多點(diǎn)進(jìn)水AAO-A+MBR工藝在低C/N污水處理廠的工程應(yīng)用

沈 超，任玉輝

(1.海寧市水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，浙江海寧 314400；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

在城鎮(zhèn)的快速發(fā)展中，為了改善地表水體的環(huán)境功能，污水處理廠出水水質(zhì)的要求不斷提高，南方城鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在進(jìn)水C/N低、出水TN不穩(wěn)定的情況，并受到廣泛關(guān)注[1]。海寧丁橋污水處理廠四期工程位于太湖流域和錢塘江流域水質(zhì)敏感區(qū)，出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。海寧丁橋污水處理廠現(xiàn)建有三期工程，處理規(guī)模共1.5×105m3/d，主體工藝為“SBR+AAO”工藝，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，但污水處理廠實(shí)際進(jìn)水中含有高達(dá)50%的工業(yè)廢水，而且近兩年來運(yùn)行負(fù)荷率接近90%，四期工程為丁橋污水處理廠處理能力接近滿負(fù)荷時(shí)的擴(kuò)建工程，用地較為緊張。

MBR工藝是由生物處理單元和膜分離單元結(jié)合而成的一種新型水處理技術(shù)，該工藝具有占地小、微生物含量高、污染物去除效率高、污泥產(chǎn)量低等特點(diǎn)[2]。AAO與膜工藝結(jié)合能實(shí)現(xiàn)生活污水中CODCr、氨氮、TN、TP等物質(zhì)的高效去除，在城鎮(zhèn)生活污水處理廠中應(yīng)用廣泛[3-4]。但對于工業(yè)廢水，其可生化性普遍較差，同時(shí)受限于運(yùn)行成本等原因，MBR工藝在含有大量工業(yè)廢水的城鎮(zhèn)污水處理廠中尚未得到規(guī)?；膽?yīng)用。

本研究以海寧丁橋污水處理廠四期工程為例，針對其進(jìn)水中含有大量的工業(yè)廢水，介紹其設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)際運(yùn)行情況和成本分析，以期為該類型污水處理改擴(kuò)建工程和后期運(yùn)維提供參考。

1 工程概況

浙江海寧丁橋污水處理廠四期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為5×104m3/d，服務(wù)人口為34萬人，服務(wù)面積為332 km2，主體工藝采用“AAO-A+MBR”，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。出廠污泥含水率小于80%，污泥產(chǎn)量約為40 t/d。除臭設(shè)施與主體工程同步建設(shè)，對細(xì)格柵、曝氣沉砂池、調(diào)節(jié)池、初沉發(fā)酵池、生物池厭缺氧區(qū)、污泥濃縮池、污泥儲池和脫水機(jī)房等構(gòu)筑物進(jìn)行加蓋并收集臭氣，采用生物除臭工藝進(jìn)行處理。該工程于2020年6月開始投入運(yùn)行，污水處理廠工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

該工程主要收集海寧市區(qū)4個(gè)街道的生活污水和工業(yè)廢水，進(jìn)水生活污水和工業(yè)廢水比例約為1∶1，其中工業(yè)廢水主要為印染、經(jīng)編和化工等行業(yè)廢水，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

根據(jù)傳統(tǒng)的脫氮理論，實(shí)現(xiàn)完全反硝化的理論C/N為2.86，但是由于微生物的生長，一般認(rèn)為，BOD5/TN≥3，即可認(rèn)為污水有足夠的碳源供反硝化菌利用。由表1可知，該工程BOD5/TN僅為2。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)與排放標(biāo)準(zhǔn)要求Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Requirement of Discharge Standard

2 主要構(gòu)筑物及設(shè)備參數(shù)

2.1 分配井及細(xì)格柵

分配井及細(xì)格柵間(合建)1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，過柵流速為0.579 m/s；旋轉(zhuǎn)齒耙格柵清污機(jī)2臺(1用1備)，柵條間隙為10 mm，柵前水深為1 m，單臺功率為1.5 kW，格柵傾角為70°；螺旋輸送機(jī)1臺，功率為2.2 kW；內(nèi)進(jìn)流網(wǎng)板式細(xì)格柵(配套沖洗系統(tǒng))2臺(1用1備)，柵條間隙為5 mm，柵前水深為1.47 m，格柵傾角為90°，單臺功率為1.5 kW。

2.2 曝氣沉砂池

曝氣沉砂池1座(分2格)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為18.00 m×7.60 m×5.15 m，停留時(shí)間為5.68 min；沉砂池移動式刮砂橋1套，洗砂泵2臺，單臺功率為2.2 kW；羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺(1用1備)，單臺功率為11 kW；砂水分離器1臺，功率為0.37 kW。

2.3 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池1座(分4格)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為40.0 m×40.0 m×5.2 m，調(diào)節(jié)時(shí)間為4 h；立軸攪拌器4套，單套功率為5.5 kW；潛水軸提升泵3臺(2用1備)，單臺流量為1 145 m3/h，揚(yáng)程為2～6 m，單臺功率為18.5 kW。

2.4 初沉發(fā)酵池

初沉發(fā)酵池2座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單座池內(nèi)徑為22 m，周邊水深為4.8 m，表面負(fù)荷為3.0 m3/(m2·h)；中心傳動刮泥機(jī)及配套浮渣排除設(shè)備2臺，單臺功率為0.37 kW；潛水?dāng)嚢杵?臺，單臺功率為4 kW；污泥螺桿泵3臺(2用1備)，單臺流量為15 m3/h，揚(yáng)程為30 m，單臺功率為3 kW。

2.5 膜格柵池

膜格柵池1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；板式膜格柵4臺(2用2備)，柵條間隙為1 mm，柵前水深最高為2 m，格柵傾角為90°，單臺功率為1.5 kW；柵渣清洗壓榨機(jī)1臺，功率為2.2 kW；膜格柵沖洗泵4臺(2用2備)，單臺流量為30 m3/h，揚(yáng)程為55 m，功率為7.5 kW。

2.6 AAO-A生物池

AAO-A生物池2座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)流量為0.578 m3/s。好氧池污泥質(zhì)量濃度為8 g/L，缺氧池污泥質(zhì)量濃度為6 g/L，總泥齡為20 d，停留時(shí)間：厭氧區(qū)1.5 h，缺氧區(qū)4.5 h，好氧區(qū)6.0 h，兼氧區(qū)1.1 h。厭氧區(qū)立軸攪拌器2臺，單臺功率為5.5 kW；缺氧區(qū)潛水推進(jìn)器4臺，單臺功率為7.5 kW；好氧區(qū)微孔曝氣器6 300個(gè)，空氣流量為2 Nm3/(h·個(gè))；兼氧區(qū)潛水?dāng)嚢杵?臺，單臺功率為2.2 kW；混合液內(nèi)回流泵(缺-厭)4臺(2用2備)，內(nèi)回流比為200%，單泵流量為2 083 m3/h，揚(yáng)程為0.8 m，功率為7.5 kW；混合液內(nèi)回流泵(兼-缺)6臺，內(nèi)回流比為400%，單泵流量為1 389 m3/h，揚(yáng)程為1.2 m，功率為11 kW。

2.7 MBR膜池

MBR膜池1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，廊道數(shù)量為10條，單廊道尺寸為22.3 m×4.6 m×5.0 m，停留時(shí)間為1.06 h，污泥質(zhì)量濃度為8～12 g/L。膜組器數(shù)量為70組，平均產(chǎn)水量為834 m3/(d·組)，單組膜面積為2 100 m2，名義膜通量為14.17 L/(m2·h)，材質(zhì)為PVDF中空纖維帶襯膜。膜池-好氧池設(shè)有回流泵6臺，單臺流量為1 740 m3/h，揚(yáng)程為1 m，功率為11 kW，回流比為500%；產(chǎn)水泵10臺，單臺流量為334 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為15 kW；剩余污泥泵3臺(2用1備)，單臺流量為334 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為15 kW；CIP泵2臺(1用1備)，單臺流量為200 m3/h，揚(yáng)程為12 m，功率為11 kW；CIP加藥系統(tǒng)1套。

2.8 消毒接觸池

消毒接觸池1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為30.0 m×10.6 m×4.5 m，停留時(shí)間為0.5 h，潛水泵2臺(1用1備)，單臺流量為150 m3/h，揚(yáng)程為4 m，功率為3.0 kW。

2.9 風(fēng)機(jī)房

風(fēng)機(jī)房1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為24.8 m×12.5 m×9.3 m。膜吹掃鼓風(fēng)機(jī)為空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)，共3臺，2用1備，自帶變頻，單臺風(fēng)量為195 Nm3/min，壓力為5 m，功率為185 kW；生物池鼓風(fēng)機(jī)為空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)，共2臺(1用1備)，自帶變頻，單臺風(fēng)量為110 m3/min，壓力為7.5 m，功率為160 kW。

2.10 加藥間

次氯酸鈉投加系統(tǒng)1套，投加計(jì)量泵3臺(2用1備)，單臺流量為300 L/h，揚(yáng)程為20 m，功率為0.37 kW；PAC投加系統(tǒng)1套，投加計(jì)量泵3臺(2用1備)，單臺流量為15 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為1.5 kW；乙酸鈉投加系統(tǒng)1套，投加計(jì)量泵3臺(2用1備)，單臺流量為300 L/h，揚(yáng)程為20 m，功率為0.55 kW。

3 工藝運(yùn)行特點(diǎn)

(1)設(shè)置初沉發(fā)酵池

通過在刮泥機(jī)上安裝潛水?dāng)嚢杵?，把普通的初沉池設(shè)計(jì)成初沉發(fā)酵池，初沉發(fā)酵池中揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量較普通初沉池提高約5%，可提高污水的可生化性，增加進(jìn)入生化池的可利用內(nèi)生碳源，從而提高反硝化能力。

(2)采用多點(diǎn)進(jìn)水AAO-A模式

反硝化過程需要有機(jī)物作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為N2，以實(shí)現(xiàn)污水脫氮的目的?？紤]到污水處理廠實(shí)際進(jìn)水中含有高達(dá)50%的工業(yè)廢水，本工程AAO-A生物池建立多點(diǎn)進(jìn)水的運(yùn)行方式，進(jìn)水點(diǎn)包括厭氧池、缺氧池、兼氧池(圖2)，可以根據(jù)工藝運(yùn)行需要向缺氧池和兼氧池分配一定比例的進(jìn)水，利用原水中的碳源以節(jié)約外加碳源的投加，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗沖擊能力。控制兼氧池曝氣末端溶解氧質(zhì)量濃度在1 mg/L左右，可在兼氧池通過關(guān)閉曝氣器切換成缺氧運(yùn)行，配合兼氧到缺氧400%的回流量以加強(qiáng)反硝化反應(yīng)[5]。在缺氧池，分配10%～15%的進(jìn)水，可以有效控制回流帶來的溶解氧的影響，并促進(jìn)一部分反硝化反應(yīng)；在兼氧池分配0～10%的進(jìn)水，也可在兼氧池再進(jìn)行一次反硝化脫氮，其余未去除的污染物在MBR膜池進(jìn)行氧化去除?？偟膩碚f，多點(diǎn)進(jìn)水可以最大程度地利用進(jìn)水原有的碳源于反硝化反應(yīng)，節(jié)約了外加碳源的投加，使出水TN波動更小，更有利于出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖2 多點(diǎn)進(jìn)水AAO-A+MBR流程圖Fig.2 Flow Chart of Multi-Point Influent AAO-A+MBR Process

(3)采用MBR工藝

由于本工程用地緊張，采用MBR工藝取代傳統(tǒng)的二沉池+混凝沉淀過濾，并且MBR膜生物反應(yīng)器工藝也具有優(yōu)越的去除有機(jī)物和脫氮除磷功能。有機(jī)物降解方面：與傳統(tǒng)生物法相比，MBR對有機(jī)物去除效率高(一般大于96%)，而且可以在較短的水力停留時(shí)間(HRT)內(nèi)達(dá)到較好的去除效果。脫氮方面：從硝化角度分析，膜的高效截留作用使微生物完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器HRT和污泥齡(SRT)的完全分離[6]，有利于增殖緩慢的亞硝酸菌和硝酸菌的截留、生長和繁殖，同時(shí)，微生物菌膠團(tuán)的平均粒徑較常規(guī)活性污泥法更加細(xì)小，硝化速率更高;從反硝化角度分析，由于膜的高效截留作用，反應(yīng)器內(nèi)可維持很高的污泥濃度，相應(yīng)的反硝化菌數(shù)量較多，有利于反硝化反應(yīng)的推動。除磷方面：因?yàn)槟S具有非常好的截留效果，所以膜也可以把顆粒中的磷截留在系統(tǒng)內(nèi)，除磷效果顯著。

4 工藝運(yùn)行分析

4.1 溶解氧控制

生化池和MBR膜池溶解氧的控制，對于整個(gè)工藝的運(yùn)行至關(guān)重要。由于本工程進(jìn)水中含有50%的工業(yè)廢水，進(jìn)水C/N較低，內(nèi)生碳源相對匱乏，在溶解氧的控制上采取盡量維持在較低水平的策略[7]。從近1年的運(yùn)行效果來看，在AAO-A+MBR工藝中，利用MBR膜池吹掃曝氣過程中的溶解氧回流到好氧池，可以使好氧池維持較低的溶解氧，建議將好氧池溶解氧質(zhì)量濃度控制在0.5～1.0 mg/L，MBR膜池溶解氧質(zhì)量濃度控制在1.5～2.0 mg/L，這樣既有利于平衡整個(gè)系統(tǒng)CODCr、氨氮、TP和TN的去除，使各污染物的去除率都保持在一個(gè)相對較好的水平，又可以節(jié)約電能和碳源消耗。

4.2 活性污泥濃度控制

在MBR工藝運(yùn)行過程中，活性污泥濃度的控制與常規(guī)工藝相比也需要特別注意。本工程原設(shè)計(jì)好氧池的污泥質(zhì)量濃度為8 g/L，膜池的污泥質(zhì)量濃度在10 g/L以上。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，因?yàn)楸竟こ踢M(jìn)水C/N較低，好氧池若保持8 g/L的污泥質(zhì)量濃度，過一段時(shí)間后污泥老化較為嚴(yán)重，影響出水色度和TP，故在實(shí)際運(yùn)行過程中控制好氧池活性污泥質(zhì)量濃度在5.5～6.5 g/L，可以在一定程度上緩解污泥老化。分析原因主要是進(jìn)水水質(zhì)營養(yǎng)元素不足，導(dǎo)致活性污泥生長處于內(nèi)源呼吸階段，需要通過降低一定的污泥濃度來平衡污水中營養(yǎng)物質(zhì)的量，從而使活性污泥的生長狀態(tài)移至穩(wěn)定期。

4.3 回流比控制

回流比的控制對于整個(gè)系統(tǒng)污染物的去除，特別是TN的去除影響較大[8]。本工程設(shè)置了3個(gè)回流點(diǎn)，即缺氧池到厭氧池的200%回流、兼氧池到缺氧池的400%回流、MBR膜池到好氧池的500%回流。缺氧池污泥混合液回流到厭氧池主要是為了強(qiáng)化除磷，相比于從好氧池回流到厭氧池，污泥混合液中溶解氧和硝酸鹽氮含量低，不會跟聚磷菌釋磷爭奪碳源。從兼氧池回流到缺氧池，相比于從好氧池回流到缺氧池，減少了好氧池溶解氧對缺氧池的影響，因此，回流比可以控制到400%，但太高的回流比會影響缺氧池的缺氧環(huán)境進(jìn)而影響脫氮的效率。通過MBR膜池回流到好氧池，可以充分利用膜池中富余的溶解氧，降低好氧池的曝氣量，達(dá)到一定程度的節(jié)能。

4.4 加藥量控制

本研究主要考慮除磷藥劑聚合氯化鋁(PAC)和碳源乙酸鈉的投加控制。除磷藥劑的投加點(diǎn)設(shè)置在MBR池進(jìn)水端，PAC投加量為0.076 kg/m3，乙酸鈉投加量為0.062 kg/m3。PAC投加主要為前段生物除磷的補(bǔ)充，通過投加PAC后，結(jié)合MBR膜的過濾作用，可保證出水TP指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。乙酸鈉的投加點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)在缺氧池，一個(gè)在兼氧池，主要投加點(diǎn)為缺氧池，根據(jù)工藝運(yùn)行及水質(zhì)變化進(jìn)行投加，主要投加時(shí)段在冬季水溫較低時(shí)。

5 運(yùn)行效果

丁橋污水處理廠四期工程近1年運(yùn)行時(shí)間的水質(zhì)情況如表2所示。由表2可知，該工藝對各污染物去除效果良好，各相關(guān)出水指標(biāo)都能到達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)要求，出水TN平均質(zhì)量濃度為7.72 mg/L，出水TP平均質(zhì)量濃度為0.23 mg/L，脫氮除磷能力顯著。同時(shí)，由表2可知，出水SS質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在5 mg/L左右，不受活性污泥狀態(tài)影響，相比傳統(tǒng)工藝穩(wěn)定性顯著提升。

表2 2021年進(jìn)出水水質(zhì)情況Tab.2 Water Quality of Influent and Effluent in 2021

6 成本分析

本工程總投資為21 470萬元，其中建安費(fèi)為7 867萬元，設(shè)備費(fèi)為7 995萬元，預(yù)備費(fèi)為255萬元。運(yùn)行的主要費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)和人工費(fèi)3部分，總計(jì)單位直接運(yùn)行成本為0.533 0元/m3。根據(jù)近1年運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析，電費(fèi)為0.308 0元/m3；PAC、聚丙烯酰胺、次氯酸鈉、乙酸鈉藥劑費(fèi)分別為0.034 0、0.009 9、0.024 9、0.053 4元/m3，共計(jì)0.122 2元/m3；人工費(fèi)為0.102 8元/m3。

7 結(jié)語

(1)對于低C/N污水處理廠，可采用初沉發(fā)酵池+多點(diǎn)進(jìn)水AAO-A+MBR工藝，通過挖掘利用原水中內(nèi)在碳源從而減少外加碳源量。

(2)針對AAO-A生物池多點(diǎn)進(jìn)水模式，厭氧池可分配入75%～90%的進(jìn)水，缺氧池可分配入10%～15%的進(jìn)水，兼氧區(qū)可分配入0～10%的進(jìn)水，出水TN波動更小，更有利于出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(3)在AAO-A+MBR工藝中，將好氧池溶解氧質(zhì)量濃度控制在0.5～1.0 mg/L，MBR膜池溶解氧質(zhì)量濃度控制在1.5～2.0 mg/L，好氧池活性污泥質(zhì)量濃度控制在5.5～6.5 g/L。同時(shí)，缺氧池到厭氧池為200%回流，兼氧池到缺氧池為400%回流，MBR膜池到好氧池為500%回流，可以得到良好的污水處理效果，單位運(yùn)行成本較低。