多種兩段缺氧A3O-MBR工藝在污水處理工程中的應用

祝君喬，蔣嵐嵐，梁 汀，程 文，張萬里，胡 邦

（1.無錫新區(qū)市政公用事業(yè)管理處，江蘇無錫 214000；2.無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

隨著對污水排放標準的提高以及膜成本和能耗的降低，MBR工藝由于出水水質優(yōu)良、可直接回用和節(jié)省占地等優(yōu)點使其在污水處理方面的應用進入高速發(fā)展時期。

對于城市污水處理，難點是脫氮除磷，目前已有眾多傳統脫氮除磷工藝被應用到MBR系統的生物處理段中，最普遍的是A2/O工藝[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機負荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭[2]。為此，在A2O-MBR工藝的基礎上開發(fā)出了多種兩段缺氧的A3O-MBR工藝。本文結合設計采用A3O-MBR工藝的5座城鎮(zhèn)污水處理廠工程，就工程應用中的生物段內部流程、進水方式、回流方式以及脫氮除磷機理等方面進行分析探討。

1 兩段缺氧的A3O-MBR工藝原理

1.1 兩段缺氧的基本原理

傳統的生物脫氮工藝通常采用前置反硝化或后置反硝化來實現氮的去除，而設置了厭氧、缺氧和好氧反應器的A2O工藝則可以實現同步除碳和脫氮除磷功能。兩段缺氧的A3O工藝是指在傳統的A2O工藝中增設一級缺氧池，它是一種強化內源反硝化和生物除磷的新型工藝，由于MBR工藝的高濃度活性污泥和生物多樣性等特性，使得兩段缺氧技術在MBR的生物處理段中得到應用。

1.2 MBR工藝開發(fā)兩段缺氧的理論依據

（1）由于MBR系統的MLSS較高，以SRT計算確定的生物池的容積較小，相應的所需總HRT較短。因此，如果考慮到系統有較高的硝化和反硝化處理效果要求時，必須對系統內的各段水力停留時間進行重新分配。

（2）由于MBR工藝的泥齡通常較傳統工藝長，較長的泥齡會使內源代謝物質增多，若MBR中積累一定量的溶解性微生物產物(Soluble Microbial Products,SMP)，不但會加速膜污染，還會導致出水水質變差[3]，因此，要充分考慮對MBR中產生的內源代謝物質的利用。

（3）為了控制膜表面污堵，通常采用大量的空氣來擦洗膜絲，使得膜池內的溶解氧極高，通常其DO值可達8～10 mg/L[4]。依靠膜池的好氧環(huán)境保障出水，使得后置缺氧成為可能。

（4）MBR工藝用膜分離代替了傳統活性污泥法中的二沉池，并采用抽吸方式出水。因此，在MBR工藝中無傳統意義的污泥回流，通常是將膜池的混合液進行回流，即將污泥回流與硝化液回流合并?？紤]到回流液中硝態(tài)氮對聚磷菌的抑制，使得預缺氧成為一種選擇。

（5）由于將污泥回流與硝化液回流合并，使得系統的回流比較大。同時，因為膜池的溶解氧較高，不宜直接將混合液回流至缺氧區(qū)，必須經由好氧區(qū)回流，為減少各段之間的總回流比，兩段缺氧的生物段布置須進行優(yōu)化調整。

2 各種兩段缺氧的A3O-MBR工藝形式比較分析

目前在MBR工藝中采用的兩段缺氧A3O-MBR工藝主要有以下 4種形式：（1）A2O/A-MBR；（2）A(2A)O-MBR；（3）A/A2O-MBR；（4）倒置A2O/A-MBR。下面從內部流程、進水方式、回流方式和脫氮除磷機理等4個方面對這4種形式的A3O-MBR工藝進行比較分析。

2.1 內部流程的比較

2.1.1 A2O/A-MBR工藝

A2O/A-MBR工藝的內部流程依次為厭氧、第一缺氧、好氧、第二缺氧和膜池，其特點是在傳統A2O工藝后再設一級后置缺氧池，最后再利用膜池的好氧曝氣作用保障出水。其內部流程見圖1。

圖1 A2O/A-MBR工藝內部流程圖

2.1.2 A(2A)O-MBR工藝

A(2A)O-MBR工藝的內部流程依次為厭氧、第一缺氧、第二缺氧、好氧和膜池，其特點是在傳統A2O工藝中設置了兩段缺氧區(qū)，通過控制進水與回流點調節(jié)兩段缺氧區(qū)的功能。其內部流程見圖2。

圖2 A(2A)O-MBR工藝內部流程圖

2.1.3 A/A2O-MBR工藝

A/A2O-MBR工藝的內部流程依次為第一缺氧、厭氧、第二缺氧、好氧和膜池，其特點是在傳統A2O工藝前增設一段預缺氧池，預處理后的污水首先按比例分配流量分別進入第一缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，然后依次重力流入第二缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜池，最后通過膜過濾抽吸出水。其內部流程見圖3。

圖3 A/A2O-MBR工藝內部流程圖

2.1.4 倒置A2O/A-MBR工藝

倒置A2O/A-MBR工藝的內部流程依次為第一缺氧、厭氧、好氧、第二缺氧和膜池，其特點是在倒置A2O工藝后增設一級后置缺氧池，是A2O/A-MBR工藝的改進工藝。其內部流程見圖4。

圖4 倒置A2O/A-MBR工藝內部流程圖

2.2 進水方式的比較分析

早期開發(fā)的A2O/A-MBR工藝采用的是單點進水的方式，全部原水進入厭氧區(qū)，如圖1所示。后開發(fā)的三種兩段缺氧A3O-MBR工藝都采用了兩點進水方式以增加系統運行的靈活性，即在生物池前設置進水分配渠道和分配調節(jié)堰，污水進入到分配渠道后，通過兩套調節(jié)堰門可以將原水按照一定比例分配到厭氧區(qū)和第一缺氧區(qū)，從而選擇優(yōu)先滿足生物脫氮還是生物除磷對進水碳源的需要，如圖2～圖4所示。并且，各區(qū)的分配比例還可以根據不同水質、不同季節(jié)條件下及生物脫氮和生物除磷所需碳源的變化進行靈活調節(jié)。

2.3 回流方式的比較分析

MBR工藝中為了形成足夠的水力剪切作用，防止膜污染，同時也為了物料平衡和減少各區(qū)功能的相互干擾，一般需設置多級回流。在早期的城鎮(zhèn)污水處理工程的MBR工藝中，大多采用從直接膜池回流硝化液到缺氧區(qū)的方式。實踐表明，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區(qū)會破壞缺氧區(qū)的反硝化環(huán)境。目前，絕大多數的MBR工藝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區(qū)，一方面可以使溶解氧得到充分利用，在一定程度上補充好氧區(qū)的供氧量，降低能耗；另一方面可以減少對缺氧區(qū)功能的干擾。

在生物處理段，各種兩段缺氧A3O-MBR工藝采用了不同的回流方式，分述如下。

（1）A2O/A-MBR采用的是二級單點回流，一級是好氧區(qū)混合液回流至第一缺氧區(qū)，回流比為300%～400%；二級是從第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)，回流比為100%～200%。

（2）A(2A)O-MBR采用的是二級兩點回流，一級是好氧區(qū)混合液分別回流至第一缺氧區(qū)和第二缺氧區(qū)，總回流比為350%；二級是從第一缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)，回流比為200%。

（3）A/A2O-MBR采用的是單級兩點回流，為好氧區(qū)混合液回流，分別回流至第一缺氧區(qū)和第二缺氧區(qū)，總回流比為350%。

（4）倒置A2O/A-MBR采用的是單級單點回流，為好氧區(qū)混合液回流至第一缺氧區(qū)，回流比為300%。

對比這4種工藝的回流方式可以發(fā)現，采用預缺氧的A/A2O-MBR和倒置A2O/A-MBR工藝的生物段的回流只有一級，因為厭氧區(qū)位于預缺氧區(qū)之后，其污泥濃度可由回流至預缺氧區(qū)的混合液保證。采用后置缺氧的A2O/A-MBR和倒置A2O/A-MBR工藝的回流點只有一處，即第一缺氧區(qū)，因為第二缺氧區(qū)位于好氧區(qū)之后，直接由好氧區(qū)順水流流入，無需再從好氧區(qū)回流硝化液。總體而言，倒置A2O/A-MBR工藝由于將第一缺氧區(qū)前置，減少了一級回流（缺氧I至厭氧），并增設了后置的第二缺氧區(qū)，減少了一點回流（好氧至缺氧II），大大節(jié)省了能耗和運行成本。

2.4 脫氮除磷機理的比較分析

在MBR工藝中，由于高活性污泥濃度、專性菌種的形成以及膜屏障的截留作用等因素，使系統對有機物的處理效果很好，但是脫氮除磷的效果受限于進水有機碳源和回流比等因素提高不易?？傮w而言，各種采用兩段缺氧工藝的主要目的均是為了強化脫氮除磷，但在機理上有所不同，分述如下。

（1）A2O/A-MBR工藝通過設置后置缺氧段，主要解決進水碳源不足而導致反硝化不充分的問題，使好氧區(qū)殘留的硝酸鹽在反硝化菌作用下，繼續(xù)以微生物的胞內儲存物質及細胞死亡后溶出的有機成分作為碳源進行脫氮[5]。此外，經由后置缺氧池回流到厭氧池的混合液循環(huán)設置，最大程度地保證了厭氧環(huán)境，有利于厭氧池的釋磷過程。

（2）A(2A)O-MBR工藝設置了兩段缺氧區(qū)（第一缺氧區(qū)和第二缺氧區(qū)）。在第一缺氧區(qū)內，從好氧區(qū)回流的NO3-完全被還原，實現完全反硝化；而在第二缺氧區(qū)內，由于連續(xù)長時間的缺氧，可以實現內源反硝化，進一步地去除了污水中的硝態(tài)氮，節(jié)省外加碳源的投加[6]。同時，由于好氧區(qū)的硝化液回流采用兩點回流，兩者之間的流量比例通過回流渠道和調節(jié)堰來分配，這樣可以靈活調節(jié)兩段缺氧中回流的硝酸根，有利于充分利用內碳源。

（3）A/A2O-MBR工藝設置了前置的預缺氧區(qū)，第一缺氧池利用進水碳源和回流硝化液進行快速反硝化，接著混合液進入厭氧池進行厭氧釋磷。將厭氧區(qū)放在第一缺氧區(qū)之后，由于回流液中的硝態(tài)氮被充分反硝化，減少了其對聚磷菌的抑制，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進一步反硝化脫氮。

（4）倒置A2O/A-MBR工藝為 A2O/A-MBR的改進工藝，綜合了預缺氧和后置缺氧的雙重優(yōu)勢，從進水有機碳源的充分利用和合理分配、聚磷菌的絕對厭氧環(huán)境的構建、溶解氧的利用和分布、內源代謝產物的有效利用、總回流比的量等多方面均得到了優(yōu)化配置，系統提高了脫氮除磷的能力。

3 工程實例介紹

采用兩段缺氧的A3O-MBR工藝的5座城鎮(zhèn)污水處理廠工程的生物段形式、進水方式、回流方式、生物段工藝參數的設計情況如表1所示。

4 結語

隨著MBR在污水處理中的應用越來越多，相關的應用技術也在不斷開發(fā)。在多座MBR工藝城鎮(zhèn)污水處理廠工程中，針對膜分離的特點，采用了多種兩段缺氧的A3O-MBR工藝，將兩段缺氧生物處理技術和膜過濾技術有機結合，可以起到強化脫氮除磷的作用，提高系統的總體去除率，尤其是對于低碳源、高處理標準的污水處理廠而言實用意義較大。

本文結合設計采用兩段缺氧A3O-MBR工藝的5座城鎮(zhèn)污水處理廠工程，就工藝原理、開發(fā)依據進行了介紹，并就工程應用中的生物段內部流程、進水方式、回流方式、脫氮除磷機理等方面進行了比較分析，以期為今后國內MBR工藝的規(guī)?；O計應用提供參考。

表1 5座兩段缺氧A3O-MBR類污水處理工程實例介紹

[1]蔣嵐嵐，胡邦，張萬里，等.MBR工藝在太湖流域污水處理工程中的應用[J].給水排水.2011，37（1）:14-18.

[2]孫孝龍，蔣文舉，張進，等.改良A2/O工藝預缺氧池中的脫氮作用和機理[J].環(huán)境科學與技術，2009，32（12）:138-141.

[3]曹斌，袁宏林，王曉昌，等.膜生物反應器設計中工藝參數的探討[J].環(huán)境工程，2004，22（5）:24-26.

[4]蔣嵐嵐，張萬里，梁汀，等.兩段缺氧A(2A)O-MBR工藝污水處理系統降解特性研究[J].水處理技術，2013，39（1）:93-96.

[5]董良飛，劉姍，周銘威，等.MBR工藝在無錫三座城市污水廠中的應用分析[J].中國給水排水，2012，28（4）:20-23.

[6]董良飛，郗曉敏，余海靜，等.MBR組合工藝脫氮除磷研究進展[J].中國給水排水，2010，26（4）:24-28.