多點進水AAO-A+MBR工藝在低C/N污水處理廠的工程應用

沈 超，任玉輝

(1.海寧市水務投資集團有限公司，浙江海寧 314400；2.上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

在城鎮的快速發展中，為了改善地表水體的環境功能，污水處理廠出水水質的要求不斷提高，南方城鎮污水處理廠普遍存在進水C/N低、出水TN不穩定的情況，并受到廣泛關注[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敏感區，出水水質要求達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。海寧丁橋污水處理廠現建有三期工程，處理規模共1.5×105m3/d，主體工藝為“SBR+AAO”工藝，出水執行一級A標準，但污水處理廠實際進水中含有高達50%的工業廢水，而且近兩年來運行負荷率接近90%，四期工程為丁橋污水處理廠處理能力接近滿負荷時的擴建工程，用地較為緊張。

MBR工藝是由生物處理單元和膜分離單元結合而成的一種新型水處理技術，該工藝具有占地小、微生物含量高、污染物去除效率高、污泥產量低等特點[2]。AAO與膜工藝結合能實現生活污水中CODCr、氨氮、TN、TP等物質的高效去除，在城鎮生活污水處理廠中應用廣泛[3-4]。但對于工業廢水，其可生化性普遍較差，同時受限于運行成本等原因，MBR工藝在含有大量工業廢水的城鎮污水處理廠中尚未得到規模化的應用。

本研究以海寧丁橋污水處理廠四期工程為例，針對其進水中含有大量的工業廢水，介紹其設計參數、實際運行情況和成本分析，以期為該類型污水處理改擴建工程和后期運維提供參考。

1 工程概況

浙江海寧丁橋污水處理廠四期工程設計規模為5×104m3/d，服務人口為34萬人，服務面積為332 km2，主體工藝采用“AAO-A+MBR”，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準。出廠污泥含水率小于80%，污泥產量約為40 t/d。除臭設施與主體工程同步建設，對細格柵、曝氣沉砂池、調節池、初沉發酵池、生物池厭缺氧區、污泥濃縮池、污泥儲池和脫水機房等構筑物進行加蓋并收集臭氣，采用生物除臭工藝進行處理。該工程于2020年6月開始投入運行，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4個街道的生活污水和工業廢水，進水生活污水和工業廢水比例約為1∶1，其中工業廢水主要為印染、經編和化工等行業廢水，設計進出水水質標準如表1所示。

根據傳統的脫氮理論，實現完全反硝化的理論C/N為2.86，但是由于微生物的生長，一般認為，BOD5/TN≥3，即可認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 設計進水水質與排放標準要求Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Requirement of Discharge Standard

2 主要構筑物及設備參數

2.1 分配井及細格柵

分配井及細格柵間(合建)1座，鋼筋混凝土結構，過柵流速為0.579 m/s；旋轉齒耙格柵清污機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1臺，功率為2.2 kW；內進流網板式細格柵(配套沖洗系統)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)，鋼筋混凝土結構，尺寸為18.00 m×7.60 m×5.15 m，停留時間為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；羅茨鼓風機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 調節池

調節池1座(分4格)，鋼筋混凝土結構，尺寸為40.0 m×40.0 m×5.2 m，調節時間為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，揚程為2～6 m，單臺功率為18.5 kW。

2.4 初沉發酵池

初沉發酵池2座，鋼筋混凝土結構，單座池內徑為22 m，周邊水深為4.8 m，表面負荷為3.0 m3/(m2·h)；中心傳動刮泥機及配套浮渣排除設備2臺，單臺功率為0.37 kW；潛水攪拌器4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，鋼筋混凝土結構；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，鋼筋混凝土結構，設計流量為0.578 m3/s。好氧池污泥質量濃度為8 g/L，缺氧池污泥質量濃度為6 g/L，總泥齡為20 d，停留時間：厭氧區1.5 h，缺氧區4.5 h，好氧區6.0 h，兼氧區1.1 h。厭氧區立軸攪拌器2臺，單臺功率為5.5 kW；缺氧區潛水推進器4臺，單臺功率為7.5 kW；好氧區微孔曝氣器6 300個，空氣流量為2 Nm3/(h·個)；兼氧區潛水攪拌器2臺，單臺功率為2.2 kW；混合液內回流泵(缺-厭)4臺(2用2備)，內回流比為200%，單泵流量為2 083 m3/h，揚程為0.8 m，功率為7.5 kW；混合液內回流泵(兼-缺)6臺，內回流比為400%，單泵流量為1 389 m3/h，揚程為1.2 m，功率為11 kW。

2.7 MBR膜池

MBR膜池1座，鋼筋混凝土結構，廊道數量為10條，單廊道尺寸為22.3 m×4.6 m×5.0 m，停留時間為1.06 h，污泥質量濃度為8～12 g/L。膜組器數量為70組，平均產水量為834 m3/(d·組)，單組膜面積為2 100 m2，名義膜通量為14.17 L/(m2·h)，材質為PVDF中空纖維帶襯膜。膜池-好氧池設有回流泵6臺，單臺流量為1 740 m3/h，揚程為1 m，功率為11 kW，回流比為500%；產水泵10臺，單臺流量為334 m3/h，揚程為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，揚程為12 m，功率為11 kW；CIP加藥系統1套。

2.8 消毒接觸池

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

2.9 風機房

風機房1座，鋼筋混凝土結構，尺寸為24.8 m×12.5 m×9.3 m。膜吹掃鼓風機為空氣懸浮離心鼓風機，共3臺，2用1備，自帶變頻，單臺風量為195 Nm3/min，壓力為5 m，功率為185 kW；生物池鼓風機為空氣懸浮離心鼓風機，共2臺(1用1備)，自帶變頻，單臺風量為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1套，投加計量泵3臺(2用1備)，單臺流量為300 L/h，揚程為20 m，功率為0.37 kW；PAC投加系統1套，投加計量泵3臺(2用1備)，單臺流量為15 m3/h，揚程為10 m，功率為1.5 kW；乙酸鈉投加系統1套，投加計量泵3臺(2用1備)，單臺流量為300 L/h，揚程為20 m，功率為0.55 kW。

3 工藝運行特點

(1)設置初沉發酵池

通過在刮泥機上安裝潛水攪拌器，把普通的初沉池設計成初沉發酵池，初沉發酵池中揮發性脂肪酸(VFA)含量較普通初沉池提高約5%，可提高污水的可生化性，增加進入生化池的可利用內生碳源，從而提高反硝化能力。

(2)采用多點進水AAO-A模式

反硝化過程需要有機物作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為N2，以實現污水脫氮的目的。考慮到污水處理廠實際進水中含有高達50%的工業廢水，本工程AAO-A生物池建立多點進水的運行方式，進水點包括厭氧池、缺氧池、兼氧池(圖2)，可以根據工藝運行需要向缺氧池和兼氧池分配一定比例的進水，利用原水中的碳源以節約外加碳源的投加，也增強了系統的抗沖擊能力。控制兼氧池曝氣末端溶解氧質量濃度在1 mg/L左右，可在兼氧池通過關閉曝氣器切換成缺氧運行，配合兼氧到缺氧400%的回流量以加強反硝化反應[5]。在缺氧池，分配10%～15%的進水，可以有效控制回流帶來的溶解氧的影響，并促進一部分反硝化反應；在兼氧池分配0～10%的進水，也可在兼氧池再進行一次反硝化脫氮，其余未去除的污染物在MBR膜池進行氧化去除。總的來說，多點進水可以最大程度地利用進水原有的碳源于反硝化反應，節約了外加碳源的投加，使出水TN波動更小，更有利于出水穩定達標。

圖2 多點進水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工藝取代傳統的二沉池+混凝沉淀過濾，并且MBR膜生物反應器工藝也具有優越的去除有機物和脫氮除磷功能。有機物降解方面：與傳統生物法相比，MBR對有機物去除效率高(一般大于96%)，而且可以在較短的水力停留時間(HRT)內達到較好的去除效果。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器內，實現了反應器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，微生物菌膠團的平均粒徑較常規活性污泥法更加細小，硝化速率更高;從反硝化角度分析，由于膜的高效截留作用，反應器內可維持很高的污泥濃度，相應的反硝化菌數量較多，有利于反硝化反應的推動。除磷方面：因為膜對SS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內，除磷效果顯著。

4 工藝運行分析

4.1 溶解氧控制

生化池和MBR膜池溶解氧的控制，對于整個工藝的運行至關重要。由于本工程進水中含有50%的工業廢水，進水C/N較低，內生碳源相對匱乏，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量濃度控制在0.5～1.0 mg/L，MBR膜池溶解氧質量濃度控制在1.5～2.0 mg/L，這樣既有利于平衡整個系統CODCr、氨氮、TP和TN的去除，使各污染物的去除率都保持在一個相對較好的水平，又可以節約電能和碳源消耗。

4.2 活性污泥濃度控制

在MBR工藝運行過程中，活性污泥濃度的控制與常規工藝相比也需要特別注意。本工程原設計好氧池的污泥質量濃度為8 g/L，膜池的污泥質量濃度在10 g/L以上。然而，在實際運行過程中，因為本工程進水C/N較低，好氧池若保持8 g/L的污泥質量濃度，過一段時間后污泥老化較為嚴重，影響出水色度和TP，故在實際運行過程中控制好氧池活性污泥質量濃度在5.5～6.5 g/L，可以在一定程度上緩解污泥老化。分析原因主要是進水水質營養元素不足，導致活性污泥生長處于內源呼吸階段，需要通過降低一定的污泥濃度來平衡污水中營養物質的量，從而使活性污泥的生長狀態移至穩定期。

4.3 回流比控制

回流比的控制對于整個系統污染物的去除，特別是TN的去除影響較大[8]。本工程設置了3個回流點，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境進而影響脫氮的效率。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，達到一定程度的節能。

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。除磷藥劑的投加點設置在MBR池進水端，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充，通過投加PAC后，結合MBR膜的過濾作用，可保證出水TP指標的穩定達標。乙酸鈉的投加點有兩個，一個在缺氧池，一個在兼氧池，主要投加點為缺氧池，根據工藝運行及水質變化進行投加，主要投加時段在冬季水溫較低時。

5 運行效果

丁橋污水處理廠四期工程近1年運行時間的水質情況如表2所示。由表2可知，該工藝對各污染物去除效果良好，各相關出水指標都能到達排放標準要求，出水TN平均質量濃度為7.72 mg/L，出水TP平均質量濃度為0.23 mg/L，脫氮除磷能力顯著。同時，由表2可知，出水SS質量濃度基本穩定在5 mg/L左右，不受活性污泥狀態影響，相比傳統工藝穩定性顯著提升。

表2 2021年進出水水質情況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，其中建安費為7 867萬元，設備費為7 995萬元，預備費為255萬元。運行的主要費用包括電費、藥劑費和人工費3部分，總計單位直接運行成本為0.533 0元/m3。根據近1年運行情況統計分析，電費為0.308 0元/m3；PAC、聚丙烯酰胺、次氯酸鈉、乙酸鈉藥劑費分別為0.034 0、0.009 9、0.024 9、0.053 4元/m3，共計0.122 2元/m3；人工費為0.102 8元/m3。

7 結語

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

(2)針對AAO-A生物池多點進水模式，厭氧池可分配入75%～90%的進水，缺氧池可分配入10%～15%的進水，兼氧區可分配入0～10%的進水，出水TN波動更小，更有利于出水穩定達標。

(3)在AAO-A+MBR工藝中，將好氧池溶解氧質量濃度控制在0.5～1.0 mg/L，MBR膜池溶解氧質量濃度控制在1.5～2.0 mg/L，好氧池活性污泥質量濃度控制在5.5～6.5 g/L。同時，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，單位運行成本較低。