A2O+MBR工藝處理低碳氮比污水的效果研究

摘要：污水處理廠通常面臨進水碳氮比偏低的問題，為確保出水水質達標，一般采取超量投加碳源的策略，但是這會導致運行成本上升。北京市某污水處理廠將厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）+膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）工藝作為主體工藝，進水由生活污水（占30%）和工業廢水（占70%）組成。該污水處理廠向缺氧池投加葡萄糖溶液作為碳源，輔助脫氮。試驗分別測定進出水化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總氮（Total Nitrogen，TN）和反應池混合液懸浮固體（Mixed Liquid Suspended Solids，MLSS）的濃度，分析外加碳源對脫氮效果和污泥產生量的影響，并進行碳源投加前后的成本對比。研究表明，進水COD/TN小于7時，適量投加碳源有助于提升脫氮效率，而COD/TN大于7時，要優化其他環節來加強脫氮效果，以保證出水水質穩定符合相關標準。通過精細化過程控制和改變運行管理方式，污水處理廠可以有效降低運行成本，避免進行工程化改造。

關鍵詞：厭氧-缺氧-好氧（A2O）；膜生物反應器（MBR）；污水處理；低碳氮比；脫氮；外加碳源

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.072

Study on the Effect of A2O + MBR Process in Treating Low Carbon-Nitrogen Ratio Wastewater

ZHAO Yangyang1， LI Chenxing2， LI Jingxu1， YAN Waner2， ZHANG Tong2

（1. Beijing Yizhuang Environmental Technology Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China;

2. Beijing General Municipal Engineering Design amp; Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100082， China）

Abstract： Wastewater treatment plants often face the problem of low carbon-nitrogen ratio in the influent， in order to ensure that the effluent quality meets the standards， a strategy of excessive addition of carbon sources is generally adopted， but this can lead to an increase in operating costs. A wastewater treatment plant in Beijing city adopts the Anaerobic-Anoxic-Oxic （A2O） + Membrane Bio-Reactor （MBR） process as the main process， with the influent consisting of domestic sewage （accounting for 30%） and industrial wastewater （accounting for 70%）. The wastewater treatment plant adds glucose solution to the anoxic tank as a carbon source to assist in denitrification. The experiment separately measures the concentration of Chemical Oxygen Demand （COD）， Total Nitrogen （TN） in the influent and effluent， and Mixed Liquid Suspended Solids （MLSS） in the reaction tank， analyzes the effect of additional carbon source on denitrification efficiency and sludge production， and compares the cost before and after carbon source addition. Research has shown that when the influent COD/TN is less than 7， adding an appropriate amount of carbon source can help improve denitrification efficiency， however， when the COD/TN is greater than 7， other processes need to be optimized to enhance denitrification efficiency and ensure that the effluent quality stably meets relevant standards. By refining process control and changing operational management methods， wastewater treatment plants can effectively reduce operating costs and avoid engineering transformations.

Keywords： Anaerobic-Anoxic-Oxic （A2O）; Membrane Bio-Reactor （MBR）; wastewater treatment; low carbon-nitrogen ratio; denitrification; additional carbon source

碳源是污水處理廠活性污泥中異養微生物的能量來源和脫氮過程的電子供體，是影響反硝化過程和脫氮能力的重要因素[1]。混有工業廢水的城鎮污水處理廠進水碳氮比普遍較低，不外加碳源很難滿足出水總氮（Total Nitrogen，TN）達標要求[2]。部分污水處理廠僅憑經驗向缺氧池中超量投加碳源，以保證出水TN達標，同時造成碳源浪費、好氧段曝氣能耗增加、產泥量增大等問題，甚至對脫氮效果產生負面影響[3]。因此，分析進水碳氮比、外加碳源量與出水TN濃度的相關性，對降低污水處理廠的運行成本具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工藝流程

北京市某污水處理廠建成于2014年，設計處理能力為2萬m3/d，主體工藝為厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）+膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）工藝，出水水質達到《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB 11/890—2012）的B標準。污水處理工藝流程如圖1所示。

1.2 水質監測指標

該污水處理廠進水由生活污水（占30%）和工業廢水（占70%）組成，工業廢水主要涉及生物醫療、汽車零部件組裝、智能制造和電子芯片等行業。經實測，進水水質監測結果及出水限值如表1所示。主要監測指標有化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand after 5 days，BOD5）、氨氮（NH3-N）、TN、懸浮物（Suspended Solids，SS）、總磷（Total Phosphorus，TP）和pH。

在污水處理廠運行調試過程中，由于服務范圍內居住用地未完全開發，進水中工業廢水占比較高。進水的BOD5/COD保持在0.5左右，可生化性較好，污水處理適合采用活性污泥法，但BOD5與總凱氏氮（Total Kjeldahl Nitrogen，TKN）之比的均值低于4，不符合《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）的要求（大于4）[4]。

1.3 監測設備與方法

為使出水TN達標，該污水處理廠在缺氧池中投加濃度為60%的葡萄糖溶液作為碳源，輔助脫氮。超量投加碳源通常可以使出水TN達標，但也造成資源浪費。為進一步優化資源利用、節能提效，針對該污水處理廠水質特點進行試驗。雖然《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）對脫氮時污水的BOD5/TKN提出要求，但是BOD5在線監測儀器價格較貴，大部分污水處理廠未配備該儀器，因此BOD5實時監測難度較大。相比之下，COD在線監測技術成熟，性價比高，將COD作為研究對象的實操性更強。此外，一般污水處理廠進水中硝態氮含量較低，可近似認為進水的TKN濃度與TN濃度相等。試驗目的是將研究對象從BOD5/TKN轉換為COD/TN，在控制其他參數基本穩定的情況下，收集和分析一段時間內葡萄糖溶液投加量和各項水質指標的數據，尋找各參數的相關性，作為今后適量投加葡萄糖溶液的參考。不同監測指標對應的監測設備與方法如表2所示。

2 結果與討論

2.1 外加碳源對脫氮效果的影響

根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，出水TN濃度應不大于15 mg/L。該污水處理廠過去投加葡萄糖溶液作為碳源時，以一級A標準為基礎，留有一定波動余地，出水TN濃度取12 mg/L。若監測的出水TN濃度高于該值，則逐步增大葡萄糖投加量，直至TN濃度下降至小于12 mg/L的水平；反之，則逐步減小葡萄糖投加量。連續運行一段時間后，TN去除率與缺氧池中COD/TN的關系如圖2所示。

監測結果顯示，該污水處理廠的TN去除率與缺氧池COD/TN存在明顯相關性。COD/TN約為7時，TN去除率出現最大值（80.7%）；COD/TN小于7時，隨著比值的增加，TN去除率呈現上升趨勢；COD/TN大于7時，隨著比值的增加，TN去除率呈現下降趨勢。經分析，可能是增大外加碳源投加量導致缺氧池內剩余大量可利用有機物，同時沒有合理調節回流比和曝氣量。這些有機物進入好氧池，促進異養菌的增殖，氨氮不能完全氧化，進一步減少缺氧池內的電子受體，影響系統的脫氮效果[3]。

當進水COD濃度較高時，不宜再向缺氧池投加葡萄糖溶液，否則會導致藥劑浪費和好氧段曝氣能耗上升。此時，應調節缺氧池溶解氧濃度、內回流比和好氧池末端曝氣量，性價比可能更好[5-6]。對該污水處理廠而言，可以按照相應流程提前預估葡萄糖投加量，盡可能減少藥劑浪費。一是檢測進水COD、TN濃度，二是計算出水達標所需的脫氮率，三是計算COD/TN，四是若COD/TN小于7，結合所需脫氮率和圖2的線性方程投加適量的葡萄糖溶液，五是若COD/TN大于7，不建議投加葡萄糖溶液，可調節缺氧池溶解氧濃度、內回流比和好氧池末端曝氣量。

2.2 外加碳源對污泥產生量的影響

2022年，混合液懸浮固體（Mixed Liquid Suspended"Solids，MLSS）濃度隨污水中葡萄糖濃度的變化如圖3所示，污泥產生量隨葡萄糖投加量的變化如圖4所示。數據顯示，MLSS濃度和污泥產生量均受到外加碳源的影響。3—5月，葡萄糖投加量較低時，反應池的MLSS濃度和污泥產生量均處于全年的較低水平，而當其他月份葡萄糖投加量上升時，MLSS濃度和污泥產生量則呈現出上升趨勢。因此，在保證TN去除率達標的前提下，可通過減少葡萄糖投加量來降低污泥產生量和污泥處理費用，降低生產成本。

2.3 成本對比

作為外加碳源，葡萄糖的市場價格為1 590元/t。

該污水處理廠2022年進水COD/TN超過7的天數為252 d，對應的葡萄糖投加量為552.5 t，若減少該部分投加量，藥劑成本可減少87.85萬元。若未投加葡萄糖，則年污泥產生量（只考慮COD/TN超過7的天數）可減少695 t，節省污泥處理費用為45.18萬元。

3 結論

向缺氧池投加碳源是保證出水TN達標的可行措施，但超量投加會導致藥劑浪費、好氧段曝氣能耗增加和污泥產率增大等問題，甚至對脫氮效果產生負面影響。進水COD/TN小于7時，可適量投加葡萄糖溶液作為碳源；進水COD/TN大于7時，可調節缺氧池溶解氧濃度、內回流比和好氧池末端曝氣量。反應池的MLSS濃度和污泥產生量均受外加碳源的影響，適量減少葡萄糖投加量可降低污泥處理費用。

參考文獻

1 王 偉，王淑瑩，孫亞男，等.分段進水A/O工藝外碳源投加控制策略的比較研究[J].環境科學，2009（3）：792-797.

2 王盈盈，于海琴，趙 剛，等.倒置A2/O-MBR工藝處理低碳源污水脫氮除磷效果研究[J].水處理技術，2013（6）：77-79.

3 彭永臻，潘 聰，孫事昊，等.進水碳氮比對中試AAO-BAF系統脫氮除磷性能的影響[J].北京工業大學學報，2019（9）：904-910.

4 中華人民共和國住房和城鄉建設部.室外排水設計標準：GB 50014—2021[S].北京：中國計劃出版社，2021.

5 王逸飛，吉芳英，許曉毅，等.重慶城鎮污水處理廠生物脫氮優化調控措施[J].中國給水排水，2019（15）：1-6.

6 王浩宇，張 博.西咸新區朝陽污水處理廠碳源投加方案研究[C]//《環境工程》2019年全國學術年會.2019.