AAO－MBR工藝脫氮工藝優(yōu)化及節(jié)能分析

文_李貝 陳邦杰 李微 武漢市城市排水發(fā)展有限公司北湖污水處理廠

為實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，重點(diǎn)整治水體富營養(yǎng)化，結(jié)合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002），城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)升級(jí)任務(wù)緊迫。生活污水的深度處理將成為污水處理的趨勢，膜生物反應(yīng)器（MBR）是高效膜分離技術(shù)與活性污泥法相結(jié)合的新型污水處理技術(shù)，它與傳統(tǒng)生化處理工藝相比具有更好的處理效果。因此，越來越多的城市在新建、擴(kuò)建污水處理廠時(shí)選擇MBR工藝。

MBR反應(yīng)器對有機(jī)物和SS的去除效果明顯，但由于反應(yīng)器中常是完全好氧環(huán)境，對氮磷營養(yǎng)元素的去除效果不佳，因此將MBR與傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝組合成為研究熱點(diǎn)，其中AO-MBR、UCT-MBR和AAO-MBR等組合工藝均有相關(guān)報(bào)道。目前研究應(yīng)用的組合工藝中，雖然膜對污染物的去除有一定的作用，但生物反應(yīng)單元仍承擔(dān)主要處理任務(wù)。厭氧-缺氧-好氧法（AAO）屬于活性污泥法，利用微生物降解有機(jī)物的同時(shí)具有良好的脫氮除磷效果，AAO+MBR工藝是在AAO池之后設(shè)置MBR膜池，取代傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池及深度處理單元，具有占地面積小、出水水質(zhì)好、剩余污泥量少等特點(diǎn)。

1 復(fù)合式MBR工藝系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工藝流程

某城市污水處理廠設(shè)有40萬t規(guī)模的AAO－MBR處理工藝，按4組10萬t獨(dú)立處理單元布置，污水經(jīng)過AAO池處理，大量有機(jī)污染物以及氮磷類物質(zhì)被生化降解后進(jìn)入MBR膜生物反應(yīng)池（A#、B#）。MBR膜生物反應(yīng)池是通過MBR膜生物反應(yīng)器的高效分離作用，活性污泥被截留在MBR膜池內(nèi)，出水經(jīng)消毒后外排。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

本次試驗(yàn)采用選擇區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)多點(diǎn)進(jìn)水方式。污泥回流采用膜區(qū)混合液回流到好氧區(qū)前段，好氧區(qū)末段混合液回流到缺氧區(qū)，缺氧區(qū)混合液回流到選擇區(qū)的三級(jí)回流。此外，在MBR池入口處投加PAC，以滿足出水總磷達(dá)標(biāo)。

設(shè)計(jì)工況：生化池總水力停留時(shí)間為12.9h（其中選擇區(qū)0.5h、厭氧區(qū)1.6h、缺氧區(qū)4.8h、好氧區(qū)6.0h）；膜池水力停留時(shí)間為1.15h；三級(jí)回流比分別為R1=500%、R2=300%、R3=200%。好氧池由3條過水廊道（好氧1、好氧2、好氧2）串聯(lián)組成，總曝氣氣管分為三根支氣管對應(yīng)好氧1～3，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

膜池配有10臺(tái)吹掃風(fēng)機(jī)，單機(jī)Q=340m3/min，P=0.048MPa，Pe=400kW，設(shè)計(jì)8用2備；膜生物池配有8臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)，單機(jī)Q=185m3/min，P=0.076MPa，Pe=315kW。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與檢測方法

通過對各點(diǎn)位進(jìn)水配比、回流比的調(diào)整，好氧區(qū)末端溶解氧控制，設(shè)計(jì)了幾種實(shí)驗(yàn)對比方案。試驗(yàn)過程中，沿生化池水流方向設(shè)定了進(jìn)水、厭氧池、缺氧池、好氧前端、好氧末端、膜池及出水等多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位；每調(diào)整1次工況，系統(tǒng)均穩(wěn)定運(yùn)行2周以上；取樣頻率為每周3次；為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性，每次取樣時(shí)間、位置均保持一致，試驗(yàn)過程的測定參數(shù)包括MLSS、氨氮、DO等，所有水質(zhì)分析方法均采用國標(biāo)法。此外，由于本試驗(yàn)是在現(xiàn)場進(jìn)行，受季節(jié)性影響，污水水溫會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)，為降低溫度的影響，本次設(shè)置水溫不低于15℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 曝氣量控制方式對出水及脫氮的影響

在進(jìn)水水質(zhì)相近、其他工藝條件基本相同的條件下，改變AAO池和A#、B#膜池某一工藝運(yùn)行參數(shù)，本次試驗(yàn)期間，通過曝氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及開度，考察了曝氣風(fēng)量改變對（方案1：好氧區(qū)末段DO在2～4mg/L之間；方案2：依據(jù)出水在線氨氮值進(jìn)行最低強(qiáng)度曝氣，維持出水氨氮在0.5mg/L以內(nèi)）強(qiáng)化脫氮效果的影響，從而調(diào)試分析確定該工藝運(yùn)行參數(shù)設(shè)置是否可行，對進(jìn)出水水質(zhì)的影響見表2。

表2 DO改變對進(jìn)出水水質(zhì)影響

通過對兩座曝氣池出水?dāng)?shù)據(jù)和好氧池DO進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果顯示，出水結(jié)果NH3-N、TP、COD、BOD5等數(shù)據(jù)均與DO之間不具備顯著性相關(guān)。相較于傳統(tǒng)AAO工藝，膜處理工藝中MBR池是生化處理工藝的末段，而AAO池的好氧區(qū)并非工藝末段，因此可以將好氧區(qū)末段DO控制在較低水平。在生化處理工藝中，硝化菌為專屬化能自養(yǎng)型細(xì)菌，對混合液中的DO濃度最為敏感。根據(jù)該廠長期運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過減少好氧曝氣在保證出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，即同時(shí)可滿足其它生化指標(biāo)的好氧需求，實(shí)際運(yùn)行具有可操作性。

2.2 內(nèi)回流比的影響

在該廠AAO-MBR中，存在膜池回流至好氧池、好氧池混合液回流至缺氧池和缺氧池混合液回流至選擇區(qū)三個(gè)重要回流。其中膜池混合液按比例進(jìn)入好氧池前段，污水在好氧池和膜池進(jìn)行吸磷和硝化反應(yīng)，在缺氧池和污泥緩沖區(qū)進(jìn)行反硝化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化脫氮除磷的目的。好氧池混合液回流有兩個(gè)作用：一是好氧池的硝酸鹽回流至缺氧池進(jìn)行反硝化，一般認(rèn)為該回流比與總氮去除直接相關(guān)；二是好氧池污泥回流至缺氧池，以維持缺氧池污泥濃度。本次試驗(yàn)通過調(diào)整3組回流比（S1-4：3：3，S2-4：3：2，S3-4：2：3，S4-4：2：2）考察其對改變生物脫氮除磷效果是否有效，結(jié)果見圖2。

圖2 不同回流比工況下脫氮影響

AAO工藝前置的選擇池不僅可以控制污泥膨脹，其缺氧的環(huán)境適合反硝化細(xì)菌生長，起到一定的脫氮作用，并減弱了硝酸鹽對厭氧池的不良影響，達(dá)到更好的厭氧環(huán)境。且隨著AAO內(nèi)回流比的增加，其中氨氮在反應(yīng)過程的去除作用可分為微生物作用、稀釋作用以及硝化作用，選擇區(qū)接受回流對氨氮進(jìn)行稀釋，同時(shí)微生物進(jìn)行自身同化反應(yīng)消耗氨氮，而好氧區(qū)硝化菌利用氧氣作為電子受體，在好氧條件下進(jìn)行硝化反應(yīng)。

AAO工藝中好氧區(qū)至缺氧區(qū)的回流比一般為200%左右。有研究指出，AAO好氧池混合液回流至缺氧池的回流比為250%時(shí)，能夠達(dá)到較好的脫氮效果和較低的運(yùn)行能耗；該回流比為300%時(shí)能達(dá)到較高的污染物去除效果。由圖2可以看出，調(diào)整內(nèi)回流大小可以改變TN的去除效果，但是出水TN基本都可以滿足（GB18918-2002）。此次實(shí)驗(yàn)TN去除率在S1（4：3：3）時(shí)效果最佳，說明上述回流比與HJ576-2010標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)回流比設(shè)計(jì)參考值基本相符。由圖2可以看出該廠膜池到好氧池回流比較高，一般在300%～400%；好氧池到缺氧區(qū)與缺氧池至選擇池的回流比一般較低，在200%～300%之間。

2.3 進(jìn)水方式的影響

傳統(tǒng)意義上的初次沉淀池污泥進(jìn)入生化反應(yīng)池后，可引發(fā)常規(guī)活性污泥法系統(tǒng)邊界條件的重要變化，其一就是進(jìn)水的有機(jī)物總量增加，有效緩解了碳源不足的問題，在提高除磷脫氮效率的同時(shí)，降低運(yùn)行成本。對功能完整的城市污水處理廠而言，這種碳源是易于獲取又不額外增加費(fèi)用的。該廠在兼顧系統(tǒng)脫氮除磷功能的前提下，選擇了占地面積相對較小、剩余污泥的產(chǎn)量較少的AAO-MBR工藝。

結(jié)合該廠運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了選擇區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)多點(diǎn)進(jìn)水（S1-7.1：64.2：28.5，S2-10.5：47.3：42.1，S3-10：29：60）的試驗(yàn)方案，旨在考察不同進(jìn)水方式的運(yùn)行效果（見圖3）。進(jìn)水方式采用多點(diǎn)進(jìn)水的方式，使得反硝化菌能充分利用原水中的易降解有機(jī)物進(jìn)行反硝化反應(yīng)，減少了好氧區(qū)異養(yǎng)菌對有機(jī)物的競爭，因此反硝化過程可以最大程度地利用原水碳源，同時(shí)在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程中由于硝化液回流比高達(dá)300%，所以對總氮有良好的去除，在進(jìn)水總氮平均為22.4mg/L的情況下，出水總氮平均為10.2mg/L，平均去除率達(dá)54.5%。

圖3 不同進(jìn)水配比工況下脫氮影響

對傳統(tǒng)AAO工藝，有人建議采用1/3 進(jìn)水入缺氧區(qū)， 2/3進(jìn)水入?yún)捬鯀^(qū)的分配方案可以取得較高的N、P去除效果，有報(bào)道指出適當(dāng)?shù)卦诤醚醵卧黾尤毖鯐r(shí)間可有效提高生物脫氮能力。其主要原因?yàn)椋孩俸醚醵卧黾尤毖鯐r(shí)間，可有效減少因過度曝氣導(dǎo)致的污泥內(nèi)碳源消耗，因內(nèi)碳源屬于慢速碳源，增加污泥內(nèi)碳源反硝化的時(shí)間，可以有效增加反硝化作用②好氧段增加缺氧時(shí)間，在進(jìn)水碳源不足的情況下可有效增加同步硝化反硝化作用，減少反硝化所需碳源，增加TN去除率。根據(jù)圖3結(jié)果顯示，采用多段進(jìn)水的形式適當(dāng)調(diào)整缺氧時(shí)間能顯著提高總脫氮效率。此外，選擇池中特有的兼氧-厭氧和高底物濃度環(huán)境，因而在工藝上有助于提高脫氮效果。

預(yù)處理之后的污水經(jīng)過AAO系統(tǒng)的反應(yīng)，結(jié)合生化池體的布局對原污水中的碳源進(jìn)行多點(diǎn)投加，促使其中的菌群處于饑餓狀態(tài)，提高了其降解效能和固有碳源利用效率，大量有機(jī)污染物以及氮磷類物質(zhì)將被生化降解后使出水 TN去除率得以提升，隨后進(jìn)入MBR膜生物反應(yīng)池。

3 能耗分析

MBR工藝電能消耗主要用于生物池曝氣、膜池吹掃、污泥回流及混合液攪拌。在實(shí)驗(yàn)階段，膜池吹掃強(qiáng)度設(shè)定為80Nm3/（m2·h）。根據(jù)膜生物池末端DO在2～4mg/L之間控制曝氣，總輸出風(fēng)量約為3×104m3/h，需3臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行；根據(jù)出水在線氨氮值0.5mg/L的限值進(jìn)行曝氣風(fēng)量控制，實(shí)際輸出曝氣總風(fēng)量約7000m3/h，僅需1臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)運(yùn)行，曝氣動(dòng)力功率消耗下降約600kW。

4 結(jié)論

曝氣單元是AAO-MBR工藝的主要能耗單元，MBR池吹掃風(fēng)量根據(jù)實(shí)際MLSS控制。好氧區(qū)曝氣風(fēng)量依據(jù)傳統(tǒng)的DO2～4mg/L設(shè)定，改為依據(jù)出水在線氨氮值0.5mg/L以下設(shè)定，實(shí)際生產(chǎn)具備可操作性，有效減少了回流硝化液中的分子氧夾帶，提高了生物脫氮能力，同時(shí)也大幅降低了能耗。

優(yōu)化內(nèi)外回流比可以提高池容利用率，合理調(diào)整厭氧、缺氧及好氧時(shí)間；改進(jìn)污泥回流路線或增加反硝化環(huán)節(jié)，以控制厭氧區(qū)回流污泥中的硝酸鹽含量，硝化細(xì)菌大量繁殖，實(shí)現(xiàn)硝化菌的富集馴化，強(qiáng)化了系統(tǒng)整體的硝化效果可以提高生物脫氮能力。

在曝氣、攪拌及各循環(huán)系統(tǒng)相同的情況下，在缺氧和好氧II中增設(shè)了2個(gè)進(jìn)水點(diǎn)對進(jìn)水方式進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合生化池體的布局，對原污水中的碳源進(jìn)行多點(diǎn)投加，促使其中的菌群處于饑餓狀態(tài)，提高了其降解效能和固有碳源利用效率，從而使出水TN得以提升，也進(jìn)一步強(qiáng)化生物脫氮能力。