倒置AAO-MBR工艺处理生活污水实践

朱伟堂，周 俊，孙永军，吴绪军

(1.浙江省长兴县环境保护监测站，浙江湖州 313100；2.南京工业大学生物与制药工程学院，江苏南京 211816；3.长兴瑷晟环保科技有限公司，浙江湖州 313100)

近年来，随着城镇化进程的加快，城镇污水排放量逐年递增，当前污水处理工艺主要包括生物氧化工艺、氧化沟技术和膜生物反应技术等[1-2]，还有的采用人工湿地[3]等。另外，在城镇污水处理方面也存在一些问题，主要包括区域设施治理水平分布不均、配套管网设施建设滞后、污水处理工艺和设备不合理、部分地区污水收集率“虚高”等[4]，这些问题亟待解决。在新农村建设及乡村振兴的背景下，农村生活污水的处理迫在眉睫，其处理工艺主要包括好氧处理工艺、人工湿地、稳定塘系统和土地处理工艺等[5]。但我国村镇的数量巨大，且分布广阔，情况复杂，需要针对各个地区因地制宜地制定专门的处理技术和管理措施[6]。当前，昆山市某镇已建一座处理规模为3.0万m3/d的污水处理厂，由于本镇的经济发展和人口增加，所产生的污水量已经超过了现有污水处理厂的处理能力，污水管网处于高位运行，经常从低洼处的污水井溢出，尤其是在雨季，溢出现象更为严重。为了改变现状，在短时间内快速解决这个问题，决定在管网泵站处设置临时污水处理装置，增大污水处理量，解决污水站处理能力不足和管网污水溢流的问题。通过文献调研和小试研究[7-9]，并结合BIOWIN对污水处理厂的工艺优化及改造。其中，倒置AAO(缺氧/厌氧/好氧)工艺将缺氧池前置，让厌氧区和好氧区相连，使厌氧释磷后保持较高的吸磷动力，同时提高了脱氮除磷的效果[10]。对于低C/N的城市生活污水，倒置AAO工艺具有显著的优势[11]。膜生物反应器是将膜分离单元与生物处理单元有机结合，可以将游离细菌和有机大分子物质截留在生物反应器内，提高悬浮污染物的去除率，同时提高了反应器内污泥浓度、生物处理有机负荷，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量[12]。基于此，本研究拟采用倒置AAO-MBR(膜生物反应器)系统对生活污水进行处理，出水指标全部达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，并达到《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质质量标准。

1 污水水质指标

本项目处理污水主要为生活污水，含有比例不超过20%的高氨氮废水。本项目设计污水处理量总规模为1.0万 m3/d，共20套设备，每套设备污水处理量为500 m3/d。出水指标达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类水质质量标准[13]。废水水质的测定按照国家环保局颁布的标准方法进行测定。其中，pH采用便携式pH仪测定、CODCr采用重铬酸钾法测定、BOD5采用五日生化需氧量法测定、氨氮采用纳氏试剂光度法测定、TN采用紫外分光光度法测定、TP采用钼锑抗分光光度法测定、SS采用滤膜法测定。生活废水水质及排放水质质量标准如表1所示。

表1 污水水质及排放标准

2 工艺流程及主要参数

泵站污水在潜污泵的抽吸作用下进入后续自清洗过滤器系统，过滤器内设置精度为1 mm的滤网，将污水的毛发和纤维物质截留去除，以减少特别容易产生的“成辫”现象，保障MBR稳定、安全地运行。经过滤处理的污水采用两点进水的方式分别进入缺氧池和厌氧池，两个池体的进水比例根据进水水质进行调整[14]。本工艺与传统AAO工艺相比设置前置的预缺氧区，停留时间为2.5 h，第一缺氧池利用进水碳源和回流硝化液进行快速反硝化，接着混合液进入厌氧池进行厌氧释磷，厌氧区停留时间为1.5 h[15]。将厌氧区放在第一缺氧区之后，由于回流液中的硝态氮被充分反硝化，减少了其对聚磷菌的抑制，可提高除磷效果[16]。在兼氧区再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液进一步反硝化脱氮，该区停留时间为2.0 h。兼氧区污水进入好氧曝气池，曝气池完成有机物的去除和氨氮的硝化反应，整个系统总水力停留时间约为12.0 h。本工艺脱氮除磷效率较传统的AAO工艺大大提高。本工艺中的剩余污泥采用板框压滤，使得含水率≤60%后进行焚烧处理。具体工艺流程如图1所示，主要技术参数如表2所示。

表2 主要技术参数

图1 倒置AAO-MBR工艺流程

3 BIOWIN软件模拟

目前，污水处理工艺模拟软件BIOWIN广泛应用于指导新建污水处理厂方案设计、已建污水处理厂的工艺优化及改造。BIOWIN软件能够客观形象地将污水处理的流程进行模拟化，便于管理人员进行预测和计算。Mohan等[17]采用BIOWIN软件对旧的污水处理厂进行改造，提出的方案是加入一个中间的虚拟缺氧区，实现硝化反硝化和总溶解磷的同时去除，并对模型进行了校正，用实际数据进行了验证。Badeti等[18]以悉尼中央公园购物中心的污水处理厂污水水质为原型，利用BIOWIN软件模拟污水中尿液分离对生物处理过程的影响，并利用污水处理厂的污水数据对模型进行验证，获得了较好的结果，有助于人们理解污水中尿液分离对污水处理厂带来的出水水质提升、能耗及温室气体排放的减少。本文采用BIOWIN软件对倒置AAO-MBR一体化工艺处理方案进行模拟优化。

3.1 工艺概化模型

根据对该高浓度生活污水处理的方案设计，采用BIOWIN软件建立了图2的倒置AAO-MBR概化模型。

图2 倒置AAO-MBR概化模型

3.2 数据调研处理

3.2.1 基础数据

主要设计构筑物参数如表3所示，倒置AAO-MBR一体化工艺模拟主要由缺氧池、厌氧池、兼氧池、生化池和膜生物反应器组成，其中缺氧池、厌氧池、兼氧池和生化池的体积分别为42、35、60 m3和129 m3，表面积分别为15.56、12.96、22.22 m2和47.78 m2，深度均为2.7 m。膜生物反应器的体积为60 m3，表面积为22.22 m2，深度为2.7 m，膜表面积为1 500.00 m2，曝气器数量为44个。

表3 主要构筑物设计参数

3.2.2 工艺运行优化条件

根据现场生活污水水质特点，相关参数及设计运行数据如表4～表6所示。进水流量为500 m3/d，进水CODCr质量浓度为350.00 mg/L，TN质量浓度为50.00 mg/L，TP质量浓度为4.00 mg/L，pH值为7.00，碱度摩尔浓度为6.00 mmol/L，SS质量浓度为100.00 mg/L，Ca2+质量浓度为80.00 mg/L，Mg2+质量浓度为15.00 mg/L，膜回流泵的恒定功率为10 kW，可用于后续经济成本的计算。

表4 设计运行数据

表5 泵/管道参数

表6 设计运行参数

3.2.3 模拟运行结果

模拟运行结果如表7所示，经过膜生物反应器处理，出水CODC、TP、BOD5、亚硝酸盐+硝酸盐、TN、碱度、pH、氨氮、硝酸盐均达到了《地表水环境质量标准》Ⅳ级的水质质量标准。其中，CODCr、TP、BOD5、TN、氨氮去除效率为9.55、0.13、0.72、4.31、0.01 kg/d，碱度去除效率为1.58 kmol/d。以上结果说明，BIOWIN软件能够很好地模拟倒置AAO-MBR工艺处理高浓度生活污水，使生活污水出水指标能够达到《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质质量标准。同样，BIOWIN软件也能成功模拟其他污水处理工艺的运行。Li等[19]采用BIOWIN计算机建模软件对膜曝气生物反应器(MABR)不同水力停留时间的反应性能进行模拟。在所有试验条件下，4次比较研究表明，模拟值与实测值的相对误差分别小于11.7%、12.4%、12.9%、4.3%，说明BIOWIN能够很好地反映MABR的实际运行性能。Soliman等[20]采用BIOWIN软件模拟实验室规模序批式活性污泥法(SBR)处理工艺处理高氮污水的长期动态行为，经校准后的模型能够准确预测不同操作条件下的SBR处理工艺的日出水氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、碱度和pH，成功模拟SBR工艺处理高氮污水。

表7 模拟运行结果

4 工程调试和运行

4.1 工程调试

采用原水稀释带负荷启动，在MBR生化池内先少量进水，控制好氧池的CODCr质量浓度≤200 mg/L，在启动时根据原水的特性投加一定量的葡萄糖(工业级，河北楚岩环保科技有限公司)、尿素(工业级，山东金奥化工有限公司)和磷酸二氢钾(工业级，河南泰清化工产品有限公司)，维持C∶N∶P(质量比)为100∶5∶1。投加现有生活污水处理厂的MBR池污泥，控制MLSS质量浓度在3 000 mg/L左右，开启鼓风机闷曝，控制池内DO质量浓度≤3.0 mg/L[21]。闷曝3 d后，镜检发现开始出现少量的豆形虫等鞭毛类微生物，之后开始连续进水，水量为设计负荷的1/5，开启内循环，循环量为200%。运行负荷逐渐增加，每运行1周增加1/5。

运行30 d后，MLSS质量浓度增加到6 500 mg/L，CODCr的去除率在95%左右，镜检观察到菌胶团成块状，呈深褐色，有钟虫、盾纤虫等，此时开始全负荷运行。在以后几个月的运行中，进水CODCr质量浓度有时高于600 mg/L，进水氨氮质量浓度高于70 mg/L，采用MBR工艺时CODCr去除率基本保持在95%左右，没有出现大的波动。

4.2 运行监测数据

稳定运行期间7 d运行进出水相关指标如表8所示。出水CODCr质量浓度在9.00～20.00 mg/L、氨氮为0，TN质量浓度在8.00～10.00 mg/L、TP质量浓度在0.10～0.30 mg/L，与BIOWIN软件模拟倒置AAO-MBR工艺结果类似，出水指标满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ级的水质质量标准。另一方面，运行数据验证了BIOWIN软件能够成功模拟倒置AAO-MBR工艺处理高浓度生活污水。在对生活废水的处理中，王旭东等[10]将自制高强度PVA亲水性改性复合膜应用于倒置AAO-MBR工艺中，处理模拟生活污水，使出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准。刘圣根等[11]采用自行设计的MBR中试设备构建倒置AAO-MBR工艺处理城市生活污水，也可使出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准。

4.3 运行费用

基于模拟设计运行对所产生的相关费用进行统计，结果如表9所示。倒置AAO-MBR系统运行所需要的费用主要包括电费、药剂费用和人工费用，其中，该系统运行电费为0.857元/m3、药剂费用为0.335元/m3，人工费用为0.066元/m3，合计运营费用需要1.258元/m3。在污水处理费用方面，Xu等[22]对AAO-MBR工艺处理生活污水时外部添加碳源(C-乙酸酯)和内部污泥MHP法制备碳源(C-MHP)添加去除污水中的氮进行了分析，研究表明，添加C-乙酸酯、C-MHP的脱氮成本为57.13、54.48元/kg。C-MHP具有经济可行性，可部分替代外部碳源进行污水脱氮。但是，该研究仅计算了脱氮费用，AAO-MBR系统运行电费及其他费用并未计算在内。

表9 运行费用

5 结论

采用多点进水、倒置AAO-MBR工艺处理高浓度生活污水，处理后的出水指标可以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，并达到《地表水环境质量标准》地表水环境质量Ⅳ类水质质量标准。另外，采用倒置AAO-MBR处理生活污水的成本为1.258元/m3。采用BIOWIN软件对处理工艺进行模拟，BIOWIN能够成功模拟倒置AAO-MBR工艺处理高浓度生活污水，采用BIOWIN软件可以进一步对运行成本进行优化，减少药剂投加量，降低经济成本。