A3：科技智慧
摘要 近年来缺氧-厌氧-好氧+膜生物反应器（AAO+MBR）工艺在污水处理厂的应用越来越广泛，但广大专家、学者对MBR膜的运行效率、工艺控制研究较少。文中结合武汉市近年来建设的一座10万m3/d规模的全地下式污水处理厂的运行经验，对AAO+MBR工艺设计概况、运行效率、工艺控制要点、运行电耗进行研究，尤其对MBR 膜的处理效率进行了重点研究。结果表明，MBR膜对进膜污水中的CODCr、氨氮、TN、TP均有一定的降解处理能力，除TN的去除率较低（10%～37%）外，其他污染物指标去除率均可达到40%以上。其中，氨氮、TN的降解速率影响因素与传统生化处理一致，主要为温度、碳源。研究以期为后续类似项目设计、运行管理提供参考。
关键词 AAO+MBR MBR 运行效率 地下污水厂 电耗分析 工艺控制
随着城市发展，很多大型城市的污水厂面临用地紧张、出水水质要求高等问题，地埋式AAO+MBR污水处理厂已成为解决这些问题的一条有效途径，具有分离效果好、占地面积小、污泥浓度高、去除效果良好等特点。
国内学者主要对缺氧-厌氧-好氧+膜生物反应器（AAO+MBR）工艺的设计及整体处理效果进行研究，如王雪等研究了AAO+MBR工艺在集约化高排放标准半地下式污水厂的设计应用；孟涛等研究了MBR在青岛某全地下污水处理厂的设计应用；于翔等对厌氧-缺氧-好氧-缺氧+膜生物反应器（AAOA+MBR）工艺的设计及整体运行效果进行分析；贾海涛等对地下式MBR污水处理厂的整体运行效果进行研究，以上研究均侧重对组合工艺的整体运行效果进行研究，缺少MBR膜单元处理效率的研究及工艺控制的分析。室外排水设计标准中关于MBR设计规定了污泥负荷，同样未规定MBR 膜对各污染物的去除效率，对采用MBR膜进行设计及运营MBR膜的人员造成困扰。因此，笔者对地下污水厂中MBR膜的处理效率及工艺控制进行重点分析，同时对AAO+MBR的电耗进行研究，以期积累数据，为将来MBR膜工艺的规范设计及运行优化提供参考，弥补该方面研究不足的问题。
1 设计概况
1.1 工程概况
该项目为武汉市某新建全地下污水厂处理厂，设计规模为10万m3/d，总变化系数Kz=1.3，服务面积为18.4km2，服务人口约为87万人。服务范围排水体制为雨、污合流制，污水厂处理后的尾水排入明渠，作为明渠的生态补水水源。该项目于2022年3月10日进入试运行。
1.2 设计进出水水质
该项目出水标准达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，主要指标达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅳ类水质标准（除TN≤15mg/L、SS≤10mg/L外，其他主要指标均执行地表Ⅳ类水质标准）。具体指标如表1所示。
表1 设计进出水水质
1.3 设计工艺
本工程污水处理采用“预处理+AAO生物池+MBR膜池”作为主体处理工艺，污水消毒采用紫外线消毒，辅以次氯酸钠消毒。污泥处理采用机械浓缩脱水一体化工艺，经过脱水处理达到80%含水率后外运。具体如图1所示。
图1 工艺流程
（1）地下部分包括一座管理楼和一座整体地下处理车间，地下处理车间总建筑面积为22410.5m2，管理楼建筑面积为2025.02m2。
（2）地下处理车间内设处理设施单元有：细格栅及曝气沉砂池、膜格栅、AAO生物池、MBR膜池及膜设备间、紫外线消毒装置。根据进出水的实际情况，进水结合井和尾水巴氏计量槽单独设置，为地埋式设计。处理车间内附属设施包括鼓风机房、加药间、污泥脱水机房、配电间、排水泵房、应急溢流调节泵房，以及通风、除臭、消防设施等。
（3）地面部分包括驿站、楼梯间、风机房、风井等以及地面的绿化景观。
1.4 设计参数
设计平均时流量Q=4166.67m/h，设计最大时流量Qmax=5416.67m/h。污水厂除生物池按平均时流量设计外，其余按最大时流量设计，包括连通管渠等。
（1）进水结合井:粉碎型格栅栅隙为9mm。
（2）细格栅:过滤孔板孔径为5mm。
（3）曝气沉砂池:水力停留时间为6.5min，水平流速为0.07m/s，曝气量为0.2N·m3/m3污水。
（4）膜格栅:过滤孔板孔径为1mm。
（5）AAO生物池:污泥质量浓度（MLSS）为5000～8000mg/L，污泥负荷为0.055kg BOD5/（kg MLSS·d），总氮负荷率≤0.05 kg TN/（kg MLSS·d），容积负荷为0.264kg BOD5/（m3·d-1），泥龄为12d，厌氧区停留时间为1.6h，缺氧区停留时间为3.65h，好氧区停留时间为5.10h，生物池总停留时间为10.35h。缺氧区回流到厌氧区回流比为100%～200%；好氧区回流到缺氧区回流比为300%～400%；膜池回流到好氧区回流比为300%～400%。
（6）MBR膜池：有效容积为6935m3，停留时间为1.6h；选用聚偏氟乙烯（PVDF）浸没式中空纤维膜，单个膜箱产水量为1190m3/d，共84个，平均运行膜通量为17.5L/（m2·h），最大跨膜压差为0.05MPa。产水泵Q=917m3/h，扬程H=19.5m，功率N=75kW，7用2备；产水周期为运行9min，停歇1min；反洗周期为2h反洗1次，利用停歇的1min进行反洗。
（7）鼓风机房：曝气池气水比为5.2∶1.0，膜池气水比为9∶1。
（8）污泥脱水机房:最大污泥产量为16000kg/d（干重），进泥含水率约为99.4%，药剂种类为聚丙烯酰胺（PAM），每日运行时间为16h，脱水后干污泥质量分数≥20%。
2 MBR膜运行效率
本项目自2022年3月开始试运行，经过接近一年的运行，处理水量达到设计处理能力的70%～80%，出水水质稳定达到Ⅳ类水质标准。在MBR 膜池进水口且曝气均匀处，取水下1m处水样进行化验分析，化验各项指标前采用滤纸过滤。下面对AAO+MBR工艺的运行效果及MBR膜处理效率进行分析，并进行电耗分析。
2.1 CODCr处理效果
由图2可知，运行期间，进水CODCr波动较大，月平均质量浓度为67～221mg/L，经过AAO工艺处理后，进膜CODCr月均值为18.5～38.3mg/L，经过MBR 膜处理后，出水CODCr月均值为8.43～22.5mg/L，且除3月份因处于试运行初始阶段，出水CODCr较高，其他月份出水CODCr均低于17mg/L，低于设计出水标准30mg/L。
图2 进出水CODCr趋势
由图3可知，MBR膜降解CODCr的月均绝对值为8～16mg/L，月均CODCr去除率为40%～55%，降解绝对值与去除率呈正相关关系。
图3 MBR工艺CODCr降解绝对值与去除率
该组合工艺对有机物的处理效率，明显优于传统活性污泥工艺。这一方面是由于膜处理法的高效固液分离效果使出水中的SS浓度极低；另一方面是因为本工程中膜处理工艺使处理系统中维持了较高的MLSS值，膜分离区MLSS为6～10g/L，有利于一些大分子难降解有机物的分解，提高系统容积负荷，强化了处理系统的抗冲击负荷能力。
2.2 TP处理效果
由图4可知，运行期间，进水TP月平均质量浓度为1.04～2.25mg/L，经过AAO工艺处理后，进膜TP月均值为0.30～0.57mg/L。经过MBR膜处理后，出水TP月均值为0.08～0.28mg/L，因3月—5月，加药系统处于调试阶段，出水TP偏高。6月—12月的月均值低于0.2mg/L，低于设计出水标准（0.3mg/L）。由图5可知，MBR膜降解TP月平均质量浓度为0.11～0.37mg/L，月均TP去除率为33.6%～64.25%，6月—12月月均TP去除率为45.00%～64.25%。
图4 进出水TP 趋势
图5 MBR工艺TP降解绝对值与去除率
2.3 氨氮处理效果
由图6可知，运行期间，进水氨氮月平均质量浓度为8～17mg/L，经过AAO工艺处理后，进膜氨氮月均值为0.22～2.46mg/L。经过MBR 膜处理后，出水氨氮月均值为0.05～1.22mg/L，且除3月份因处于试运行初始阶段，出水氨氮较高，其他月份出水氨氮均低于0.18mg/L，远低于设计出水标准（1.5mg/L）。由图7可知，MBR膜降解氨氮的月均绝对值为0.17～1.24mg/L，月均氨氮去除率为50%～85%。考虑MBR膜能高效地进行固液分离，将废水中的悬浮物质、胶体物质、生物单元流失的微生物菌群与已净化的水分开，可防止各种微生物菌群的流失，有利于生长速度缓慢的细菌（硝化细菌等）的生长，从而使系统维持较高的氨氮去除效率。
图6 进出水氨氮趋势
图7 MBR工艺氨氮降解绝对值与去除率
2.4 TN处理效果
由图8可见，运行期间，进水TN月平均质量浓度为11.38～18.22mg/L，经过AAO工艺处理后，进膜TN月均值为9.67～12.88mg/L，经过MBR膜处理后，出水TN月均值为6.83～10.65mg/L，其中6月—8月出水TN月均值均低于8mg/L，远低于设计出水标准15mg/L。
图8 进出水TN 趋势
由图9可知，MBR膜降解TN的月均绝对值为1.09～4.27mg/L，月均TN去除率为10%～37%，4月—9月TN去除率明显高于其他月份，一是因为4月—9月进水CODCr高于其他月份，为反硝化细菌提供了较为充足的碳源，二是因为反硝化反应适宜的温度是20～40℃，低于15℃时，反硝化细菌反硝化速率下降。
图9 MBR工艺TN降解绝对值与去除率
2.5 SS处理效果
由图10可知，运行期间，进水SS月平均质量浓度为64～141mg/L，经过MBR 膜泥水分离后，出水SS月均值为2.35～6.12mg/L，其中6月—12月出水SS月均值均低于3.3mg/L，稳定低于设计出水标准10mg/L。MBR膜具有极强的物理分离能力，因此，出水SS可以实现稳定达标，去除率达到95%以上。
图10 进出水SS趋势
3 工艺控制分析
AAO+MBR工艺的控制参数主要是MLSS、污泥负荷、膜通量、溶解氧（DO）及停留时间。结合《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）中相关工艺参数设计推荐取值及本项目工艺参数设计及实际运行控制值，进行对比分析，如表2所示。
表2 AAO+MBR工艺控制参数对比
注：8月处理水量达到9.4万m3/d，接近设计规模10万m3/d；膜池实际停留时间为1.5～2.0h，变化不大，污染物处理效率与停留时间变化关系不明显；为防止膜堵塞，加大冲刷力度，DO质量浓度控制在6～8mg/L。
本研究中实际运行时的膜池MLSS约为生化池MLSS的2倍，两者呈正相关关系，且与标准推荐值接近。因进水水量、水质波动较大，本研究中生化池、MBR膜池出现明显低负荷或高负荷运行，污泥负荷范围超出标准推荐值，因此标准污泥负荷推荐值主要适用于工艺设计，实际运行工艺控制中应根据进水水质、水温进行调整优化。结合项目实际运行经验，对于进水浓度较低的净水厂，3月—11月水温适宜微生物繁殖，为避免污泥过度繁殖，建议生化池、MBR膜池MLSS分别维持在4.5、10g/L以下；12月—次年2月水温低于12℃，不利于硝化细菌、反硝化细菌繁殖，建议生化池MLSS维持在4～5g/L，水温低MBR 通量下降明显，污泥浓度过高易导致污泥老化，加速膜堵塞，建议MBR膜池MLSS维持在6～8g/L。
4 电耗分析
本项目运行期间，当处理水量达到设计规模的约70%时，电耗为0.48kW·h/m3，MBR系统电耗约为0.135kW·h/m3，占比为28%。根据王琦等关于膜生物反应器在污水处理与回用中的能耗分析研究，MBR工艺单位水量电耗值为0.45～0.91kW·h/m3，该水厂电耗处于较低水平。分析以上现象产生的原因:一是本项目进水污染物浓度较低；二是水厂进水采用自流方式，相比一般污水厂减少了一级提升；三是通过应用智慧管控平台，节能降耗约15%。
5 结论
（1）该项目采用的AAO+MBR工艺对污水具有较好的处理能力，在低进水污染物浓度下，MBR膜对进膜污水中的CODCr、氨氮、TN、TP均有一定的降解处理能力，除TN的去除率较低，其他污染物指标去除率均可达到40%以上。其中，氨氮、TN的降解速率影响因素与传统生化处理一致，主要为温度、碳源。该结果可为MBR 工艺的项目设计、运行工艺调控提供一定的参考。
（2）本研究中的MLSS、污泥负荷、膜通量等工艺控制参数，均是根据规范、设计在实际生产运行中探索而来，对于采取类似工艺的项目设计及运行控制，具有一定参考价值。
（3）该项目设计采用重力流进水，应用智慧管控平台，节能降耗效果明显。运行期间，在处理水量达到设计规模的约70%时，电耗为0.48kW·h/t，与其他MBR工艺单位水量电耗值相比处于低值，其中MBR系统电耗约为0.135kW·h/m3，占比为28%。
肥西中派污水处理厂
（来源：净水技术）