不同進水方式下水溫對AAOA—膜生物反應器工藝運行效果的影響*

李 捷 羅 凡,2 于 翔 隋 軍

(1.廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.廣東首匯藍天科技有限公司，廣東 廣州 510060)

不同進水方式下水溫對AAOA—膜生物反應器工藝運行效果的影響*

李 捷1羅 凡1,2于 翔1隋 軍3

(1.廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州 510060；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.廣東首匯藍天科技有限公司，廣東 廣州 510060)

對昆明市某污水處理廠的AAOA—膜生物反應器(MBR)工藝在單、多點進水方式下的實際運行數據進行對比分析，探索了進水水溫對不同進水方式下處理效果的影響。結果表明：單、多點進水方式下COD去除率均隨著水溫的升高而降低，但多點進水方式下COD去除率下降趨勢更大，落差達到4百分點。水溫低于18 ℃的情況下，多點進水方式對氨氮的去除效果劣于單點進水方式；當水溫為12 ℃時，多點進水方式的出水氨氮存在超標風險。從整套工藝的處理效果來看，由于多點進水方式對碳源進行了合理分配，其TN去除率隨水溫升高而逐漸升高，呈現出與單點進水方式相反的趨勢。

膜生物反應器 水溫 進水方式 脫氮

為了解決A2/O工藝中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機負荷、泥齡以及碳源需求上的矛盾和競爭，提出了一種強化脫氮除磷膜生物反應器(MBR)工藝技術AAOA—MBR，使脫氮除磷效率能滿足日益嚴格的排放標準要求[1]。然而，我國城鎮污水C/N普遍較低，因而在AAOA—MBR工藝的基礎上又引入多點進水機制，將原水按照一定分配比例分別進入厭氧池和缺氧池，可以根據水質特點以及對脫氮除磷的要求合理分配碳源[2]。

目前關于多點進水和AAOA—MBR工藝研究的廣度和深度不斷加強，但是有關水溫對單、多點進水和AAOA—MBR工藝運行效果的專項研究尚不多見。城市污水處理廠由于規模較大，主要建在戶外，水溫的季節性變化會對其生物處理單元產生一定影響。已有的研究表明，水溫對微生物的活性[3]、群落組成[4]、細胞生長、活性污泥的凝聚沉降性[5]、好氧池氧轉移效率以及水的運動黏度系數[6]都有較大影響。而針對具有良好脫氮除磷功能的MBR工藝，其進水方式的調配結合季節性水溫變化對處理效能影響的研究未見報道。因此，本研究以昆明市某污水處理廠為研究對象，旨在研究水溫對單、多點進水AAOA—MBR工藝運行效果的影響，為采用AAOA—MBR工藝的污水處理廠的運行與管理提供參考。

圖1 污水處理廠工藝流程示意圖Fig.1 Process flows of wastewater treatment plant

注：Q為進水總量，m3/d；Q1、Q2、Q3依次為3個進水點的進水量，m3/d。圖2 生化池單元進水配比Fig.2 Inflow allocation ratio of biochemical unit

1 材料與方法

1.1 工藝流程

該污水處理廠地處滇池流域，設計規模60 000 m3/d，實際處理規模約58 000 m3/d，出水水質按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準執行。采用AAOA—MBR工藝，流程如圖1所示。總水力停留時間為17.14 h，其中厭氧池1.98 h，缺氧池4.61 h，好氧池(包括好氧池Ⅰ和好氧池Ⅱ)5.74 h，變化池2.87 h，膜池1.94 h；回流比R1、R2、R3分別為200%、200%、350%。好氧池Ⅰ、Ⅱ采用底部微孔曝氣，變化池兼具曝氣和攪拌功能(實際運行中僅開攪拌設施)。

此外，從全廠近兩年(2014—2015年)的進水水質來看，COD∶TN∶TP=100.0∶13.0∶1.7，TP負荷偏高，為滿足排放標準要求，該廠除磷采用生物法+化學法，在超細格柵之后投加鐵鹽。

1.2 進水水質及配比

污水處理廠生化池分南北兩側共12個廊道并聯運行，試驗期間將其中1個廊道改為三點進水方式，各進水點的進水量配比如圖2所示。污水處理廠的進水均來自市政管網收集的城市生活污水，污水處理廠2015年度進水水質見表1。

表1 2015年進水水質

1.3 采樣與分析方法

本次試驗的目的是考察水溫對單、多點進水方式下AAOA—MBR工藝的影響分析，因此將預處理后的污水作為進水，進水取水點為超細格柵之后的六角配水井，出水取水點為MBR出水排放口(即膜池出水排放口)。水質指標測定方法均參考《水和廢水監測分析方法》(第4版)，其中COD采用重鉻酸鉀法，TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，TP采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法。

2 結果與討論

2.1 水溫變化規律

圖3為該廠近兩年的進水水溫變化情況，其月均值為12～24 ℃，最高水溫為28 ℃(2015年6月)，最低水溫為8 ℃(2014年1月)?；谠撐鬯幚韽S全年水溫的變化規律，本研究針對AAOA—MBR工藝運行效果影響因素考察時，水溫控制為12～27 ℃。

圖3 2014—2015年進水水溫變化Fig.3 Change of water temperature during 2014-2015

2.2 水溫對除磷效果的影響

鑒于進水水質的影響，該廠實際運行中采用化學除磷為主并輔以生物除磷的方式，在超細格柵之后投加鐵鹽，已將污水中的大部分磷去除。從圖4中TP的沿程變化可以看出，單點進水方式下，厭氧池末端的TP已低于0.5 mg/L。不同水溫條件下，自厭氧池之后的各池體中，TP濃度沿程變化不大，這主要是由于前端預處理時的化學除磷已將污水中的磷去除至較低濃度，后端生物除磷盡管會受到水溫的影響，但此時TP濃度已處于較低水平。此外，多點進水方式下，TP出水情況也類似。鑒于此，以下僅就水溫對去除COD、氨氮、TN的影響進行重點論述。

圖4 單點進水方式下水溫對TP去除效果的影響Fig.4 Effect of water temperature on TP removal under single-influent feed mode

2.3 不同進水方式下水溫對COD去除效果的影響

考察了2014年11月至2015年8月不同水溫下COD的處理效果，結果見圖5。進水COD為206～309 mg/L，AAOA—MBR工藝對COD的去除效果較為穩定，無論是單點進水還是多點進水，出水COD均能低于20 mg/L，滿足出水排放要求。不同進水方式下水溫對于COD處理效果的影響有所不同。單點進水時，COD去除率隨著水溫升高略微降低。主要原因包括：夏季時進水COD較低，進而影響了整體降解效果；污水中COD的去除主要是通過活性污泥的吸附和氧化分解作用實現，通常微生物酶活性及其對COD的分解和入胞速率均隨著水溫的降低而降低，但由于采用了MBR工藝，生化池長期穩定處于高污泥濃度狀態，因而對水溫變化具有一定的抗沖擊能力[7-8]。多點進水時，隨著水溫的升高COD去除率逐漸下降，27 ℃與12 ℃相比，COD去除率下降了4百分點左右，這是由于在多點進水方式下，從缺氧池和變化池進水經歷的COD吸附和氧化路程短于單點進水，在夏季進水COD較少時，與單點進水相比，多點進水的COD去除率明顯更低。

圖5 單、多點進水方式下水溫對COD去除效果的影響Fig.5 Effect of water temperature on COD removal under single-influent and multiple-influent feed modes

2.4 不同進水方式下水溫對氨氮去除效果的影響

圖6展示了水溫與氨氮去除率的變化關系。由圖6可以看出，水溫為12～27 ℃時，AAOA—MBR工藝對氨氮的去除率均可以達到93%以上。單點進水時，不同水溫條件下的氨氮去除率波動較小。但多點進水時，水溫對氨氮去除率的影響呈現兩段式變化：當水溫低于18 ℃時，氨氮去除率隨著水溫的升高而明顯升高；當水溫超過18 ℃后，氨氮去除率的變化趨勢與單點進水相似，波動較小。決定氨氮去除率的影響機理主要包括：(1)參與硝化反應的細菌多為中溫細菌，適宜于20～30 ℃生長，其活性在中溫條件下要高于低溫條件[9]，因此氨氮去除率應隨著水溫的升高而升高；(2)MBR中氣水比較高，且膜池回流到好氧池的回流液也將攜帶大量DO，在同等硝化速率的條件下，MBR更能保證出水氨氮低值。鑒于此研究考察的是AAOA—MBR工藝，在單點進水條件下，機理(2)中的MBR提供的充足DO占據了優勢，因而即使水溫低至12 ℃時，氨氮去除率均未受到影響。而對于多點進水方式，其中兩個進水點位于生化池的中后段，相應降低了該部分污水在生化池中的停留時間，從而會引起進入膜池的氨氮和COD高于單點進水；此外，機理(1)中水溫對硝化反應速率的影響占據優勢，促使水溫對氨氮去除率的影響呈現兩段模式。試驗期間，在水溫為12 ℃時，多點進水系統的出水氨氮均值基本低于1.6 mg/L，但個別天數出水氨氮較高，達到4.6 mg/L，存在出水氨氮超標的風險。因此，當水溫較低時，多點進水方式應慎重選擇。

圖6 單、多點進水方式下水溫對氨氮去除效果的影響Fig.6 Effect of water temperature on ammonia nitrogen removal under single-influent and multiple-influent feed modes

2.5 不同進水方式下水溫對TN去除效果的影響

TN去除機制較COD和氨氮更為復雜，它受反硝化菌、有機碳源、硝酸鹽等多種因素的影響。本研究的AAOA—MBR工藝中由于膜的高效截留作用，可維持較高的混合液懸浮固體濃度(MLSS)；基于2.4節的結論可以看出，不同水溫下氨氮去除率均較高，可以產生大量的反硝化過程電子受體，因此反硝化菌和底物濃度不會成為影響TN去除率的主導因素。

由圖7可以看出，對于單點進水方式，TN去除率隨著水溫的升高而降低，從69.2%(12 ℃)降低至61.9%(27 ℃)，降了7.3百分點。這是因為水溫升高不僅提高了反硝化菌活性，與之爭奪有機物的異養菌的活性也隨之升高，從而導致反硝化菌可用的有機物比例減少，同時進水C/N受季節降水量和用水量變化的影響，限制了反硝化進程；另一方面，膜池內回流攜帶大量的DO，而水溫升高又大大提高了氧傳質效率[10]，導致生化池中參與反硝化反應的缺氧池、變化池內的DO發生改變。由圖8可以看出，厭氧池、缺氧池和變化池中的DO均隨著水溫的升高而升高，其中變化池中DO差異最大，由0.08 mg/L(12 ℃)升高至0.57 mg/L(24 ℃)。這是由于變化池前設有好氧池，雖然變化池在未曝氣狀態運行，但是由于膜池回流攜帶的大量DO進入好氧池，隨后推流入變化池，水溫升高帶來的高效氧傳質效率導致變化池內DO升高，致使變化池缺氧生境被打破，而由變化池回流進入缺氧池的回流液中的DO相應升高，進而又影響了缺氧池的反硝化效率。對于多點進水方式，在水溫為12～27 ℃時，TN去除率均高于單點進水，且隨著水溫的升高，兩者的差距逐漸增大，從2.1百分點(12 ℃)的差距增加至19.3百分點(27 ℃)。

圖7 單、多點進水方式下水溫對TN去除效果的影響Fig.7 Effect of water temperature on TN removal under single-influent and multiple-influent feed modes

與單點進水相比，多點進水方式能提高有機物的利用率。本試驗中在缺氧池與變化池中增設了兩個進水點，試驗結果顯示該進水方式提高了對TN的去除效果。多點進水方式下，污水中碳源高效分配是一方面，回流液中內碳源的開發再利用也不可忽視。由圖7可以看出，水溫對多點進水方式下的脫氮效率的影響有別于單點進水。結合2.3節的分析，多點進水下COD去除率隨著水溫升高而逐漸降低，因而其中可用于變化池反硝化的碳源也多于單點進水；此外，多點進水中的進水點之一是在變化池進水，這最大程度減少了好氧池曝氣對有機物的氧化作用，呈現出變化池的反硝化速率隨著水溫升高而升高的趨勢。因此，從整體脫氮效能來看，多點進水方式下水溫升高有利于TN的去除。

圖8 不同水溫下厭氧池、缺氧池、變化池內的DO變化趨勢Fig.8 DO variation tendency of anaerobic,anoxic and after anoxic tanks under different water temperature conditions

3 結 論

(1) 對于單點進水方式，水溫變化對COD和氨氮的出水效果影響較小，但反硝化進程受進水C/N和膜池回流液的影響，TN去除率隨著水溫升高逐漸降低，降低了7.3百分點。

(2) 對于多點進水方式，隨著水溫的升高，受進水COD季節性變化的影響，COD去除率略微降低，但TN去除率逐漸升高。由于多點進水對進水進行了合理分配，TN去除率優于單點進水，且水溫越高，多點進水的脫氮優勢越明顯。

(3) 當水溫較低時，多點進水方式存在出水氨氮超標的風險，應根據實際情況合理調整進水比例。

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EffectofwatertemperatureonperformanceofAAOA-MBRprocessoperatedunderdifferentfeedmodes

LIJie1,LUOFan1,2,YUXiang1,SUIJun3.

(1.GuangzhouMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,GuangzhouGuangdong510060;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090;3.GuangdongShouhuiLantianEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510060)

The actual operation data of single-influent and multiple-influent system in AAOA-membrane bioreactor (MBR) process were comparative analyzed based on a Kunming wastewater treatment plant. The treatment effect of water temperature on these two feed modes was explored. The results showed that the COD removal rates in single-influent and multiple-influent system both decreased with the increase of water temperature,while a bigger decrease of COD removal rate (up to 4 percent points) was found in multiple-influent system. When water temperature was below 18 ℃,the ammonia nitrogen removal rate of multiple-influent system was inferior to single-influent system and the exceeding risk of ammonia nitrogen amount existed in the effluent of multiple-influent system when water temperature was 12 ℃ during the test process. From the treatment effect of the system, the TN removal rate of multiple-influent system gradually increased with the water temperature rose due to reasonable distribution of carbon source in water. However,the single-influent system presented an opposite trend.

MBR; water temperature; feed mode; denitrification

李 捷，女，1972年生，博士，高級工程師，主要從事市政供水工藝技術、城鎮污水處理工藝技術、污水深度處理與再生利用工藝技術等研究。

*廣東省省級科技計劃項目(No.2014B090904021)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.018

2016-10-18)