倒置AAO-MBR工藝處理生活污水實踐

朱偉堂，周 俊，孫永軍，吳緒軍

(1.浙江省長興縣環境保護監測站，浙江湖州 313100；2.南京工業大學生物與制藥工程學院，江蘇南京 211816；3.長興璦晟環保科技有限公司，浙江湖州 313100)

近年來，隨著城鎮化進程的加快，城鎮污水排放量逐年遞增，當前污水處理工藝主要包括生物氧化工藝、氧化溝技術和膜生物反應技術等[1-2]，還有的采用人工濕地[3]等。另外，在城鎮污水處理方面也存在一些問題，主要包括區域設施治理水平分布不均、配套管網設施建設滯后、污水處理工藝和設備不合理、部分地區污水收集率“虛高”等[4]，這些問題亟待解決。在新農村建設及鄉村振興的背景下，農村生活污水的處理迫在眉睫，其處理工藝主要包括好氧處理工藝、人工濕地、穩定塘系統和土地處理工藝等[5]。但我國村鎮的數量巨大，且分布廣闊，情況復雜，需要針對各個地區因地制宜地制定專門的處理技術和管理措施[6]。當前，昆山市某鎮已建一座處理規模為3.0萬m3/d的污水處理廠，由于本鎮的經濟發展和人口增加，所產生的污水量已經超過了現有污水處理廠的處理能力，污水管網處于高位運行，經常從低洼處的污水井溢出，尤其是在雨季，溢出現象更為嚴重。為了改變現狀，在短時間內快速解決這個問題，決定在管網泵站處設置臨時污水處理裝置，增大污水處理量，解決污水站處理能力不足和管網污水溢流的問題。通過文獻調研和小試研究[7-9]，并結合BIOWIN對污水處理廠的工藝優化及改造。其中，倒置AAO(缺氧/厭氧/好氧)工藝將缺氧池前置，讓厭氧區和好氧區相連，使厭氧釋磷后保持較高的吸磷動力，同時提高了脫氮除磷的效果[10]。對于低C/N的城市生活污水，倒置AAO工藝具有顯著的優勢[11]。膜生物反應器是將膜分離單元與生物處理單元有機結合，可以將游離細菌和有機大分子物質截留在生物反應器內，提高懸浮污染物的去除率，同時提高了反應器內污泥濃度、生物處理有機負荷，并通過保持低污泥負荷減少剩余污泥量[12]。基于此，本研究擬采用倒置AAO-MBR(膜生物反應器)系統對生活污水進行處理，出水指標全部達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，并達到《地表水環境質量標準》Ⅳ類水質質量標準。

1 污水水質指標

本項目處理污水主要為生活污水，含有比例不超過20%的高氨氮廢水。本項目設計污水處理量總規模為1.0萬 m3/d，共20套設備，每套設備污水處理量為500 m3/d。出水指標達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ類水質質量標準[13]。廢水水質的測定按照國家環保局頒布的標準方法進行測定。其中，pH采用便攜式pH儀測定、CODCr采用重鉻酸鉀法測定、BOD5采用五日生化需氧量法測定、氨氮采用納氏試劑光度法測定、TN采用紫外分光光度法測定、TP采用鉬銻抗分光光度法測定、SS采用濾膜法測定。生活廢水水質及排放水質質量標準如表1所示。

表1 污水水質及排放標準

2 工藝流程及主要參數

泵站污水在潛污泵的抽吸作用下進入后續自清洗過濾器系統，過濾器內設置精度為1 mm的濾網，將污水的毛發和纖維物質截留去除，以減少特別容易產生的“成辮”現象，保障MBR穩定、安全地運行。經過濾處理的污水采用兩點進水的方式分別進入缺氧池和厭氧池，兩個池體的進水比例根據進水水質進行調整[14]。本工藝與傳統AAO工藝相比設置前置的預缺氧區，停留時間為2.5 h，第一缺氧池利用進水碳源和回流硝化液進行快速反硝化，接著混合液進入厭氧池進行厭氧釋磷，厭氧區停留時間為1.5 h[15]。將厭氧區放在第一缺氧區之后，由于回流液中的硝態氮被充分反硝化，減少了其對聚磷菌的抑制，可提高除磷效果[16]。在兼氧區再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液進一步反硝化脫氮，該區停留時間為2.0 h。兼氧區污水進入好氧曝氣池，曝氣池完成有機物的去除和氨氮的硝化反應，整個系統總水力停留時間約為12.0 h。本工藝脫氮除磷效率較傳統的AAO工藝大大提高。本工藝中的剩余污泥采用板框壓濾，使得含水率≤60%后進行焚燒處理。具體工藝流程如圖1所示，主要技術參數如表2所示。

表2 主要技術參數

圖1 倒置AAO-MBR工藝流程

3 BIOWIN軟件模擬

目前，污水處理工藝模擬軟件BIOWIN廣泛應用于指導新建污水處理廠方案設計、已建污水處理廠的工藝優化及改造。BIOWIN軟件能夠客觀形象地將污水處理的流程進行模擬化，便于管理人員進行預測和計算。Mohan等[17]采用BIOWIN軟件對舊的污水處理廠進行改造，提出的方案是加入一個中間的虛擬缺氧區，實現硝化反硝化和總溶解磷的同時去除，并對模型進行了校正，用實際數據進行了驗證。Badeti等[18]以悉尼中央公園購物中心的污水處理廠污水水質為原型，利用BIOWIN軟件模擬污水中尿液分離對生物處理過程的影響，并利用污水處理廠的污水數據對模型進行驗證，獲得了較好的結果，有助于人們理解污水中尿液分離對污水處理廠帶來的出水水質提升、能耗及溫室氣體排放的減少。本文采用BIOWIN軟件對倒置AAO-MBR一體化工藝處理方案進行模擬優化。

3.1 工藝概化模型

根據對該高濃度生活污水處理的方案設計，采用BIOWIN軟件建立了圖2的倒置AAO-MBR概化模型。

圖2 倒置AAO-MBR概化模型

3.2 數據調研處理

3.2.1 基礎數據

主要設計構筑物參數如表3所示，倒置AAO-MBR一體化工藝模擬主要由缺氧池、厭氧池、兼氧池、生化池和膜生物反應器組成，其中缺氧池、厭氧池、兼氧池和生化池的體積分別為42、35、60 m3和129 m3，表面積分別為15.56、12.96、22.22 m2和47.78 m2，深度均為2.7 m。膜生物反應器的體積為60 m3，表面積為22.22 m2，深度為2.7 m，膜表面積為1 500.00 m2，曝氣器數量為44個。

表3 主要構筑物設計參數

3.2.2 工藝運行優化條件

根據現場生活污水水質特點，相關參數及設計運行數據如表4～表6所示。進水流量為500 m3/d，進水CODCr質量濃度為350.00 mg/L，TN質量濃度為50.00 mg/L，TP質量濃度為4.00 mg/L，pH值為7.00，堿度摩爾濃度為6.00 mmol/L，SS質量濃度為100.00 mg/L，Ca2+質量濃度為80.00 mg/L，Mg2+質量濃度為15.00 mg/L，膜回流泵的恒定功率為10 kW，可用于后續經濟成本的計算。

表4 設計運行數據

表5 泵/管道參數

表6 設計運行參數

3.2.3 模擬運行結果

模擬運行結果如表7所示，經過膜生物反應器處理，出水CODC、TP、BOD5、亞硝酸鹽+硝酸鹽、TN、堿度、pH、氨氮、硝酸鹽均達到了《地表水環境質量標準》Ⅳ級的水質質量標準。其中，CODCr、TP、BOD5、TN、氨氮去除效率為9.55、0.13、0.72、4.31、0.01 kg/d，堿度去除效率為1.58 kmol/d。以上結果說明，BIOWIN軟件能夠很好地模擬倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水，使生活污水出水指標能夠達到《地表水環境質量標準》Ⅳ類水質質量標準。同樣，BIOWIN軟件也能成功模擬其他污水處理工藝的運行。Li等[19]采用BIOWIN計算機建模軟件對膜曝氣生物反應器(MABR)不同水力停留時間的反應性能進行模擬。在所有試驗條件下，4次比較研究表明，模擬值與實測值的相對誤差分別小于11.7%、12.4%、12.9%、4.3%，說明BIOWIN能夠很好地反映MABR的實際運行性能。Soliman等[20]采用BIOWIN軟件模擬實驗室規模序批式活性污泥法(SBR)處理工藝處理高氮污水的長期動態行為，經校準后的模型能夠準確預測不同操作條件下的SBR處理工藝的日出水氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、堿度和pH，成功模擬SBR工藝處理高氮污水。

表7 模擬運行結果

4 工程調試和運行

4.1 工程調試

采用原水稀釋帶負荷啟動，在MBR生化池內先少量進水，控制好氧池的CODCr質量濃度≤200 mg/L，在啟動時根據原水的特性投加一定量的葡萄糖(工業級，河北楚巖環保科技有限公司)、尿素(工業級，山東金奧化工有限公司)和磷酸二氫鉀(工業級，河南泰清化工產品有限公司)，維持C∶N∶P(質量比)為100∶5∶1。投加現有生活污水處理廠的MBR池污泥，控制MLSS質量濃度在3 000 mg/L左右，開啟鼓風機悶曝，控制池內DO質量濃度≤3.0 mg/L[21]。悶曝3 d后，鏡檢發現開始出現少量的豆形蟲等鞭毛類微生物，之后開始連續進水，水量為設計負荷的1/5，開啟內循環，循環量為200%。運行負荷逐漸增加，每運行1周增加1/5。

運行30 d后，MLSS質量濃度增加到6 500 mg/L，CODCr的去除率在95%左右，鏡檢觀察到菌膠團成塊狀，呈深褐色，有鐘蟲、盾纖蟲等，此時開始全負荷運行。在以后幾個月的運行中，進水CODCr質量濃度有時高于600 mg/L，進水氨氮質量濃度高于70 mg/L，采用MBR工藝時CODCr去除率基本保持在95%左右，沒有出現大的波動。

4.2 運行監測數據

穩定運行期間7 d運行進出水相關指標如表8所示。出水CODCr質量濃度在9.00～20.00 mg/L、氨氮為0，TN質量濃度在8.00～10.00 mg/L、TP質量濃度在0.10～0.30 mg/L，與BIOWIN軟件模擬倒置AAO-MBR工藝結果類似，出水指標滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅳ級的水質質量標準。另一方面，運行數據驗證了BIOWIN軟件能夠成功模擬倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水。在對生活廢水的處理中，王旭東等[10]將自制高強度PVA親水性改性復合膜應用于倒置AAO-MBR工藝中，處理模擬生活污水，使出水指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準。劉圣根等[11]采用自行設計的MBR中試設備構建倒置AAO-MBR工藝處理城市生活污水，也可使出水指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A標準。

4.3 運行費用

基于模擬設計運行對所產生的相關費用進行統計，結果如表9所示。倒置AAO-MBR系統運行所需要的費用主要包括電費、藥劑費用和人工費用，其中，該系統運行電費為0.857元/m3、藥劑費用為0.335元/m3，人工費用為0.066元/m3，合計運營費用需要1.258元/m3。在污水處理費用方面，Xu等[22]對AAO-MBR工藝處理生活污水時外部添加碳源(C-乙酸酯)和內部污泥MHP法制備碳源(C-MHP)添加去除污水中的氮進行了分析，研究表明，添加C-乙酸酯、C-MHP的脫氮成本為57.13、54.48元/kg。C-MHP具有經濟可行性，可部分替代外部碳源進行污水脫氮。但是，該研究僅計算了脫氮費用，AAO-MBR系統運行電費及其他費用并未計算在內。

表9 運行費用

5 結論

采用多點進水、倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水，處理后的出水指標可以穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，并達到《地表水環境質量標準》地表水環境質量Ⅳ類水質質量標準。另外，采用倒置AAO-MBR處理生活污水的成本為1.258元/m3。采用BIOWIN軟件對處理工藝進行模擬，BIOWIN能夠成功模擬倒置AAO-MBR工藝處理高濃度生活污水，采用BIOWIN軟件可以進一步對運行成本進行優化，減少藥劑投加量，降低經濟成本。