AAO-IMABR 耦合工艺在市政污水处理中的应用

张信武， 廖志军， 耿春茂， 杨思聪， 廖文兵， 黄浩志

（1.广东科清环境技术有限公司， 广东 惠州 516007；2.惠州水务集团碧源环境科技有限公司， 广东 惠州 516003）

活性污泥法和生物膜法是目前污水处理中最常用的2 种生物处理技术。 活性污泥法工艺简单， 操作简便； 生物膜法耐冲击负荷能力强， 处理效率高。 但两者均存在氧利用率低， 能耗高等缺点［1］。近年来， 新兴的膜曝气生物膜反应器（MABR）工艺结合活性污泥法与生物膜法工艺特点， 以其高效脱氮， 低耗曝气， 节能降耗等优势， 逐步在污水处理行业受到关注［2］。 该工艺最大的特点是硝化与反硝化过程在同一反应器内同步发生， 反硝化产生的碱度可同时补偿硝化反应消耗的碱度， 因此， 该工艺在低碳氮比污水处理方面具有优势［3－4］。 MABR 常用的膜材料一般分为3 类： 致密的硅橡胶膜、 微孔膜以及在膜基材涂覆致密层的复合膜［5］。 本文中涉及的重离子微孔膜也称核孔膜， 是高分子薄膜经加速器重离子束流辐照后再经化学蚀刻处理制备出的一种优质微孔膜。 重离子微孔膜采用内外复合无纺布作为支撑层， 通过螺旋卷焊而成管式膜管。 若干管式膜管经组合装配成重离子微孔膜曝气生物膜反应器（IMABR）组件， 作为IMABR 工艺的核心设备。 现以AAO－IMABR 耦合工艺在某低碳氮比市政污水处理站的应用情况为例， 对其处理工艺、设计参数以及运行效果等进行探讨， 以供同类市政污水处理工程项目参考。

1 工程概况

某污水处理站位于广东省惠州市某镇， 主要处理镇街管网收集的市政污水。 设计处理规模为2 000 m3／d， 占地面积为7 000 m2， 原核心生化工艺为生物接触氧化工艺。 该污水处理站于2013 年建成投产， 设计出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B 排放标准。 根据当地水污染攻坚工作要求， 2022 年底， 污水处理站采用AAO－IMABR 耦合工艺进行提标改造，设计出水水质提升至GB 18918—2002 一级A 排放标准及广东省地方标准DB44／ 26—2001《水污染排放限值》第二时段一级标准中的较严值。

2 设计规模及进出水水质

污水处理站提标改造工程未涉及处理能力变化， 设计处理规模保持2 000 m3／d 不变， 设计进出水水质如表1 所示。

表1 进水水质与出水标准Tab.1 Influent water quality and discharge standard

3 污水处理工艺

改造后该污水处理站核心生化工艺为AAOIMABR 耦合工艺， 具体工艺流程图1 所示。

图1 污水处理站工艺流程Fig.1 Process flow of sewage treatment station

管网收集的市政污水经粗格栅截留大块悬浮和漂浮的垃圾后， 提升进入细格栅进一步截留小粒径垃圾及软性杂物， 再经沉砂池进一步去除比重较大的砂粒后进入生化池。 生化池前端为厌氧池，污水与二沉池回流污泥混合， 活性污泥中的微生物充分吸收污水中丰富的有机物质， 并以生物聚合物的形式（主要是PHA 和糖原）贮存于细胞内。这一代谢过程所需的能量主要来自其细胞内贮存的高能分子聚磷酸盐， 厌氧状态下合成PHA 的同时伴随着正磷酸盐的释放［6］。 随后， 污水进入到IMABR 池， 该池为缺氧环境， 设有IMABR 膜组件， 为悬浮活性污泥与生物膜共生的系统。 由于IMABR 膜组件特殊的曝气模式和传氧机制， 生物膜会产生明显的分层。 该生物膜可大致分为3 个功能层， 即好氧层、 缺氧层、 厌氧层， 这就意味着在IMABR 中会有同步硝化反硝化（SND）作用发生［7－8］。 IMABR 池出水进入好氧池， 在此完成硝化反应以及聚磷菌的过量吸磷， 水中的有机物被活性污泥氧化分解， 并部分转化为新的微生物菌胶团［9］。硝化液通过内回流泵回流到IMABR 池前端， 另一部分进入二沉池进行泥水分离。 二沉池上清液进入混凝池， 与PAC 和PAM 混合后发生絮凝作用， 在斜管沉淀池再次泥水分离［10］， 进一步降低水中SS和TP 浓度， 上清液经次氯酸钠接触消毒后， 经明渠计量达标排放。

生化系统产生的剩余污泥从二沉池排放， 经剩余污泥泵抽送到储泥池， 由污泥螺杆泵送入板框压滤机脱水， 污泥经板框压滤机脱水至含水率60%左右， 泥饼外运处置。

4 主要处理单元及设计参数

（1） 粗格栅及泵房。 尺寸为8.0 m × 6.0 m ×7.6 m， 钢筋混凝土结构， 粗格栅井设置回转式机械格栅除污机1 台， 格栅渠道宽度为0.5 m， 栅条间隙为20 mm， 安装角度为75°； 提升泵房设潜污泵2 台， 1 用1 备， 变频控制， Q ＝100 m3／h， H ＝10 m， N ＝5.5 kW。

（2） 细格栅及沉砂池。 细格栅为水力格栅， 设置于沉砂池上方， 设备尺寸为1 220 mm × 1 300 mm × 680 mm， 功率为0.37 kW， 栅条间隙为2 mm； 沉砂池平面尺寸为4.0 m × 3.0 m， 池深3.8 m， 钢筋混凝土结构， 池底锥形， 设置吸砂泵1台， Q ＝15 m3／h， H ＝5.0 m， N ＝1.1 kW。

（3） 生化反应池。 钢筋混凝土结构， 设计污泥浓度为3 000 mg／L， 污泥负荷为0.10 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 污泥回流比为50%～100%， 污泥混合液回流比为100% ～300%， 厌氧池、 IMABR池与好氧池溶解氧质量浓度分别不超过0.2 mg／L、不超过0.5 mg／L 和1.5 ～3.0 mg／L。 厌氧池尺寸为4.2 m×4.0 m×3.8 m， HRT 为0.68 h； IMABR 池尺寸为18.0 m×4.0 m×3.8 m， HRT 为2.85 h； 好氧池尺寸为40.0 m × 4.0 m × 3.8 m， HRT 为6.15 h。厌氧池设置潜水搅拌器1 台， N ＝0.55 W， 叶轮直径为260 mm。 IMABR 池设置潜水搅拌器4 台， N ＝0.75 kW， 叶轮直径为260 mm； 浸没式IMABR 膜组共6 套， 膜组尺寸为1 200 mm×1 200 mm×1 250 mm， 外框为不锈钢框架， 主体由重离子微孔管式膜组成， 单套膜组共6 380 根膜管， 单根膜管有效长度为1.0 m， 外径为6 mm， 壁厚0.5 mm， 材质为PET； 膜组单位面积理论充氧能力为0.6 ～1.5 kg／（h·m2）， 单个IMABR 膜组件膜面积约为120 m2， 单个膜组供气量为2 ～5 m3／h。 好氧池内设置φ260 mm 盘式曝气器216 套， 硝化液回流泵1台， Q ＝250 m3／h， H ＝0.7 m， N ＝3.7 kW， 变频控制。 罗茨风机共2 台， 1 用1 备， 为好氧池和IMABR 膜组提供空气， Q ＝9.43 m3／min， H ＝44.1 kPa， N ＝15 kW， 变频控制。

（4） 二沉池。 采用斜管沉淀池， 钢筋混凝土结构， 1 池2 格， 单格尺寸为6.0 m×4.0 m×3.8 m，表面水力负荷为1.75 m3／（m2·h）。 斜管采用HDPE材质， 蜂窝状， 高度为0.9 m， 共21.6 m2。 设置污泥回流泵1 台， Q ＝85 m3／h， H ＝6.0 m， N ＝1.5 kW， 变频控制。

（5） 混凝池。 钢筋混凝土结构， 共3 格， 分别为PAC 快混池、 PAM 快混池和慢混池， 单池尺寸为2.0 m×1.5 m×3.8 m， 设置机械搅拌机1 台， N ＝0.37 kW。 PAC 快混池投加10%PAC， 投加量为50 mg／L； PAM 快混池投加0.2%阴离子PAM， 投加量为0.4 mg／L。

（6） 斜管沉淀池。 钢筋混凝土结构， 尺寸为12.0 m × 3.0 m × 3.8 m， 表面水力负荷为2.33 m3／（m2·h）。 斜管采用HDPE 材质， 蜂窝状， 高度为0.9 m， 共32.4 m2。

（7） 消毒池及出水明渠。 消毒池尺寸为5.5 m×2.5 m×3.2 m， 钢筋混凝土结构， 池内设有折流挡墙， 设置隔膜计量加药泵1 台， Q ＝10 L／h， H ＝8 m， N ＝0.25 kW。 出水明渠与消毒池合建， 尺寸为2.0 m×0.4 m×0.85 m， 钢筋混凝土结构， 内设巴氏计量槽。

5 工程设计特点

（1） 本工程中IMABR 工艺相较于传统生物脱氮工艺， 是一种具有同步硝化反硝化作用， 且氧气利用率高， 占地面积小， 脱氮效果显著的处理工艺［11］， 适用于低碳氮比污水处理［4］。 IMABR 池内同步硝化反硝化功能的实现， 不仅能大大提高脱氮效率， 而且提升了碳源与碱度的利用效率， 降低硝化液内回流比， 进一步降低电能消耗与碳源投加。

（2） 生化处理工艺将传统AAO 工艺与IMABR进行耦合， 采用活性污泥与生物膜共生的处理系统， 不仅能提高微生物量， 而且可提高生化系统的耐冲击负荷能力， 提升污水处理效果。

（3） 深度处理配备PAC 与PAM 投加系统， 可进一步降低出水TP 与SS 浓度， 作为出水水质稳定达标的保障。

6 运行效果

2023 年1 月初， 污水处理站提标改造完工并通水调试运行。 3 月初， IMABR 生物膜基本挂膜成熟后， 其同步硝化反硝化的功能得到实现。 通过工艺调控， 生化池内污泥浓度为2 500 ～2 800 mg／L，好氧池溶解氧质量浓度为1.5 ～2.5 mg／L， 内回流比为150%， 外回流为比为50%。 4 月份起， 按设计水量90% 左右运行， 出水水质稳定达到设计指标。 2023 年5 月11 日， 通过提标改造工程竣工环境保护验收， 自此进入稳定达标运营阶段。

4 月17 日～30 日， 污水处理站进水、 IMABR池出水及总出水水质主要指标监测数据平均值如表2 所示。 AAO－IMABR 耦合工艺不仅实现系统出水稳定达标， 而且TN 去除效果远超常规AAO 工艺理论脱氮效率， 其中NH3－N 与TN 总去除率分别高达99.8%和80%。

表2 实际进出水水质平均值Tab.2 Average values of actual influent and effluent water qualitymg·L－1

7 投资及运行成本

污水处理站提标改造工程总投资约为250 万元。 采用AAO－IMABR 耦合工艺按设计负荷90%（1 800 m3／d）运行， 其吨水直接运行成本约为0.646元／t， 其中电费、 药剂费、 自来水费、 污泥处置费和维护维修费分别为0.238 0、 0.227 5、 0.007 5、0.097 0 和0.076 0 元／t。

8 结语

（1） 针对市政污水COD 浓度低， NH3－N 与TN浓度相对较高， 碳氮比严重失衡的水质特点， 采用AAO 耦合IMABR 工艺对原处理工艺进行提标改造。 改造后的运行实践表明， 该工艺不仅能满足设计出水水质要求， 而且运行成本较低， 是适合该污水处理站进出水质要求的处理工艺。

（2） 该工程的成功实施， 表明IMABR 工艺适合处理南方低碳氮比市政生活污水， 为IMABR 工艺在万吨级以上处理规模水厂的推广应用打下了坚实的基础； 同时， 该工艺的同步硝化反硝化功能的实现途径与控制条件， 还需进一步摸索与掌握。