污水廠AAO-MBR處理工藝沿程運行效果分析

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[1]。隨著國家對污水排放標(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。基于此，國內(nèi)學(xué)者就AAO-MBR工藝的優(yōu)化進行了研究和分析。于翔等[6]認為，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]，而多點進水的方式可以提高系統(tǒng)對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變差。基于此，以杭州某AAO-MBR工藝的污水處理廠為調(diào)研對象，通過對總體運行效果和工藝單元沿程的運行效果進行分析，以期為其運行優(yōu)化和節(jié)能提供參考依據(jù)和方向。

1 運行現(xiàn)狀

杭州某污水處理廠采用AAO-MBR工藝(圖1～圖2)，設(shè)計規(guī)模為3萬m3/d，分2組運行，其設(shè)計進出水水質(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A標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)杭州市的實際情況經(jīng)可研報告研究確定。該污水處理廠各單元設(shè)計參數(shù)如下：厭氧池水力停留時間(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個除磷劑投加點。

表1 設(shè)計進出水水質(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)計值的71%，出水COD、TN和TP都滿足并優(yōu)于設(shè)計值(圖3～圖5)，其中，出水CODCr低于20 mg/L的比例達到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%。但該廠進水CODCr總體偏低，平均值僅為(277.2±77.7)mg/L，超過96%的進水低于設(shè)計值400 mg/L；進水TN平均值為(37.8±9.5)mg/L，基本接近設(shè)計值45 mg/L，但仍有26.2%的進水超過設(shè)計值；進水TP濃度平均值(4.7±1.2)mg/L，高于設(shè)計值，超出設(shè)計值4.5 mg/L的比例高達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+與進水TP的摩爾比達到4.5以上，遠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)除磷劑而實現(xiàn)。此外，在實際運行過程中，其生物處理系統(tǒng)風(fēng)機能耗為2 000～4 000 kW·h/d(根據(jù)進水水質(zhì)和季節(jié)變動而變動)，而MBR系統(tǒng)通常達到3 200 kW·h/d，后者能耗明顯高于前者。

圖3 2020年1月—6月污水處理廠進出水CODCr濃度占比

圖4 2020年1月—6月污水處理廠進出水TN濃度占比

圖5 2020年1月—6月污水處理廠進出水TP濃度占比

圖6 2020年1月—6月污水處理廠進水COD/TN和COD/TP占比

圖7 2020年1月—6月污水處理廠進出水月均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，對該污水處理廠其中一組進行全流程取樣檢測，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MBR池、出水和前-后置配水池(圖2)等進行相關(guān)水質(zhì)和主要參數(shù)分析檢測(表2)。除進水、出水和MLSS及MLVSS外，其他水樣均為沉淀30 min后上清液。便攜測定指標(biāo)采用手持式多參數(shù)水質(zhì)測定儀(YSI Professional Plus, 美國)現(xiàn)場測定。

表2 檢測指標(biāo)及方法

整個取樣檢測進行了7 d，期間系統(tǒng)的pH值基本穩(wěn)定在7.0～7.1，其他檢測結(jié)果如圖8～圖11所示。在檢測過程中，進水COD、BOD5和N、P都較低(圖8～圖9)，小于前6個月的平均值，更遠小于設(shè)計值，這與取樣時間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，盡管好氧池末端污含量也達到7 000 mg/L，且DO高于2.5 mg/L(圖11)，但好氧池對NH3-N的硝化作用較差，其末端達到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到500%，而從好氧池2到缺氧池回流量達到300%，直接縮短了好氧池的實際HRT，而張嚴(yán)嚴(yán)等[3]所檢測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，但實際生物除磷效果不佳，可能與在好氧池內(nèi)進行化學(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)進水水質(zhì)特點、池型結(jié)構(gòu)以及回流點位置等選擇合適的內(nèi)回流比。需要說明的是，4個MBR池在進氣量相近的情況下，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)機能耗遠大于好氧池生物所需，需要加強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)每個水廠的實際情況，逐步調(diào)整三種內(nèi)回流流量甚至是內(nèi)回流點位置，確保AAO工藝各單元起到應(yīng)有作用。