AAO－MBR工艺脱氮工艺优化及节能分析

2021-11-18李贝陈邦杰李微武汉市城市排水发展有限公司北湖污水处理厂

节能与环保 2021年10期

文_李贝陈邦杰李微武汉市城市排水发展有限公司北湖污水处理厂

为实现流域水环境可持续发展，重点整治水体富营养化，结合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），城镇污水处理厂提标升级任务紧迫。生活污水的深度处理将成为污水处理的趋势，膜生物反应器（MBR）是高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型污水处理技术，它与传统生化处理工艺相比具有更好的处理效果。因此，越来越多的城市在新建、扩建污水处理厂时选择MBR工艺。

MBR反应器对有机物和SS的去除效果明显，但由于反应器中常是完全好氧环境，对氮磷营养元素的去除效果不佳，因此将MBR与传统的生物脱氮除磷工艺组合成为研究热点，其中AO-MBR、UCT-MBR和AAO-MBR等组合工艺均有相关报道。目前研究应用的组合工艺中，虽然膜对污染物的去除有一定的作用，但生物反应单元仍承担主要处理任务。厌氧-缺氧-好氧法（AAO）属于活性污泥法，利用微生物降解有机物的同时具有良好的脱氮除磷效果，AAO+MBR工艺是在AAO池之后设置MBR膜池，取代传统活性污泥法中的二沉池及深度处理单元，具有占地面积小、出水水质好、剩余污泥量少等特点。

1 复合式MBR工艺系统构成

1.1 工艺流程

某城市污水处理厂设有40万t规模的AAO－MBR处理工艺，按4组10万t独立处理单元布置，污水经过AAO池处理，大量有机污染物以及氮磷类物质被生化降解后进入MBR膜生物反应池（A#、B#）。MBR膜生物反应池是通过MBR膜生物反应器的高效分离作用，活性污泥被截留在MBR膜池内，出水经消毒后外排。工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

本次试验采用选择区、厌氧区、缺氧区多点进水方式。污泥回流采用膜区混合液回流到好氧区前段，好氧区末段混合液回流到缺氧区，缺氧区混合液回流到选择区的三级回流。此外，在MBR池入口处投加PAC，以满足出水总磷达标。

设计工况：生化池总水力停留时间为12.9h（其中选择区0.5h、厌氧区1.6h、缺氧区4.8h、好氧区6.0h）；膜池水力停留时间为1.15h；三级回流比分别为R1=500%、R2=300%、R3=200%。好氧池由3条过水廊道（好氧1、好氧2、好氧2）串联组成，总曝气气管分为三根支气管对应好氧1～3，设计出水水质指标见表1。

表1 设计进出水水质

膜池配有10台吹扫风机，单机Q=340m3/min，P=0.048MPa，Pe=400kW，设计8用2备；膜生物池配有8台曝气风机，单机Q=185m3/min，P=0.076MPa，Pe=315kW。

1.2 实验方案与检测方法

通过对各点位进水配比、回流比的调整，好氧区末端溶解氧控制，设计了几种实验对比方案。试验过程中，沿生化池水流方向设定了进水、厌氧池、缺氧池、好氧前端、好氧末端、膜池及出水等多个监测点位；每调整1次工况，系统均稳定运行2周以上；取样频率为每周3次；为保证数据的准确性和可比性，每次取样时间、位置均保持一致，试验过程的测定参数包括MLSS、氨氮、DO等，所有水质分析方法均采用国标法。此外，由于本试验是在现场进行，受季节性影响，污水水温会产生一定波动，为降低温度的影响，本次设置水温不低于15℃。

2 结果与讨论

2.1 曝气量控制方式对出水及脱氮的影响

在进水水质相近、其他工艺条件基本相同的条件下，改变AAO池和A#、B#膜池某一工艺运行参数，本次试验期间，通过曝气风机的运行台数及开度，考察了曝气风量改变对（方案1：好氧区末段DO在2～4mg/L之间；方案2：依据出水在线氨氮值进行最低强度曝气，维持出水氨氮在0.5mg/L以内）强化脱氮效果的影响，从而调试分析确定该工艺运行参数设置是否可行，对进出水水质的影响见表2。

表2 DO改变对进出水水质影响

通过对两座曝气池出水数据和好氧池DO进行相关性分析结果显示，出水结果NH3-N、TP、COD、BOD5等数据均与DO之间不具备显著性相关。相较于传统AAO工艺，膜处理工艺中MBR池是生化处理工艺的末段，而AAO池的好氧区并非工艺末段，因此可以将好氧区末段DO控制在较低水平。在生化处理工艺中，硝化菌为专属化能自养型细菌，对混合液中的DO浓度最为敏感。根据该厂长期运行数据，通过减少好氧曝气在保证出水氨氮稳定达标，即同时可满足其它生化指标的好氧需求，实际运行具有可操作性。

2.2 内回流比的影响

在该厂AAO-MBR中，存在膜池回流至好氧池、好氧池混合液回流至缺氧池和缺氧池混合液回流至选择区三个重要回流。其中膜池混合液按比例进入好氧池前段，污水在好氧池和膜池进行吸磷和硝化反应，在缺氧池和污泥缓冲区进行反硝化反应，实现强化脱氮除磷的目的。好氧池混合液回流有两个作用：一是好氧池的硝酸盐回流至缺氧池进行反硝化，一般认为该回流比与总氮去除直接相关；二是好氧池污泥回流至缺氧池，以维持缺氧池污泥浓度。本次试验通过调整3组回流比（S1-4：3：3，S2-4：3：2，S3-4：2：3，S4-4：2：2）考察其对改变生物脱氮除磷效果是否有效，结果见图2。

图2 不同回流比工况下脱氮影响

AAO工艺前置的选择池不仅可以控制污泥膨胀，其缺氧的环境适合反硝化细菌生长，起到一定的脱氮作用，并减弱了硝酸盐对厌氧池的不良影响，达到更好的厌氧环境。且随着AAO内回流比的增加，其中氨氮在反应过程的去除作用可分为微生物作用、稀释作用以及硝化作用，选择区接受回流对氨氮进行稀释，同时微生物进行自身同化反应消耗氨氮，而好氧区硝化菌利用氧气作为电子受体，在好氧条件下进行硝化反应。

AAO工艺中好氧区至缺氧区的回流比一般为200%左右。有研究指出，AAO好氧池混合液回流至缺氧池的回流比为250%时，能够达到较好的脱氮效果和较低的运行能耗；该回流比为300%时能达到较高的污染物去除效果。由图2可以看出，调整内回流大小可以改变TN的去除效果，但是出水TN基本都可以满足（GB18918-2002）。此次实验TN去除率在S1（4：3：3）时效果最佳，说明上述回流比与HJ576-2010标准中各项回流比设计参考值基本相符。由图2可以看出该厂膜池到好氧池回流比较高，一般在300%～400%；好氧池到缺氧区与缺氧池至选择池的回流比一般较低，在200%～300%之间。

2.3 进水方式的影响

传统意义上的初次沉淀池污泥进入生化反应池后，可引发常规活性污泥法系统边界条件的重要变化，其一就是进水的有机物总量增加，有效缓解了碳源不足的问题，在提高除磷脱氮效率的同时，降低运行成本。对功能完整的城市污水处理厂而言，这种碳源是易于获取又不额外增加费用的。该厂在兼顾系统脱氮除磷功能的前提下，选择了占地面积相对较小、剩余污泥的产量较少的AAO-MBR工艺。

结合该厂运行现状，设计了选择区、厌氧区、缺氧区多点进水（S1-7.1：64.2：28.5，S2-10.5：47.3：42.1，S3-10：29：60）的试验方案，旨在考察不同进水方式的运行效果（见图3）。进水方式采用多点进水的方式，使得反硝化菌能充分利用原水中的易降解有机物进行反硝化反应，减少了好氧区异养菌对有机物的竞争，因此反硝化过程可以最大程度地利用原水碳源，同时在系统的整个运行过程中由于硝化液回流比高达300%，所以对总氮有良好的去除，在进水总氮平均为22.4mg/L的情况下，出水总氮平均为10.2mg/L，平均去除率达54.5%。

图3 不同进水配比工况下脱氮影响

对传统AAO工艺，有人建议采用1/3 进水入缺氧区， 2/3进水入厌氧区的分配方案可以取得较高的N、P去除效果，有报道指出适当地在好氧段增加缺氧时间可有效提高生物脱氮能力。其主要原因为：①好氧段增加缺氧时间，可有效减少因过度曝气导致的污泥内碳源消耗，因内碳源属于慢速碳源，增加污泥内碳源反硝化的时间，可以有效增加反硝化作用②好氧段增加缺氧时间，在进水碳源不足的情况下可有效增加同步硝化反硝化作用，减少反硝化所需碳源，增加TN去除率。根据图3结果显示，采用多段进水的形式适当调整缺氧时间能显著提高总脱氮效率。此外，选择池中特有的兼氧-厌氧和高底物浓度环境，因而在工艺上有助于提高脱氮效果。

预处理之后的污水经过AAO系统的反应，结合生化池体的布局对原污水中的碳源进行多点投加，促使其中的菌群处于饥饿状态，提高了其降解效能和固有碳源利用效率，大量有机污染物以及氮磷类物质将被生化降解后使出水 TN去除率得以提升，随后进入MBR膜生物反应池。

3 能耗分析

MBR工艺电能消耗主要用于生物池曝气、膜池吹扫、污泥回流及混合液搅拌。在实验阶段，膜池吹扫强度设定为80Nm3/（m2·h）。根据膜生物池末端DO在2～4mg/L之间控制曝气，总输出风量约为3×104m3/h，需3台曝气风机同时运行；根据出水在线氨氮值0.5mg/L的限值进行曝气风量控制，实际输出曝气总风量约7000m3/h，仅需1台曝气风机运行，曝气动力功率消耗下降约600kW。