。

(3)AAO-MBR工艺产泥量为4.77 t/(万m3)，吨泥PAM耗量为0.015 t，与传统活性污泥法相当。

(4)AAO-MBR虽然在投资和运营成本上略高于传统活性污泥法，但是该工艺较好的出水水质，可用于城市杂用水和景观补水，特别适用于对水质要求高且水资源紧张的地区使用。

(5)该工艺比传统活性污泥法单位水量占地小，适宜在规划用地紧张的改扩建项目中使用。