多点进水AAO-A+MBR工艺在低C/N污水处理厂的工程应用

沈 超，任玉辉

(1.海宁市水务投资集团有限公司，浙江海宁 314400；2.上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

在城镇的快速发展中，为了改善地表水体的环境功能，污水处理厂出水水质的要求不断提高，南方城镇污水处理厂普遍存在进水C/N低、出水TN不稳定的情况，并受到广泛关注[1]。海宁丁桥污水处理厂四期工程位于太湖流域和钱塘江流域水质敏感区，出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。海宁丁桥污水处理厂现建有三期工程，处理规模共1.5×105m3/d，主体工艺为“SBR+AAO”工艺，出水执行一级A标准，但污水处理厂实际进水中含有高达50%的工业废水，而且近两年来运行负荷率接近90%，四期工程为丁桥污水处理厂处理能力接近满负荷时的扩建工程，用地较为紧张。

MBR工艺是由生物处理单元和膜分离单元结合而成的一种新型水处理技术，该工艺具有占地小、微生物含量高、污染物去除效率高、污泥产量低等特点[2]。AAO与膜工艺结合能实现生活污水中CODCr、氨氮、TN、TP等物质的高效去除，在城镇生活污水处理厂中应用广泛[3-4]。但对于工业废水，其可生化性普遍较差，同时受限于运行成本等原因，MBR工艺在含有大量工业废水的城镇污水处理厂中尚未得到规模化的应用。

本研究以海宁丁桥污水处理厂四期工程为例，针对其进水中含有大量的工业废水，介绍其设计参数、实际运行情况和成本分析，以期为该类型污水处理改扩建工程和后期运维提供参考。

1 工程概况

浙江海宁丁桥污水处理厂四期工程设计规模为5×104m3/d，服务人口为34万人，服务面积为332 km2，主体工艺采用“AAO-A+MBR”，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。出厂污泥含水率小于80%，污泥产量约为40 t/d。除臭设施与主体工程同步建设，对细格栅、曝气沉砂池、调节池、初沉发酵池、生物池厌缺氧区、污泥浓缩池、污泥储池和脱水机房等构筑物进行加盖并收集臭气，采用生物除臭工艺进行处理。该工程于2020年6月开始投入运行，污水处理厂工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart

该工程主要收集海宁市区4个街道的生活污水和工业废水，进水生活污水和工业废水比例约为1∶1，其中工业废水主要为印染、经编和化工等行业废水，设计进出水水质标准如表1所示。

根据传统的脱氮理论，实现完全反硝化的理论C/N为2.86，但是由于微生物的生长，一般认为，BOD5/TN≥3，即可认为污水有足够的碳源供反硝化菌利用。由表1可知，该工程BOD5/TN仅为2。

表1 设计进水水质与排放标准要求Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Requirement of Discharge Standard

2 主要构筑物及设备参数

2.1 分配井及细格栅

分配井及细格栅间(合建)1座，钢筋混凝土结构，过栅流速为0.579 m/s；旋转齿耙格栅清污机2台(1用1备)，栅条间隙为10 mm，栅前水深为1 m，单台功率为1.5 kW，格栅倾角为70°；螺旋输送机1台，功率为2.2 kW；内进流网板式细格栅(配套冲洗系统)2台(1用1备)，栅条间隙为5 mm，栅前水深为1.47 m，格栅倾角为90°，单台功率为1.5 kW。

2.2 曝气沉砂池

曝气沉砂池1座(分2格)，钢筋混凝土结构，尺寸为18.00 m×7.60 m×5.15 m，停留时间为5.68 min；沉砂池移动式刮砂桥1套，洗砂泵2台，单台功率为2.2 kW；罗茨鼓风机2台(1用1备)，单台功率为11 kW；砂水分离器1台，功率为0.37 kW。

2.3 调节池

调节池1座(分4格)，钢筋混凝土结构，尺寸为40.0 m×40.0 m×5.2 m，调节时间为4 h；立轴搅拌器4套，单套功率为5.5 kW；潜水轴提升泵3台(2用1备)，单台流量为1 145 m3/h，扬程为2～6 m，单台功率为18.5 kW。

2.4 初沉发酵池

初沉发酵池2座，钢筋混凝土结构，单座池内径为22 m，周边水深为4.8 m，表面负荷为3.0 m3/(m2·h)；中心传动刮泥机及配套浮渣排除设备2台，单台功率为0.37 kW；潜水搅拌器4台，单台功率为4 kW；污泥螺杆泵3台(2用1备)，单台流量为15 m3/h，扬程为30 m，单台功率为3 kW。

2.5 膜格栅池

膜格栅池1座，钢筋混凝土结构；板式膜格栅4台(2用2备)，栅条间隙为1 mm，栅前水深最高为2 m，格栅倾角为90°，单台功率为1.5 kW；栅渣清洗压榨机1台，功率为2.2 kW；膜格栅冲洗泵4台(2用2备)，单台流量为30 m3/h，扬程为55 m，功率为7.5 kW。

2.6 AAO-A生物池

AAO-A生物池2座，钢筋混凝土结构，设计流量为0.578 m3/s。好氧池污泥质量浓度为8 g/L，缺氧池污泥质量浓度为6 g/L，总泥龄为20 d，停留时间：厌氧区1.5 h，缺氧区4.5 h，好氧区6.0 h，兼氧区1.1 h。厌氧区立轴搅拌器2台，单台功率为5.5 kW；缺氧区潜水推进器4台，单台功率为7.5 kW；好氧区微孔曝气器6 300个，空气流量为2 Nm3/(h·个)；兼氧区潜水搅拌器2台，单台功率为2.2 kW；混合液内回流泵(缺-厌)4台(2用2备)，内回流比为200%，单泵流量为2 083 m3/h，扬程为0.8 m，功率为7.5 kW；混合液内回流泵(兼-缺)6台，内回流比为400%，单泵流量为1 389 m3/h，扬程为1.2 m，功率为11 kW。

2.7 MBR膜池

MBR膜池1座，钢筋混凝土结构，廊道数量为10条，单廊道尺寸为22.3 m×4.6 m×5.0 m，停留时间为1.06 h，污泥质量浓度为8～12 g/L。膜组器数量为70组，平均产水量为834 m3/(d·组)，单组膜面积为2 100 m2，名义膜通量为14.17 L/(m2·h)，材质为PVDF中空纤维带衬膜。膜池-好氧池设有回流泵6台，单台流量为1 740 m3/h，扬程为1 m，功率为11 kW，回流比为500%；产水泵10台，单台流量为334 m3/h，扬程为10 m，功率为15 kW；剩余污泥泵3台(2用1备)，单台流量为334 m3/h，扬程为10 m，功率为15 kW；CIP泵2台(1用1备)，单台流量为200 m3/h，扬程为12 m，功率为11 kW；CIP加药系统1套。

2.8 消毒接触池

消毒接触池1座，钢筋混凝土结构，尺寸为30.0 m×10.6 m×4.5 m，停留时间为0.5 h，潜水泵2台(1用1备)，单台流量为150 m3/h，扬程为4 m，功率为3.0 kW。

2.9 风机房

风机房1座，钢筋混凝土结构，尺寸为24.8 m×12.5 m×9.3 m。膜吹扫鼓风机为空气悬浮离心鼓风机，共3台，2用1备，自带变频，单台风量为195 Nm3/min，压力为5 m，功率为185 kW；生物池鼓风机为空气悬浮离心鼓风机，共2台(1用1备)，自带变频，单台风量为110 m3/min，压力为7.5 m，功率为160 kW。

2.10 加药间

次氯酸钠投加系统1套，投加计量泵3台(2用1备)，单台流量为300 L/h，扬程为20 m，功率为0.37 kW；PAC投加系统1套，投加计量泵3台(2用1备)，单台流量为15 m3/h，扬程为10 m，功率为1.5 kW；乙酸钠投加系统1套，投加计量泵3台(2用1备)，单台流量为300 L/h，扬程为20 m，功率为0.55 kW。

3 工艺运行特点

(1)设置初沉发酵池

通过在刮泥机上安装潜水搅拌器，把普通的初沉池设计成初沉发酵池，初沉发酵池中挥发性脂肪酸(VFA)含量较普通初沉池提高约5%，可提高污水的可生化性，增加进入生化池的可利用内生碳源，从而提高反硝化能力。

(2)采用多点进水AAO-A模式

反硝化过程需要有机物作为电子供体，将硝酸盐氮还原为N2，以实现污水脱氮的目的。考虑到污水处理厂实际进水中含有高达50%的工业废水，本工程AAO-A生物池建立多点进水的运行方式，进水点包括厌氧池、缺氧池、兼氧池(图2)，可以根据工艺运行需要向缺氧池和兼氧池分配一定比例的进水，利用原水中的碳源以节约外加碳源的投加，也增强了系统的抗冲击能力。控制兼氧池曝气末端溶解氧质量浓度在1 mg/L左右，可在兼氧池通过关闭曝气器切换成缺氧运行，配合兼氧到缺氧400%的回流量以加强反硝化反应[5]。在缺氧池，分配10%～15%的进水，可以有效控制回流带来的溶解氧的影响，并促进一部分反硝化反应；在兼氧池分配0～10%的进水，也可在兼氧池再进行一次反硝化脱氮，其余未去除的污染物在MBR膜池进行氧化去除。总的来说，多点进水可以最大程度地利用进水原有的碳源于反硝化反应，节约了外加碳源的投加，使出水TN波动更小，更有利于出水稳定达标。

图2 多点进水AAO-A+MBR流程图Fig.2 Flow Chart of Multi-Point Influent AAO-A+MBR Process

(3)采用MBR工艺

由于本工程用地紧张，采用MBR工艺取代传统的二沉池+混凝沉淀过滤，并且MBR膜生物反应器工艺也具有优越的去除有机物和脱氮除磷功能。有机物降解方面：与传统生物法相比，MBR对有机物去除效率高(一般大于96%)，而且可以在较短的水力停留时间(HRT)内达到较好的去除效果。脱氮方面：从硝化角度分析，膜的高效截留作用使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器HRT和污泥龄(SRT)的完全分离[6]，有利于增殖缓慢的亚硝酸菌和硝酸菌的截留、生长和繁殖，同时，微生物菌胶团的平均粒径较常规活性污泥法更加细小，硝化速率更高;从反硝化角度分析，由于膜的高效截留作用，反应器内可维持很高的污泥浓度，相应的反硝化菌数量较多，有利于反硝化反应的推动。除磷方面：因为膜对SS具有非常好的截留效果，所以膜也可以把颗粒中的磷截留在系统内，除磷效果显著。

4 工艺运行分析

4.1 溶解氧控制

生化池和MBR膜池溶解氧的控制，对于整个工艺的运行至关重要。由于本工程进水中含有50%的工业废水，进水C/N较低，内生碳源相对匮乏，在溶解氧的控制上采取尽量维持在较低水平的策略[7]。从近1年的运行效果来看，在AAO-A+MBR工艺中，利用MBR膜池吹扫曝气过程中的溶解氧回流到好氧池，可以使好氧池维持较低的溶解氧，建议将好氧池溶解氧质量浓度控制在0.5～1.0 mg/L，MBR膜池溶解氧质量浓度控制在1.5～2.0 mg/L，这样既有利于平衡整个系统CODCr、氨氮、TP和TN的去除，使各污染物的去除率都保持在一个相对较好的水平，又可以节约电能和碳源消耗。

4.2 活性污泥浓度控制

在MBR工艺运行过程中，活性污泥浓度的控制与常规工艺相比也需要特别注意。本工程原设计好氧池的污泥质量浓度为8 g/L，膜池的污泥质量浓度在10 g/L以上。然而，在实际运行过程中，因为本工程进水C/N较低，好氧池若保持8 g/L的污泥质量浓度，过一段时间后污泥老化较为严重，影响出水色度和TP，故在实际运行过程中控制好氧池活性污泥质量浓度在5.5～6.5 g/L，可以在一定程度上缓解污泥老化。分析原因主要是进水水质营养元素不足，导致活性污泥生长处于内源呼吸阶段，需要通过降低一定的污泥浓度来平衡污水中营养物质的量，从而使活性污泥的生长状态移至稳定期。

4.3 回流比控制

回流比的控制对于整个系统污染物的去除，特别是TN的去除影响较大[8]。本工程设置了3个回流点，即缺氧池到厌氧池的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厌氧池主要是为了强化除磷，相比于从好氧池回流到厌氧池，污泥混合液中溶解氧和硝酸盐氮含量低，不会跟聚磷菌释磷争夺碳源。从兼氧池回流到缺氧池，相比于从好氧池回流到缺氧池，减少了好氧池溶解氧对缺氧池的影响，因此，回流比可以控制到400%，但太高的回流比会影响缺氧池的缺氧环境进而影响脱氮的效率。通过MBR膜池回流到好氧池，可以充分利用膜池中富余的溶解氧，降低好氧池的曝气量，达到一定程度的节能。

4.4 加药量控制

本研究主要考虑除磷药剂聚合氯化铝(PAC)和碳源乙酸钠的投加控制。除磷药剂的投加点设置在MBR池进水端，PAC投加量为0.076 kg/m3，乙酸钠投加量为0.062 kg/m3。PAC投加主要为前段生物除磷的补充，通过投加PAC后，结合MBR膜的过滤作用，可保证出水TP指标的稳定达标。乙酸钠的投加点有两个，一个在缺氧池，一个在兼氧池，主要投加点为缺氧池，根据工艺运行及水质变化进行投加，主要投加时段在冬季水温较低时。

5 运行效果

丁桥污水处理厂四期工程近1年运行时间的水质情况如表2所示。由表2可知，该工艺对各污染物去除效果良好，各相关出水指标都能到达排放标准要求，出水TN平均质量浓度为7.72 mg/L，出水TP平均质量浓度为0.23 mg/L，脱氮除磷能力显著。同时，由表2可知，出水SS质量浓度基本稳定在5 mg/L左右，不受活性污泥状态影响，相比传统工艺稳定性显著提升。

表2 2021年进出水水质情况Tab.2 Water Quality of Influent and Effluent in 2021

6 成本分析

本工程总投资为21 470万元，其中建安费为7 867万元，设备费为7 995万元，预备费为255万元。运行的主要费用包括电费、药剂费和人工费3部分，总计单位直接运行成本为0.533 0元/m3。根据近1年运行情况统计分析，电费为0.308 0元/m3；PAC、聚丙烯酰胺、次氯酸钠、乙酸钠药剂费分别为0.034 0、0.009 9、0.024 9、0.053 4元/m3，共计0.122 2元/m3；人工费为0.102 8元/m3。

7 结语

(1)对于低C/N污水处理厂，可采用初沉发酵池+多点进水AAO-A+MBR工艺，通过挖掘利用原水中内在碳源从而减少外加碳源量。

(2)针对AAO-A生物池多点进水模式，厌氧池可分配入75%～90%的进水，缺氧池可分配入10%～15%的进水，兼氧区可分配入0～10%的进水，出水TN波动更小，更有利于出水稳定达标。

(3)在AAO-A+MBR工艺中，将好氧池溶解氧质量浓度控制在0.5～1.0 mg/L，MBR膜池溶解氧质量浓度控制在1.5～2.0 mg/L，好氧池活性污泥质量浓度控制在5.5～6.5 g/L。同时，缺氧池到厌氧池为200%回流，兼氧池到缺氧池为400%回流，MBR膜池到好氧池为500%回流，可以得到良好的污水处理效果，单位运行成本较低。