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.武漢市城市排水發展有限公司，湖北武漢 430070)

生化處理是污染物削減的主要環節，也是污水處理提質增效的最終落腳點，其運行情況將直接影響城市水環境及人民生活質量。氮、磷是引起水質超標的主要污染物，傳統AAO工藝是生物硝化反硝化工藝及生物除磷工藝的結合，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，調控反應滯后、運行方案不精確等問題凸顯。

隨著技術工藝的提升，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，將城鎮污水處理廠污染物排放標準由《城鎮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《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類標準。在排放標準日趨嚴格的情況下，特別對于現有污水廠的提標，應重點關注于挖掘生化處理潛能，通過調控關鍵控制點，優化氮、磷去除性能，在不新增構筑物下達到出水水質的提升。

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，增強抗水質水量沖擊負荷，傳統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、調控困難等問題，導致出水水質不穩定、運行費用較高。本文通過總結傳統AAO及其改良型工藝耦合MBR工藝的技術特點和處理難點，并結合相關工程應用案例，提出系統性的工藝優化措施和調控方案，為今后污水處理廠的新建、改擴建工藝選擇以及優化路徑提供技術支持。

1 常見工藝類型

1.1 AAO-MBR工藝

AAO-MBR工藝是在傳統AAO工藝基礎上取消二沉池，同時增設MBR池，與傳統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)，增強抗水質水量沖擊負荷能力，并且在一級A出水要求下能夠節約占地近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，使TP含量穩定達到0.5 mg/L以下，TN含量達到15 mg/L以下。但MBR池若采取持續的高曝氣強度也增加了氮、磷去除的不穩定性，無法保證出水TN含量穩定達到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工藝具有一定優勢。如圖2所示，缺氧池位于首端，能夠優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，簡化系統的同時節省運行能耗。為了保證厭氧釋磷，需增加厭氧區的分段進水，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厭氧池將導致無法有效厭氧釋磷。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)，使所有好氧池產生的硝酸鹽全部經過缺氧區進行反硝化，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，前端好氧區回流至前端缺氧區，前端缺氧區回流至厭氧區[圖3(a)]；(2)MBR池回流至前端好氧區，后置缺氧區回流至厭氧區[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，均實現了出水TN含量穩定低于10 mg/L，TP含量穩定低于0.3 mg/L。高術波[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，從后置缺氧區回流的混合液經過了2個缺氧區，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，后置缺氧區需投加碳源，采用該區域回流至厭氧區，能夠充分利用富裕的碳源用于厭氧區釋磷，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AAO工藝和改良Bardenpho工藝相比，多級AO工藝是采用多段AO區串聯而成(一般2～3段)，并采用多點進水方式，具有占地面積小、無需內回流、通常情況下無需投加碳源等優點，因此，在現階段得到廣泛應用。多級AO工藝與MBR工藝相結合后既能發揮前者的強化脫氮優勢，又能發揮MBR工藝抗沖擊負荷能力強的優勢。為了保證生化池的污泥量，需進行污泥回流，常規多級AO工藝為二沉池回流至厭氧區，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工藝的相關工程應用較少，也未形成系統的調控手段和運行策略。張曉飛等[7]通過構建多級AO-MBR工藝中試裝置，實現在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前端，第一缺氧區回流至厭氧區前端[圖4(a)]；(2)MBR池回流至第一好氧區前端，第二缺氧區回流至厭氧區前端[圖4(b)]；(3)MBR池回流至第二好氧區前端，第二缺氧區回流至厭氧區前端[圖4(c)]；(4)MBR池回流分別回流至各好氧池前端，第二缺氧區回流至厭氧區前端[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研究，現通過理論分析4種回流方式對氮、磷去除的影響。首先為保證厭氧區的高效釋磷，圖4中的回流方式二、三和四較為合理，污水經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，難以穩定達到缺氧環境，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，既能保證各功能區的污泥濃度，又能保證各反應功能區的溶解氧環境。

2 技術難點及優化措施

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，對實現溶解氧控制以及耦合工藝下的生化池優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，降低好氧區曝氣量實現溶解氧控制。根據李易寰等[10]研究，控制好氧區末段溶解氧含量在1.5～2.5 mg/L，出水TN含量可以穩定在10 mg/L以下。溶解氧控制可采取分區曝氣方式，通過將好氧區進行曝氣分區，實時監控進水濃度和好氧區溶解氧，及時調控分區的曝氣量，實現好氧區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的VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統，將好氧區分為前端和后端，降低前端曝氣量以緩解膜池高溶解氧污泥回流，同時監控進水污染物負荷變化，精確控制后端曝氣，使好氧區末端溶解氧含量始終位于(1.0±0.5)mg/L，實現出水TN含量低于5 mg/L。對于低碳氮比污水，降低好氧區末端溶解氧還能大幅減少碳源投加量。根據德國冰得公司研究，通過精確控制降低內回流溶解氧為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。然而對于現有污水廠提標改造，直接采取降低好氧區的曝氣量或直接關閉好氧池風機，將容易發生污泥沉積，因此，需同步增設推流器等防積泥措施。

(2)生化池優化設計

圖5 AAO-MBR工藝優化設計Fig.5 Optimal Design of AAO-MBR Process

針對現有污水廠提標改造，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，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，對運行調控也是巨大的挑戰。如圖5所示，本文提出可在好氧區后設置單獨的消氧區，膜池回流的污泥首先進入消氧區使溶解氧含量降至1.5 mg/L以下，之后回流至缺氧區。好氧區和膜池可保證有機物和氨氮的處理達標，設置消氧區對于運行管理的調控要求較低，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生化工藝好氧區至缺氧區的回流量為300%～500%，而傳統的AAO工藝回流量為200%～300%，將導致實際缺氧區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]通過向好氧區前端投加三氯化鐵，實現出水TP含量低于0.2 mg/L。但隨著藥劑的持續投加，膜池污泥內磷、鐵的含量有升高趨勢，這說明逐步出現了磷富集和化學污泥占比增大的現象[12]。因此，化學除磷方式可用于應急投加，長期連續投加并不可取，重點在于低曝氣MBR池的研發，進一步強化生物除磷。

2.3 膜污染控制

膜池內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、懸浮填料以及開發新型膜清洗技術等。

(1)投加粉末活性炭

在常規MBR池內，活性污泥處于懸浮狀態，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

在膜池內添加填料能夠在曝氣環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、好氧區和膜區添加懸浮填料，在保證氮、磷去除效果的基礎上，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

低曝氣或非曝氣型MBR膜清洗技術的開發，如超聲波在線清洗技術[19-20]、往復運行式膜組件[21]、電場緩解膜污染技術[22]等，為該工藝的發展提供了新思路。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，相關工程應用較少，尚未形成完善的技術體系和設計標準，這將是今后的發展方向。

3 工藝選擇與調控方案

表1總結了AAO及改良型工藝耦合MBR工藝形式的特點和應對情況，在新建污水廠或現有污水廠提標改造時，應根據進水水質和排放標準要求，綜合考慮占地及運行經濟性，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，但缺乏相關的設計標準和系統性的優化研究，仍存在無效容積大、運行復雜的難題。表2列舉了關鍵技術問題及優化措施，為今后研究方向及工藝調控提供支持。

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

4 結語

傳統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有污水廠提標改造的有效選擇。

對于現有污水廠的改造，需要根據進水水質和出水重點關注指標優化調控和運行參數，調整運行策略，保證前端生化系統的運行高效性和穩定性；對于新建污水廠的設計，應優化前置生化工藝的設計參數和回流形式，提出新的設計思路，發揮各工藝單元最大優勢的同時減少無效容積。

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