AAO及改良型工藝耦合MBR工藝應用研究綜述

鮑任兵，馬 民，徐 健，萬年紅，魏曉蓓，杜 敬，賀珊珊

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.武漢市城市排水發(fā)展有限公司，湖北武漢 430070)

生化處理是污染物削減的主要環(huán)節(jié)，也是污水處理提質(zhì)增效的最終落腳點，其運行情況將直接影響城市水環(huán)境及人民生活質(zhì)量。氮、磷是引起水質(zhì)超標的主要污染物，傳統(tǒng)AAO工藝是生物硝化反硝化工藝及生物除磷工藝的結(jié)合，能夠達到脫氮除磷的效果。然而，我國污水處理廠普遍存在進水濃度低、碳氮比低、無機懸浮物濃度高的特點，大大增加了處理難度和運行成本。目前，污水處理廠改、擴建日益增多，處理工藝控制日趨復雜，調(diào)控反應滯后、運行方案不精確等問題凸顯。

隨著技術(shù)工藝的提升，各地政府對污水處理提出了更為嚴格的要求，不少省市相繼出臺新法規(guī)，將城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，提升到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類標準。在排放標準日趨嚴格的情況下，特別對于現(xiàn)有污水廠的提標，應重點關(guān)注于挖掘生化處理潛能，通過調(diào)控關(guān)鍵控制點，優(yōu)化氮、磷去除性能，在不新增構(gòu)筑物下達到出水水質(zhì)的提升。

改良Bardenpho工藝和多級AO工藝因其脫氮性能好，能較好地滿足大量去除TN的要求，因此，工程應用越來越多。為了進一步提升活性污泥法處理效果，提高在低碳源和低溫條件下的氮、磷去除能力，增強抗水質(zhì)水量沖擊負荷，傳統(tǒng)AAO工藝、改良Bardenpho工藝、多級AO工藝與MBR工藝的耦合成為新建提標改造的新型工藝形式，但仍存在回流污泥溶解氧偏高、回流形式復雜、調(diào)控困難等問題，導致出水水質(zhì)不穩(wěn)定、運行費用較高。本文通過總結(jié)傳統(tǒng)AAO及其改良型工藝耦合MBR工藝的技術(shù)特點和處理難點，并結(jié)合相關(guān)工程應用案例，提出系統(tǒng)性的工藝優(yōu)化措施和調(diào)控方案，為今后污水處理廠的新建、改擴建工藝選擇以及優(yōu)化路徑提供技術(shù)支持。

1 常見工藝類型

1.1 AAO-MBR工藝

AAO-MBR工藝是在傳統(tǒng)AAO工藝基礎(chǔ)上取消二沉池，同時增設MBR池，與傳統(tǒng)AAO工藝相比，AAO-MBR工藝污泥含量更高，普遍達到8 000～10 000 mg/L，有利于縮短工藝流程，減少水力停留時間(HRT)，增強抗水質(zhì)水量沖擊負荷能力，并且在一級A出水要求下能夠節(jié)約占地近40%[1]。MBR工藝通常采用高曝氣形式增加膜絲抖動，防止污泥黏住膜絲，以提高膜使用壽命。常規(guī)AAO工藝好氧池溶解氧含量要求一般在2～3 mg/L，然而MBR反應池的高曝氣量將導致回流污泥溶解氧偏高，含量通常能達到6 mg/L以上[2]。研究表明，MBR池的高濃度污泥及較長的污泥齡能夠保證系統(tǒng)對于氨氮的去除，在低溫條件下仍能保持較高的硝化反應速率[3-4]。較高的曝氣強度卻不利于反硝化和釋磷反應，若直接回流至厭氧池或缺氧池，將引入大量溶解氧，破壞厭氧和缺氧環(huán)境，喪失脫氮除磷功能。如圖1所示，AAO-MBR工藝通常采用三級回流形式，逐級降低MBR池回流液溶解氧，在高污泥濃度下保證各反應區(qū)的溶解氧要求，回流比通常依次為400%～600%、300%～500%、100%～200%。

圖1 AAO-MBR工藝流程圖Fig.1 AAO-MBR Process

在排放標準日趨嚴格的形勢下，多數(shù)污水廠提標改造采用AAO-MBR工藝，但后置MBR池主要功能在于提高反應池內(nèi)的生物量，延長污泥停留時間(SRT)，以保證低溫和進水濃度偏低條件下的生化處理性能，氮、磷的去除仍然主要依靠前置AAO工藝。在生化處理性能較好的情況下，AAO-MBR工藝有助于提升出水水質(zhì)，使TP含量穩(wěn)定達到0.5 mg/L以下，TN含量達到15 mg/L以下。但MBR池若采取持續(xù)的高曝氣強度也增加了氮、磷去除的不穩(wěn)定性，無法保證出水TN含量穩(wěn)定達到10 mg/L以下。

圖2 倒置AAO-MBR工藝流程圖Fig.2 Inverted AAO-MBR Process

在高排放標準要求下，為了應對污水處理廠進水碳源不足的問題，通常采用外加碳源的方式。為了減少碳源投加，充分利用進水中的碳源，采用倒置AAO-MBR工藝具有一定優(yōu)勢。如圖2所示，缺氧池位于首端，能夠優(yōu)先與進水接觸獲得碳源進行反硝化，強化脫氮效果，且可以取消缺氧至厭氧的回流，簡化系統(tǒng)的同時節(jié)省運行能耗。為了保證厭氧釋磷，需增加厭氧區(qū)的分段進水，并且需保證前置缺氧池的反硝化性能，否則大量硝酸鹽進入?yún)捬醭貙е聼o法有效厭氧釋磷。因此，倒置AAO-MBR工藝對于缺氧池的容積要求將較大，且要保證反硝化反應的有效性，這就增大了運行的不穩(wěn)定性和風險。

1.2 改良Bardenpho-MBR工藝

為達到更嚴格的出水TN要求(TN含量穩(wěn)定達到10 mg/L以下)，改良Bardenpho工藝與MBR工藝的組合工程應用日漸增多。該工藝就是在AAO-MBR工藝中間增設專用的脫氮單元(AO池)，使所有好氧池產(chǎn)生的硝酸鹽全部經(jīng)過缺氧區(qū)進行反硝化，并投加碳源，強化脫氮效果，后置好氧池也可與MBR池合并。

目前，存在2種回流方式：(1)回流形式與AAO-MBR工藝一致，MBR池回流至前端好氧區(qū)，前端好氧區(qū)回流至前端缺氧區(qū)，前端缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)[圖3(a)]；(2)MBR池回流至前端好氧區(qū)，后置缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)[圖3(b)]。劉議安等[5]和祝君喬等[4]分別采用圖3中回流方式一和回流方式二，在進水碳源較好的情況下，均實現(xiàn)了出水TN含量穩(wěn)定低于10 mg/L，TP含量穩(wěn)定低于0.3 mg/L。高術(shù)波[6]采用回流方式二對北京某污水廠進行提標改造，當COD/TN約為6時，仍能保證出水TN含量低于15 mg/L。本文推薦采用回流方式二，從后置缺氧區(qū)回流的混合液經(jīng)過了2個缺氧區(qū)，其硝酸鹽濃度較回流方式一更低，可以避免硝酸鹽對厭氧釋磷的影響，增強除磷效果。另外，當進水碳源不足時，后置缺氧區(qū)需投加碳源，采用該區(qū)域回流至厭氧區(qū)，能夠充分利用富裕的碳源用于厭氧區(qū)釋磷，避免了碳源的浪費。

圖3 改良Bardenpho-MBR工藝流程圖Fig.3 Modified Bardenpho-MBR Process

1.3 多級AO-MBR工藝

與傳統(tǒng)AAO工藝和改良Bardenpho工藝相比，多級AO工藝是采用多段AO區(qū)串聯(lián)而成(一般2～3段)，并采用多點進水方式，具有占地面積小、無需內(nèi)回流、通常情況下無需投加碳源等優(yōu)點，因此，在現(xiàn)階段得到廣泛應用。多級AO工藝與MBR工藝相結(jié)合后既能發(fā)揮前者的強化脫氮優(yōu)勢，又能發(fā)揮MBR工藝抗沖擊負荷能力強的優(yōu)勢。為了保證生化池的污泥量，需進行污泥回流，常規(guī)多級AO工藝為二沉池回流至厭氧區(qū)，但MBR池溶解氧含量較高，需進行多級回流逐步降低溶解氧。目前，針對多級AO-MBR工藝的相關(guān)工程應用較少，也未形成系統(tǒng)的調(diào)控手段和運行策略。張曉飛等[7]通過構(gòu)建多級AO-MBR工藝中試裝置，實現(xiàn)在7～13 ℃條件下基本能保證出水TN含量低于10 mg/L，去除率穩(wěn)定達到85%以上，出水TP含量甚至低于0.1 mg/L，去除率高達97.5%以上，這說明該工藝在低溫條件下能有效滿足較高的排放標準。

由于污泥回流的存在，多級AO工藝可不設內(nèi)回流，但多級AO-MBR工藝因MBR池污泥溶解氧較大無法直接回流至厭氧池，其回流方式將對其污染物去除性能產(chǎn)生較大影響。本文提出4種多級AO-MBR工藝回流方式：(1)MBR池回流至第一好氧區(qū)前端，第一缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(a)]；(2)MBR池回流至第一好氧區(qū)前端，第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(b)]；(3)MBR池回流至第二好氧區(qū)前端，第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(c)]；(4)MBR池回流分別回流至各好氧池前端，第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(d)]。

圖4 多級AO-MBR工藝回流方式Fig.4 Mixed Liquid Reflux Mode of Multistage AO-MBR Process

由于目前尚缺乏相關(guān)研究，現(xiàn)通過理論分析4種回流方式對氮、磷去除的影響。首先為保證厭氧區(qū)的高效釋磷，圖4中的回流方式二、三和四較為合理，污水經(jīng)過兩級缺氧可獲得更低的硝酸鹽濃度。另外，從MBR池回流的污泥濃度較高，能大幅增加生化池的微生物含量，增強抗沖擊負荷能力，采用回流方式二和四更合理，能使生化池既能保持高污泥濃度，又能保證除磷效果。一般為防止MBR反應池內(nèi)的污泥濃度過高導致膜絲堵塞，回流量一般為500%。通常多級AO工藝逐級AO的HRT相差不大或有增大趨勢[8-9]，若采用回流方式二將導致第一段AO承受過量回流，難以穩(wěn)定達到缺氧環(huán)境，因此，采用回流方式四更為合理，將回流量平均分配于多個好氧池，既能保證各功能區(qū)的污泥濃度，又能保證各反應功能區(qū)的溶解氧環(huán)境。

2 技術(shù)難點及優(yōu)化措施

2.1 脫氮

MBR工藝主要針對有機物、SS和氨氮，本身不具備反硝化功能，硝酸鹽的去除主要依靠前端生化工藝，因此，生化處理性能將直接影響出水TN。在耦合工藝下，MBR池的高溶解氧回流液將對前端生化反應產(chǎn)生較大影響。雖然采取多級回流的形式逐級降低溶解氧，能夠在一定程度上緩解對缺氧反硝化和厭氧釋磷的抑制，但仍然會導致高曝氣量的浪費，造成能耗偏高。因此，在控制膜污染的同時，對實現(xiàn)溶解氧控制以及耦合工藝下的生化池優(yōu)化設計具有重要意義。

(1)溶解氧控制

為控制膜污染，MBR工藝氣水比通常達到10∶1以上，回流至好氧池后溶解氧含量也能達到4～5 mg/L，因此，應充分利用膜池回流的溶解氧，降低好氧區(qū)曝氣量實現(xiàn)溶解氧控制。根據(jù)李易寰等[10]研究，控制好氧區(qū)末段溶解氧含量在1.5～2.5 mg/L，出水TN含量可以穩(wěn)定在10 mg/L以下。溶解氧控制可采取分區(qū)曝氣方式，通過將好氧區(qū)進行曝氣分區(qū)，實時監(jiān)控進水濃度和好氧區(qū)溶解氧，及時調(diào)控分區(qū)的曝氣量，實現(xiàn)好氧區(qū)末端溶解氧的精確控制。唐鑫偉等[11]通過采用德國冰得公司生產(chǎn)的VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統(tǒng)，將好氧區(qū)分為前端和后端，降低前端曝氣量以緩解膜池高溶解氧污泥回流，同時監(jiān)控進水污染物負荷變化，精確控制后端曝氣，使好氧區(qū)末端溶解氧含量始終位于(1.0±0.5)mg/L，實現(xiàn)出水TN含量低于5 mg/L。對于低碳氮比污水，降低好氧區(qū)末端溶解氧還能大幅減少碳源投加量。根據(jù)德國冰得公司研究，通過精確控制降低內(nèi)回流溶解氧為3 mg/L，碳源投加量可相應降低近20%，大大降低了噸水處理藥耗。然而對于現(xiàn)有污水廠提標改造，直接采取降低好氧區(qū)的曝氣量或直接關(guān)閉好氧池風機，將容易發(fā)生污泥沉積，因此，需同步增設推流器等防積泥措施。

(2)生化池優(yōu)化設計

圖5 AAO-MBR工藝優(yōu)化設計Fig.5 Optimal Design of AAO-MBR Process

針對現(xiàn)有污水廠提標改造，當采用耦合MBR的工藝形式時，若直接采用原生化池設計和曝氣系統(tǒng)，要達到好氧池末端低溶解氧的同時，保持出水COD和氨氮達標較為困難，對運行調(diào)控也是巨大的挑戰(zhàn)。如圖5所示，本文提出可在好氧區(qū)后設置單獨的消氧區(qū)，膜池回流的污泥首先進入消氧區(qū)使溶解氧含量降至1.5 mg/L以下，之后回流至缺氧區(qū)。好氧區(qū)和膜池可保證有機物和氨氮的處理達標，設置消氧區(qū)對于運行管理的調(diào)控要求較低，但可能導致占地略微增大，適用于大部分污水廠提標改造的要求。一般情況下，耦合MBR生化工藝好氧區(qū)至缺氧區(qū)的回流量為300%～500%，而傳統(tǒng)的AAO工藝回流量為200%～300%，將導致實際缺氧區(qū)HRT減少30%～50%，降低反硝化程度。因此，對于耦合MBR的生化工藝形式，還應將缺氧池HRT增大。

2.2 除磷

表1 AAO及改良型工藝耦合MBR工藝優(yōu)選方案Tab.1 Effective Process Selection of AAO and Modified Process Coupled with MBR

為保證出水TP達標，通常采取化學除磷方式。李易寰等[10]通過向好氧區(qū)前端投加三氯化鐵，實現(xiàn)出水TP含量低于0.2 mg/L。但隨著藥劑的持續(xù)投加，膜池污泥內(nèi)磷、鐵的含量有升高趨勢，這說明逐步出現(xiàn)了磷富集和化學污泥占比增大的現(xiàn)象[12]。因此，化學除磷方式可用于應急投加，長期連續(xù)投加并不可取，重點在于低曝氣MBR池的研發(fā)，進一步強化生物除磷。

2.3 膜污染控制

膜池內(nèi)高濃度的懸浮污泥易附著于膜絲，是導致膜污染的主要因素，也是目前膜池采取大曝氣方式的根本原因，因此，采取有效手段保持膜絲清潔的同時，保證生化效果至關(guān)重要。當膜污染形成、膜通量降低時，通常采用酸、堿或其他化學藥劑浸泡的方式去除膜孔內(nèi)的污染物，不但易造成二次污染，還會影響膜使用壽命[13]。目前，運行過程中減緩膜污染的物理手段主要是投加粉末活性炭、懸浮填料以及開發(fā)新型膜清洗技術(shù)等。

(1)投加粉末活性炭

在常規(guī)MBR池內(nèi)，活性污泥處于懸浮狀態(tài)，在大曝氣量下不易形成粒徑較大的生物絮體，易黏住膜絲，加快膜污染。研究表明，向反應池內(nèi)投加粉末活性炭和顆粒活性炭均能夠顯著增大污泥絮體粒徑，降低污泥比阻值，減小膜孔堵塞幾率，延長運行周期[14-15]。郭小馬等[16]通過向MBR池中投加0.8 g/L的粉末活性炭，有效減小了跨膜壓差的上升速度，減緩了膜污染，使運行周期從7 d延長至26 d。一般粉末活性炭的投加量可在0.5～1.5 g/L，過高投加量反而會影響絮體形成，降低膜臨界通量[17]。

(2)投加懸浮填料

在膜池內(nèi)添加填料能夠在曝氣環(huán)境中增加對膜絲的擦洗作用，緩解膜污染。研究表明，在投加填料后可將活性污泥富集在填料表面，提高了生物絮體凝聚力；同時膜池內(nèi)MLSS降低，膜表面濾餅層更為疏松，跨膜壓差顯著降低，可相應減少膜清洗頻率，延長運行時間。樊嘉文等[18]通過向AAO-MBR工藝缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜區(qū)添加懸浮填料，在保證氮、磷去除效果的基礎(chǔ)上，將最長膜運行時間從8.71 d延長至138 d，大大控制了膜污染進程。

(3)新型膜清洗技術(shù)

低曝氣或非曝氣型MBR膜清洗技術(shù)的開發(fā)，如超聲波在線清洗技術(shù)[19-20]、往復運行式膜組件[21]、電場緩解膜污染技術(shù)[22]等，為該工藝的發(fā)展提供了新思路。膜組件在運行過程中不再依靠大曝氣量保持膜清潔，在降低能耗的同時減少了回流污泥的溶解氧濃度，全面提升生化處理效能。目前，清洗效果尚有待進一步提升，相關(guān)工程應用較少，尚未形成完善的技術(shù)體系和設計標準，這將是今后的發(fā)展方向。

3 工藝選擇與調(diào)控方案

表1總結(jié)了AAO及改良型工藝耦合MBR工藝形式的特點和應對情況，在新建污水廠或現(xiàn)有污水廠提標改造時，應根據(jù)進水水質(zhì)和排放標準要求，綜合考慮占地及運行經(jīng)濟性，合理選擇最佳工藝方案。

目前，生化耦合MBR工藝形式的工程應用日益增多，但缺乏相關(guān)的設計標準和系統(tǒng)性的優(yōu)化研究，仍存在無效容積大、運行復雜的難題。表2列舉了關(guān)鍵技術(shù)問題及優(yōu)化措施，為今后研究方向及工藝調(diào)控提供支持。

表2 生化耦合MBR工藝形式調(diào)控方案Tab.2 Control Scheme of Biochemical Reactions Coupled with MBR

4 結(jié)語

傳統(tǒng)AAO工藝、改良Bardenpho工藝、多級AO工藝與MBR工藝的耦合形式能夠在低碳源、低溫條件下有效提高氮、磷去除能力，增強抗沖擊負荷能力，這是新建污水廠和現(xiàn)有污水廠提標改造的有效選擇。

對于現(xiàn)有污水廠的改造，需要根據(jù)進水水質(zhì)和出水重點關(guān)注指標優(yōu)化調(diào)控和運行參數(shù)，調(diào)整運行策略，保證前端生化系統(tǒng)的運行高效性和穩(wěn)定性；對于新建污水廠的設計，應優(yōu)化前置生化工藝的設計參數(shù)和回流形式，提出新的設計思路，發(fā)揮各工藝單元最大優(yōu)勢的同時減少無效容積。

為努力實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標要求，進一步促進節(jié)能減排，探索新型的膜組件及運行方式是今后發(fā)展的必然選擇。