污水廠AAO-MBR處理工藝沿程運(yùn)行效果分析

應(yīng)林榮，黨勇杰，姚云波，俞曉兵，柴杭金，劉志剛

(1.杭州余杭城西凈水有限公司，浙江杭州 311121；2.同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國家工程研究中心，上海 200092)

AAO-MBR工藝是將膜分離與活性污泥結(jié)合的新型工藝，利用膜的泥水分離代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重力沉淀，具有分離效果好、占地面積小等特點(diǎn)[1]。隨著國家對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，越來越多的污水處理廠，尤其是用地緊缺的污水處理廠，在提標(biāo)改造過程中會(huì)選擇此工藝[2]，但其能耗較高，膜清洗藥耗及除磷藥劑投加量也較高[1,3-4]，在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用?；诖?，國內(nèi)學(xué)者就AAO-MBR工藝的優(yōu)化進(jìn)行了研究和分析。于翔等[6]認(rèn)為，將膜池回流比從3.5增加至6.6，可部分代替好氧池鼓風(fēng)曝氣的氧供應(yīng)，從而降低能耗[5]，而多點(diǎn)進(jìn)水的方式可以提高系統(tǒng)對(duì)含氮污染物的去除能力。

不同于典型的AAO工藝擁有污泥外回流和混合液內(nèi)回流兩套系統(tǒng)，AAO-MBR工藝一般有3套回流系統(tǒng)，即從MBR回流至好氧池、好氧池回流到缺氧池以及缺氧池回流至厭氧池，且基于MBR系統(tǒng)吹掃預(yù)防膜堵塞的需求，MBR系統(tǒng)所需風(fēng)量經(jīng)常超過生物需氧量，因此，AAO-MBR工藝總能耗通常較高，一旦操作不當(dāng)，其生物脫氮除磷效果會(huì)變差?；诖?，以杭州某AAO-MBR工藝的污水處理廠為調(diào)研對(duì)象，通過對(duì)總體運(yùn)行效果和工藝單元沿程的運(yùn)行效果進(jìn)行分析，以期為其運(yùn)行優(yōu)化和節(jié)能提供參考依據(jù)和方向。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

杭州某污水處理廠采用AAO-MBR工藝(圖1～圖2)，設(shè)計(jì)規(guī)模為3萬m3/d，分2組運(yùn)行，其設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。出水排放標(biāo)準(zhǔn)基于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)杭州市的實(shí)際情況經(jīng)可研報(bào)告研究確定。該污水處理廠各單元設(shè)計(jì)參數(shù)如下：厭氧池水力停留時(shí)間(HRT)=1.5 h，混合液懸浮固體濃度(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的中空纖維膜，膜池HRT=1.25 h，共2組8套，MLSS=5 000～6 000 mg/L，出水方式為7 min出水，1 min停止。其回流點(diǎn)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至厭氧池，剩余污泥從后置配水池內(nèi)排放。另外，為保證除磷效果，在好氧池1沿程設(shè)置了3個(gè)除磷劑投加點(diǎn)。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

圖1 工藝流程

圖2 生物處理單元

2020年1月—6月，該污水處理廠日處理量為2.12萬m3/d，僅為設(shè)計(jì)值的71%，出水COD、TN和TP都滿足并優(yōu)于設(shè)計(jì)值(圖3～圖5)，其中，出水CODCr低于20 mg/L的比例達(dá)到90%以上，出水TN低于10 mg/L的比例超過92%，出水TP低于0.3 mg/L的比例超過88%。但該廠進(jìn)水CODCr總體偏低，平均值僅為(277.2±77.7)mg/L，超過96%的進(jìn)水低于設(shè)計(jì)值400 mg/L；進(jìn)水TN平均值為(37.8±9.5)mg/L，基本接近設(shè)計(jì)值45 mg/L，但仍有26.2%的進(jìn)水超過設(shè)計(jì)值；進(jìn)水TP濃度平均值(4.7±1.2)mg/L，高于設(shè)計(jì)值，超出設(shè)計(jì)值4.5 mg/L的比例高達(dá)64.5%。由圖6可知，COD/TP明顯較大(大于40的比例超過88%)，而COD/TN總體較低，低于8的比例超過57%。越高的COD/TN和COD/TP意味著生物脫氮除磷潛力越大，對(duì)比出水TN濃度，說明該系統(tǒng)生物脫氮效果好于預(yù)期。但由圖7可知，該階段所投加的除磷劑Al3+與進(jìn)水TP的摩爾比達(dá)到4.5以上，遠(yuǎn)大于理論除磷需要量以及常規(guī)建議化學(xué)藥劑投加量，其原因可能是好氧池內(nèi)的污泥消耗了部分藥劑[1]，也表明該污水處理廠的生物系統(tǒng)對(duì)磷的去除效果較單一的AAO工藝差，沒有充分利用污水中的碳源進(jìn)行生物除磷，基本要靠向好氧池內(nèi)投加化學(xué)除磷劑而實(shí)現(xiàn)。此外，在實(shí)際運(yùn)行過程中，其生物處理系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗為2 000～4 000 kW·h/d(根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和季節(jié)變動(dòng)而變動(dòng))，而MBR系統(tǒng)通常達(dá)到3 200 kW·h/d，后者能耗明顯高于前者。

圖3 2020年1月—6月污水處理廠進(jìn)出水CODCr濃度占比

圖4 2020年1月—6月污水處理廠進(jìn)出水TN濃度占比

圖5 2020年1月—6月污水處理廠進(jìn)出水TP濃度占比

圖6 2020年1月—6月污水處理廠進(jìn)水COD/TN和COD/TP占比

圖7 2020年1月—6月污水處理廠進(jìn)出水月均TP及藥劑投加比例

2 全流程工況分析

基于以上現(xiàn)狀分析，對(duì)該污水處理廠其中一組進(jìn)行全流程取樣檢測(cè)，以確定各處理單元的處理效果和工況，便于更好的剖析現(xiàn)狀原因。分別取厭氧進(jìn)水、厭氧池中段、厭氧出水、缺氧中段、缺氧出水、好氧中段、好氧出水、4個(gè)MBR池、出水和前-后置配水池(圖2)等進(jìn)行相關(guān)水質(zhì)和主要參數(shù)分析檢測(cè)(表2)。除進(jìn)水、出水和MLSS及MLVSS外，其他水樣均為沉淀30 min后上清液。便攜測(cè)定指標(biāo)采用手持式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(YSI Professional Plus, 美國)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

表2 檢測(cè)指標(biāo)及方法

整個(gè)取樣檢測(cè)進(jìn)行了7 d，期間系統(tǒng)的pH值基本穩(wěn)定在7.0～7.1，其他檢測(cè)結(jié)果如圖8～圖11所示。在檢測(cè)過程中，進(jìn)水COD、BOD5和N、P都較低(圖8～圖9)，小于前6個(gè)月的平均值，更遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，這與取樣時(shí)間9月為多雨季節(jié)直接相關(guān)。取樣期間MBR池內(nèi)殘留BOD5和TP都較高，分別超過10 mg/L和0.5 mg/L以上，意味著在污泥含量為7 000 mg/L以上的條件下，單純靠自然沉降難以去除懸浮物所攜帶的BOD5及TP等污染物。同時(shí)，盡管好氧池末端污含量也達(dá)到7 000 mg/L，且DO高于2.5 mg/L(圖11)，但好氧池對(duì)NH3-N的硝化作用較差，其末端達(dá)到9.8 mg/L以上(圖9)，硝化效率不足70%，而后續(xù)MBR池硝化作用明顯。這與張嚴(yán)嚴(yán)等[3]對(duì)相同工藝的沿程分析中發(fā)現(xiàn)NH3-N在好氧池前段即被硝化完全結(jié)果不同，其主要原因應(yīng)該是后配水池回流比達(dá)到500%，而從好氧池2到缺氧池回流量達(dá)到300%，直接縮短了好氧池的實(shí)際HRT，而張嚴(yán)嚴(yán)等[3]所檢測(cè)的污水處理廠缺氧池回流位置和好氧池DO與該廠明顯不同。另外，受內(nèi)回流的影響，其缺氧池ORP也達(dá)到(124.3±35.4)mV，一定程度上影響了系統(tǒng)反硝化效果，但最終出水TN低于10 mg/L，說明該系統(tǒng)在低C/N條件下仍然可以獲得較高的脫氮效果[8]。盡管厭氧池ORP低于-300 mV，具有良好的厭氧環(huán)境，但實(shí)際生物除磷效果不佳，可能與在好氧池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)除磷有關(guān)，即大部分磷轉(zhuǎn)化為磷酸鋁沉淀，難以在厭氧池內(nèi)釋放(厭氧出水TP稍高于MBR池TP)，影響了生物除磷效果，具體原因需要進(jìn)一步研究。但各廠采用的內(nèi)回流比有所差別，如有的內(nèi)回流比分別為3.5、2.0和2.0[5]，而有的則采用5.0、4.0和3.0[4]，不同的內(nèi)回流比以及不同回流位置，所取得的處理效果也各有不同[3,6]，因此，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)、池型結(jié)構(gòu)以及回流點(diǎn)位置等選擇合適的內(nèi)回流比。需要說明的是，4個(gè)MBR池在進(jìn)氣量相近的情況下，其DO濃度并不相同(圖11)，與污泥濃度相關(guān)，即污泥濃度較低，則DO濃度較高，這與理論相符，因此，在滿足處理效果的前提下，建議盡量降低池中污泥濃度，節(jié)省曝氣能耗。

圖8 CODCr、BOD5和TP沿程變化

圖9 氮污染物沿程變化

圖10 MLSS和MLVSS變化

圖11 DO沿程變化

3 結(jié)論

(1)AAO-MBR系統(tǒng)處理效果穩(wěn)定，且在C/N較低條件下可以取得較好的脫氮效果，但MBR池所需風(fēng)機(jī)能耗遠(yuǎn)大于好氧池生物所需，需要加強(qiáng)MBR吹掃風(fēng)量的優(yōu)化研究，降低該部分能耗。

(2)受內(nèi)回流的影響，所調(diào)研污水處理廠好氧池的硝化效率低于70%，其生物除磷效率明顯較小，應(yīng)根據(jù)每個(gè)水廠的實(shí)際情況，逐步調(diào)整三種內(nèi)回流流量甚至是內(nèi)回流點(diǎn)位置，確保AAO工藝各單元起到應(yīng)有作用。