探索AAO及改良型工藝耦合MBR工藝最佳運(yùn)行調(diào)控方式
通過分析傳統(tǒng)AAO及其改良型耦合MBR工藝的技術(shù)現(xiàn)狀,總結(jié)了各工藝形式的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍,提出改良Bardenpho-MBR 工藝和多級AO-MBR 工藝的多種回流方式,并進(jìn)行理論分析,探索最佳的運(yùn)行調(diào)控方式。另外,針對現(xiàn)有技術(shù)的處理難點(diǎn)和提標(biāo)改造需求,系統(tǒng)性地總結(jié)了工藝優(yōu)化和膜污染控制措施,提出相應(yīng)的調(diào)控手段和運(yùn)行策略。針對耦合MBR工藝生化處理工藝,可采取分區(qū)曝氣、設(shè)置消氧區(qū)、實(shí)施曝氣精確分配與控制系統(tǒng)等措施,減少回流污泥溶解氧,全面提升氮、磷等污染物的去除性能和運(yùn)行穩(wěn)定性;同時(shí)適當(dāng)采取化學(xué)除磷方式,但應(yīng)作為應(yīng)急使用以避免過多化學(xué)污泥的產(chǎn)生;為延長膜使用壽命,可適當(dāng)采取投加粉末活性炭、懸浮填料等優(yōu)化措施,并進(jìn)一步開展新型膜清洗技術(shù)的研發(fā)。
研究亮點(diǎn)
（1）綜述了AAO及其改良型耦合MBR工藝的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍，提出工藝優(yōu)選方案；針對生化耦合MBR工藝回流溶解氧偏高、膜污染控制等方面技術(shù)難點(diǎn)提出調(diào)控方案。
（2）提出了改良Bardenpho-MBR工藝和多段多級AO-MBR工藝的多種回流方式設(shè)想，并進(jìn)行理論分析，提出優(yōu)化回流方式。
生化處理是污染物削減的主要環(huán)節(jié)，也是污水處理提質(zhì)增效的最終落腳點(diǎn)，其運(yùn)行情況將直接影響城市水環(huán)境及人民生活質(zhì)量。氮、磷是引起水質(zhì)超標(biāo)的主要污染物，傳統(tǒng)AAO工藝是生物硝化反硝化工藝及生物除磷工藝的結(jié)合，能夠達(dá)到脫氮除磷的效果。然而，我國污水處理廠普遍存在進(jìn)水濃度低、碳氮比低、無機(jī)懸浮物濃度高的特點(diǎn)，大大增加了處理難度和運(yùn)行成本。目前，污水處理廠改、擴(kuò)建日益增多，處理工藝控制日趨復(fù)雜，調(diào)控反應(yīng)滯后、運(yùn)行方案不精確等問題凸顯。
隨著技術(shù)工藝的提升，各地政府對污水處理提出了更為嚴(yán)格的要求，不少省市相繼出臺新法規(guī)，將城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，提升到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。在排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的情況下，特別對于現(xiàn)有污水廠的提標(biāo)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注于挖掘生化處理潛能，通過調(diào)控關(guān)鍵控制點(diǎn)，優(yōu)化氮、磷去除性能，在不新增構(gòu)筑物下達(dá)到出水水質(zhì)的提升。
改良Bardenpho工藝和多級AO工藝因其脫氮性能好，能較好地滿足大量去除TN的要求，因此，工程應(yīng)用越來越多。為了進(jìn)一步提升活性污泥法處理效果，提高在低碳源和低溫條件下的氮、磷去除能力，增強(qiáng)抗水質(zhì)水量沖擊負(fù)荷，傳統(tǒng)AAO工藝、改良Bardenpho工藝、多級AO工藝與MBR工藝的耦合成為新建提標(biāo)改造的新型工藝形式，但仍存在回流污泥溶解氧偏高、回流形式復(fù)雜、調(diào)控困難等問題，導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用較高。本文通過總結(jié)傳統(tǒng)AAO及其改良型工藝耦合MBR工藝的技術(shù)特點(diǎn)和處理難點(diǎn)，并結(jié)合相關(guān)工程應(yīng)用案例，提出系統(tǒng)性的工藝優(yōu)化措施和調(diào)控方案，為今后污水處理廠的新建、改擴(kuò)建工藝選擇以及優(yōu)化路徑提供技術(shù)支持。
1、常見工藝類型
1.1 AAO-MBR工藝
AAO-MBR工藝是在傳統(tǒng)AAO工藝基礎(chǔ)上取消二沉池，同時(shí)增設(shè)MBR池，與傳統(tǒng)AAO工藝相比，AAO-MBR工藝污泥含量更高，普遍達(dá)到8 000～10 000 mg/L，有利于縮短工藝流程，減少水力停留時(shí)間(HRT)，增強(qiáng)抗水質(zhì)水量沖擊負(fù)荷能力，并且在一級A出水要求下能夠節(jié)約占地近40%。MBR工藝通常采用高曝氣形式增加膜絲抖動(dòng)，防止污泥黏住膜絲，以提高膜使用壽命。常規(guī)AAO工藝好氧池溶解氧含量要求一般在2～3 mg/L，然而MBR反應(yīng)池的高曝氣量將導(dǎo)致回流污泥溶解氧偏高，含量通常能達(dá)到6 mg/L以上。研究表明，MBR池的高濃度污泥及較長的污泥齡能夠保證系統(tǒng)對于氨氮的去除，在低溫條件下仍能保持較高的硝化反應(yīng)速率。較高的曝氣強(qiáng)度卻不利于反硝化和釋磷反應(yīng)，若直接回流至厭氧池或缺氧池，將引入大量溶解氧，破壞厭氧和缺氧環(huán)境，喪失脫氮除磷功能。如圖1所示，AAO-MBR工藝通常采用三級回流形式，逐級降低MBR池回流液溶解氧，在高污泥濃度下保證各反應(yīng)區(qū)的溶解氧要求，回流比通常依次為400%～600%、300%～500%、100%～200%。
在排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的形勢下，多數(shù)污水廠提標(biāo)改造采用AAO-MBR工藝，但后置MBR池主要功能在于提高反應(yīng)池內(nèi)的生物量，延長污泥停留時(shí)間(SRT)，以保證低溫和進(jìn)水濃度偏低條件下的生化處理性能，氮、磷的去除仍然主要依靠前置AAO工藝。在生化處理性能較好的情況下，AAO-MBR工藝有助于提升出水水質(zhì)，使TP含量穩(wěn)定達(dá)到0.5 mg/L以下，TN含量達(dá)到15 mg/L以下。但MBR池若采取持續(xù)的高曝氣強(qiáng)度也增加了氮、磷去除的不穩(wěn)定性，無法保證出水TN含量穩(wěn)定達(dá)到10 mg/L以下。
在高排放標(biāo)準(zhǔn)要求下，為了應(yīng)對污水處理廠進(jìn)水碳源不足的問題，通常采用外加碳源的方式。為了減少碳源投加，充分利用進(jìn)水中的碳源，采用倒置AAO-MBR工藝具有一定優(yōu)勢。如圖2所示，缺氧池位于首端，能夠優(yōu)先與進(jìn)水接觸獲得碳源進(jìn)行反硝化，強(qiáng)化脫氮效果，且可以取消缺氧至厭氧的回流，簡化系統(tǒng)的同時(shí)節(jié)省運(yùn)行能耗。為了保證厭氧釋磷，需增加厭氧區(qū)的分段進(jìn)水，并且需保證前置缺氧池的反硝化性能，否則大量硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醭貙?dǎo)致無法有效厭氧釋磷。因此，倒置AAO-MBR工藝對于缺氧池的容積要求將較大，且要保證反硝化反應(yīng)的有效性，這就增大了運(yùn)行的不穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)。
1.2 改良Bardenpho-MBR工藝
為達(dá)到更嚴(yán)格的出水TN要求(TN含量穩(wěn)定達(dá)到10 mg/L以下)，改良Bardenpho工藝與MBR工藝的組合工程應(yīng)用日漸增多。該工藝就是在AAO-MBR工藝中間增設(shè)專用的脫氮單元(AO池)，使所有好氧池產(chǎn)生的硝酸鹽全部經(jīng)過缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化，并投加碳源，強(qiáng)化脫氮效果，后置好氧池也可與MBR池合并。
目前，存在2種回流方式：(1)回流形式與AAO-MBR工藝一致，MBR池回流至前端好氧區(qū)，前端好氧區(qū)回流至前端缺氧區(qū)，前端缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)[圖3(a)]；(2)MBR池回流至前端好氧區(qū)，后置缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)[圖3(b)]。劉議安等和祝君喬等分別采用圖3中回流方式一和回流方式二，在進(jìn)水碳源較好的情況下，均實(shí)現(xiàn)了出水TN含量穩(wěn)定低于10 mg/L，TP含量穩(wěn)定低于0.3 mg/L。高術(shù)波采用回流方式二對北京某污水廠進(jìn)行提標(biāo)改造，當(dāng)COD/TN約為6時(shí)，仍能保證出水TN含量低于15 mg/L。本文推薦采用回流方式二，從后置缺氧區(qū)回流的混合液經(jīng)過了2個(gè)缺氧區(qū)，其硝酸鹽濃度較回流方式一更低，可以避免硝酸鹽對厭氧釋磷的影響，增強(qiáng)除磷效果。另外，當(dāng)進(jìn)水碳源不足時(shí)，后置缺氧區(qū)需投加碳源，采用該區(qū)域回流至厭氧區(qū)，能夠充分利用富裕的碳源用于厭氧區(qū)釋磷，避免了碳源的浪費(fèi)。
1.3 多級AO-MBR工藝
與傳統(tǒng)AAO工藝和改良Bardenpho工藝相比，多級AO工藝是采用多段AO區(qū)串聯(lián)而成(一般2～3段)，并采用多點(diǎn)進(jìn)水方式，具有占地面積小、無需內(nèi)回流、通常情況下無需投加碳源等優(yōu)點(diǎn)，因此，在現(xiàn)階段得到廣泛應(yīng)用。多級AO工藝與MBR工藝相結(jié)合后既能發(fā)揮前者的強(qiáng)化脫氮優(yōu)勢，又能發(fā)揮MBR工藝抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的優(yōu)勢。為了保證生化池的污泥量，需進(jìn)行污泥回流，常規(guī)多級AO工藝為二沉池回流至厭氧區(qū)，但MBR池溶解氧含量較高，需進(jìn)行多級回流逐步降低溶解氧。目前，針對多級AO-MBR工藝的相關(guān)工程應(yīng)用較少，也未形成系統(tǒng)的調(diào)控手段和運(yùn)行策略。張曉飛等通過構(gòu)建多級AO-MBR工藝中試裝置，實(shí)現(xiàn)在7～13 ℃條件下基本能保證出水TN含量低于10 mg/L，去除率穩(wěn)定達(dá)到85%以上，出水TP含量甚至低于0.1 mg/L，去除率高達(dá)97.5%以上，這說明該工藝在低溫條件下能有效滿足較高的排放標(biāo)準(zhǔn)。
由于污泥回流的存在，多級AO工藝可不設(shè)內(nèi)回流，但多級AO-MBR工藝因MBR池污泥溶解氧較大無法直接回流至厭氧池，其回流方式將對其污染物去除性能產(chǎn)生較大影響。本文提出4種多級AO-MBR工藝回流方式：(1)MBR池回流至第一好氧區(qū)前端，第一缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(a)]；(2)MBR池回流至第一好氧區(qū)前端，第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(b)]；(3)MBR池回流至第二好氧區(qū)前端，第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(c)]；(4)MBR池回流分別回流至各好氧池前端，第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)前端[圖4(d)]。
由于目前尚缺乏相關(guān)研究，現(xiàn)通過理論分析4種回流方式對氮、磷去除的影響。首先為保證厭氧區(qū)的高效釋磷，圖4中的回流方式二、三和四較為合理，污水經(jīng)過兩級缺氧可獲得更低的硝酸鹽濃度。另外，從MBR池回流的污泥濃度較高，能大幅增加生化池的微生物含量，增強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力，采用回流方式二和四更合理，能使生化池既能保持高污泥濃度，又能保證除磷效果。一般為防止MBR反應(yīng)池內(nèi)的污泥濃度過高導(dǎo)致膜絲堵塞，回流量一般為500%。通常多級AO工藝逐級AO的HRT相差不大或有增大趨勢，若采用回流方式二將導(dǎo)致第一段AO承受過量回流，難以穩(wěn)定達(dá)到缺氧環(huán)境，因此，采用回流方式四更為合理，將回流量平均分配于多個(gè)好氧池，既能保證各功能區(qū)的污泥濃度，又能保證各反應(yīng)功能區(qū)的溶解氧環(huán)境。
2、技術(shù)難點(diǎn)及優(yōu)化措施
2.1 脫氮
MBR工藝主要針對有機(jī)物、SS和氨氮，本身不具備反硝化功能，硝酸鹽的去除主要依靠前端生化工藝，因此，生化處理性能將直接影響出水TN。在耦合工藝下，MBR池的高溶解氧回流液將對前端生化反應(yīng)產(chǎn)生較大影響。雖然采取多級回流的形式逐級降低溶解氧，能夠在一定程度上緩解對缺氧反硝化和厭氧釋磷的抑制，但仍然會導(dǎo)致高曝氣量的浪費(fèi)，造成能耗偏高。因此，在控制膜污染的同時(shí)，對實(shí)現(xiàn)溶解氧控制以及耦合工藝下的生化池優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
(1)溶解氧控制
為控制膜污染，MBR工藝氣水比通常達(dá)到10∶1以上，回流至好氧池后溶解氧含量也能達(dá)到4～5 mg/L，因此，應(yīng)充分利用膜池回流的溶解氧，降低好氧區(qū)曝氣量實(shí)現(xiàn)溶解氧控制。根據(jù)李易寰等[研究，控制好氧區(qū)末段溶解氧含量在1.5～2.5 mg/L，出水TN含量可以穩(wěn)定在10 mg/L以下。溶解氧控制可采取分區(qū)曝氣方式，通過將好氧區(qū)進(jìn)行曝氣分區(qū)，實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)水濃度和好氧區(qū)溶解氧，及時(shí)調(diào)控分區(qū)的曝氣量，實(shí)現(xiàn)好氧區(qū)末端溶解氧的精確控制。唐鑫偉等通過采用德國冰得公司生產(chǎn)的VACOMASS?曝氣精確分配與控制系統(tǒng)，將好氧區(qū)分為前端和后端，降低前端曝氣量以緩解膜池高溶解氧污泥回流，同時(shí)監(jiān)控進(jìn)水污染物負(fù)荷變化，精確控制后端曝氣，使好氧區(qū)末端溶解氧含量始終位于(1.0±0.5)mg/L，實(shí)現(xiàn)出水TN含量低于5 mg/L。對于低碳氮比污水，降低好氧區(qū)末端溶解氧還能大幅減少碳源投加量。根據(jù)德國冰得公司研究，通過精確控制降低內(nèi)回流溶解氧為3 mg/L，碳源投加量可相應(yīng)降低近20%，大大降低了噸水處理藥耗。然而對于現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造，直接采取降低好氧區(qū)的曝氣量或直接關(guān)閉好氧池風(fēng)機(jī)，將容易發(fā)生污泥沉積，因此，需同步增設(shè)推流器等防積泥措施。
(2)生化池優(yōu)化設(shè)計(jì)
針對現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造，當(dāng)采用耦合MBR的工藝形式時(shí)，若直接采用原生化池設(shè)計(jì)和曝氣系統(tǒng)，要達(dá)到好氧池末端低溶解氧的同時(shí)，保持出水COD和氨氮達(dá)標(biāo)較為困難，對運(yùn)行調(diào)控也是巨大的挑戰(zhàn)。如圖5所示，本文提出可在好氧區(qū)后設(shè)置單獨(dú)的消氧區(qū)，膜池回流的污泥首先進(jìn)入消氧區(qū)使溶解氧含量降至1.5 mg/L以下，之后回流至缺氧區(qū)。好氧區(qū)和膜池可保證有機(jī)物和氨氮的處理達(dá)標(biāo)，設(shè)置消氧區(qū)對于運(yùn)行管理的調(diào)控要求較低，但可能導(dǎo)致占地略微增大，適用于大部分污水廠提標(biāo)改造的要求。一般情況下，耦合MBR生化工藝好氧區(qū)至缺氧區(qū)的回流量為300%～500%，而傳統(tǒng)的AAO工藝回流量為200%～300%，將導(dǎo)致實(shí)際缺氧區(qū)HRT減少30%～50%，降低反硝化程度。因此，對于耦合MBR的生化工藝形式，還應(yīng)將缺氧池HRT增大。
2.2 除磷
MBR池中通常采用平均孔徑為0.1～0.2 μm的PVDF中空纖維膜或平板膜，能夠去除99%以上的SS，去除水中的大部分不溶性磷，但無法截留溶解性圖片當(dāng)前置生化除磷效果較差時(shí)，將導(dǎo)致出水TP含量較高，無法發(fā)揮提升水質(zhì)作用。另外，在MBR池的高曝氣強(qiáng)度下，含磷污泥無法得到充分沉降，僅通過剩余污泥排放，無法消除系統(tǒng)內(nèi)的磷，還可能導(dǎo)致膜池內(nèi)磷的富集，高磷污泥回流至厭氧區(qū)后，在沒有充足的碳源條件下，聚磷菌活性降低，影響生物除磷效果。
為保證出水TP達(dá)標(biāo)，通常采取化學(xué)除磷方式。李易寰等通過向好氧區(qū)前端投加三氯化鐵，實(shí)現(xiàn)出水TP含量低于0.2 mg/L。但隨著藥劑的持續(xù)投加，膜池污泥內(nèi)磷、鐵的含量有升高趨勢，這說明逐步出現(xiàn)了磷富集和化學(xué)污泥占比增大的現(xiàn)象。因此，化學(xué)除磷方式可用于應(yīng)急投加，長期連續(xù)投加并不可取，重點(diǎn)在于低曝氣MBR池的研發(fā)，進(jìn)一步強(qiáng)化生物除磷。
2.3 膜污染控制
膜池內(nèi)高濃度的懸浮污泥易附著于膜絲，是導(dǎo)致膜污染的主要因素，也是目前膜池采取大曝氣方式的根本原因，因此，采取有效手段保持膜絲清潔的同時(shí)，保證生化效果至關(guān)重要。當(dāng)膜污染形成、膜通量降低時(shí)，通常采用酸、堿或其他化學(xué)藥劑浸泡的方式去除膜孔內(nèi)的污染物，不但易造成二次污染，還會影響膜使用壽命。目前，運(yùn)行過程中減緩膜污染的物理手段主要是投加粉末活性炭、懸浮填料以及開發(fā)新型膜清洗技術(shù)等。
(1)投加粉末活性炭
在常規(guī)MBR池內(nèi)，活性污泥處于懸浮狀態(tài)，在大曝氣量下不易形成粒徑較大的生物絮體，易黏住膜絲，加快膜污染。研究表明，向反應(yīng)池內(nèi)投加粉末活性炭和顆?；钚蕴烤軌蝻@著增大污泥絮體粒徑，降低污泥比阻值，減小膜孔堵塞幾率，延長運(yùn)行周期。郭小馬等通過向MBR池中投加0.8 g/L的粉末活性炭，有效減小了跨膜壓差的上升速度，減緩了膜污染，使運(yùn)行周期從7 d延長至26 d。一般粉末活性炭的投加量可在0.5～1.5 g/L，過高投加量反而會影響絮體形成，降低膜臨界通量。
(2)投加懸浮填料
在膜池內(nèi)添加填料能夠在曝氣環(huán)境中增加對膜絲的擦洗作用，緩解膜污染。研究表明，在投加填料后可將活性污泥富集在填料表面，提高了生物絮體凝聚力；同時(shí)膜池內(nèi)MLSS降低，膜表面濾餅層更為疏松，跨膜壓差顯著降低，可相應(yīng)減少膜清洗頻率，延長運(yùn)行時(shí)間。樊嘉文等通過向AAO-MBR工藝缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜區(qū)添加懸浮填料，在保證氮、磷去除效果的基礎(chǔ)上，將最長膜運(yùn)行時(shí)間從8.71 d延長至138 d，大大控制了膜污染進(jìn)程。
(3)新型膜清洗技術(shù)
低曝氣或非曝氣型MBR膜清洗技術(shù)的開發(fā)，如超聲波在線清洗技術(shù)、往復(fù)運(yùn)行式膜組件、電場緩解膜污染技術(shù)等，為該工藝的發(fā)展提供了新思路。膜組件在運(yùn)行過程中不再依靠大曝氣量保持膜清潔，在降低能耗的同時(shí)減少了回流污泥的溶解氧濃度，全面提升生化處理效能。目前，清洗效果尚有待進(jìn)一步提升，相關(guān)工程應(yīng)用較少，尚未形成完善的技術(shù)體系和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這將是今后的發(fā)展方向。
3、工藝選擇與調(diào)控方案
表1總結(jié)了AAO及改良型工藝耦合MBR工藝形式的特點(diǎn)和應(yīng)對情況，在新建污水廠或現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和排放標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合考慮占地及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，合理選擇最佳工藝方案。
目前，生化耦合MBR工藝形式的工程應(yīng)用日益增多，但缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)性的優(yōu)化研究，仍存在無效容積大、運(yùn)行復(fù)雜的難題。表2列舉了關(guān)鍵技術(shù)問題及優(yōu)化措施，為今后研究方向及工藝調(diào)控提供支持。
4、結(jié)語
傳統(tǒng)AAO工藝、改良Bardenpho工藝、多級AO工藝與MBR工藝的耦合形式能夠在低碳源、低溫條件下有效提高氮、磷去除能力，增強(qiáng)抗沖擊負(fù)荷能力，這是新建污水廠和現(xiàn)有污水廠提標(biāo)改造的有效選擇。
對于現(xiàn)有污水廠的改造，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和出水重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)優(yōu)化調(diào)控和運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整運(yùn)行策略，保證前端生化系統(tǒng)的運(yùn)行高效性和穩(wěn)定性；對于新建污水廠的設(shè)計(jì)，應(yīng)優(yōu)化前置生化工藝的設(shè)計(jì)參數(shù)和回流形式，提出新的設(shè)計(jì)思路，發(fā)揮各工藝單元最大優(yōu)勢的同時(shí)減少無效容積。為努力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)要求，進(jìn)一步促進(jìn)節(jié)能減排，探索新型的膜組件及運(yùn)行方式是今后發(fā)展的必然選擇。
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