AAO-IMABR 耦合工藝在市政污水處理中的應(yīng)用

張信武， 廖志軍， 耿春茂， 楊思聰， 廖文兵， 黃浩志

（1.廣東科清環(huán)境技術(shù)有限公司， 廣東 惠州 516007；2.惠州水務(wù)集團(tuán)碧源環(huán)境科技有限公司， 廣東 惠州 516003）

活性污泥法和生物膜法是目前污水處理中最常用的2 種生物處理技術(shù)。 活性污泥法工藝簡(jiǎn)單， 操作簡(jiǎn)便； 生物膜法耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)， 處理效率高。 但兩者均存在氧利用率低， 能耗高等缺點(diǎn)［1］。近年來(lái)， 新興的膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR）工藝結(jié)合活性污泥法與生物膜法工藝特點(diǎn)， 以其高效脫氮， 低耗曝氣， 節(jié)能降耗等優(yōu)勢(shì)， 逐步在污水處理行業(yè)受到關(guān)注［2］。 該工藝最大的特點(diǎn)是硝化與反硝化過(guò)程在同一反應(yīng)器內(nèi)同步發(fā)生， 反硝化產(chǎn)生的堿度可同時(shí)補(bǔ)償硝化反應(yīng)消耗的堿度， 因此， 該工藝在低碳氮比污水處理方面具有優(yōu)勢(shì)［3－4］。 MABR 常用的膜材料一般分為3 類： 致密的硅橡膠膜、 微孔膜以及在膜基材涂覆致密層的復(fù)合膜［5］。 本文中涉及的重離子微孔膜也稱核孔膜， 是高分子薄膜經(jīng)加速器重離子束流輻照后再經(jīng)化學(xué)蝕刻處理制備出的一種優(yōu)質(zhì)微孔膜。 重離子微孔膜采用內(nèi)外復(fù)合無(wú)紡布作為支撐層， 通過(guò)螺旋卷焊而成管式膜管。 若干管式膜管經(jīng)組合裝配成重離子微孔膜曝氣生物膜反應(yīng)器（IMABR）組件， 作為IMABR 工藝的核心設(shè)備。 現(xiàn)以AAO－IMABR 耦合工藝在某低碳氮比市政污水處理站的應(yīng)用情況為例， 對(duì)其處理工藝、設(shè)計(jì)參數(shù)以及運(yùn)行效果等進(jìn)行探討， 以供同類市政污水處理工程項(xiàng)目參考。

1 工程概況

某污水處理站位于廣東省惠州市某鎮(zhèn)， 主要處理鎮(zhèn)街管網(wǎng)收集的市政污水。 設(shè)計(jì)處理規(guī)模為2 000 m3／d， 占地面積為7 000 m2， 原核心生化工藝為生物接觸氧化工藝。 該污水處理站于2013 年建成投產(chǎn)， 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B 排放標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)當(dāng)?shù)厮廴竟?jiān)工作要求， 2022 年底， 污水處理站采用AAO－IMABR 耦合工藝進(jìn)行提標(biāo)改造，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)提升至GB 18918—2002 一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB44／ 26—2001《水污染排放限值》第二時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的較嚴(yán)值。

2 設(shè)計(jì)規(guī)模及進(jìn)出水水質(zhì)

污水處理站提標(biāo)改造工程未涉及處理能力變化， 設(shè)計(jì)處理規(guī)模保持2 000 m3／d 不變， 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1 所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)與出水標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Influent water quality and discharge standard

3 污水處理工藝

改造后該污水處理站核心生化工藝為AAOIMABR 耦合工藝， 具體工藝流程圖1 所示。

圖1 污水處理站工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment station

管網(wǎng)收集的市政污水經(jīng)粗格柵截留大塊懸浮和漂浮的垃圾后， 提升進(jìn)入細(xì)格柵進(jìn)一步截留小粒徑垃圾及軟性雜物， 再經(jīng)沉砂池進(jìn)一步去除比重較大的砂粒后進(jìn)入生化池。 生化池前端為厭氧池，污水與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豐富的有機(jī)物質(zhì)， 并以生物聚合物的形式（主要是PHA 和糖原）貯存于細(xì)胞內(nèi)。這一代謝過(guò)程所需的能量主要來(lái)自其細(xì)胞內(nèi)貯存的高能分子聚磷酸鹽， 厭氧狀態(tài)下合成PHA 的同時(shí)伴隨著正磷酸鹽的釋放［6］。 隨后， 污水進(jìn)入到IMABR 池， 該池為缺氧環(huán)境， 設(shè)有IMABR 膜組件， 為懸浮活性污泥與生物膜共生的系統(tǒng)。 由于IMABR 膜組件特殊的曝氣模式和傳氧機(jī)制， 生物膜會(huì)產(chǎn)生明顯的分層。 該生物膜可大致分為3 個(gè)功能層， 即好氧層、 缺氧層、 厭氧層， 這就意味著在IMABR 中會(huì)有同步硝化反硝化（SND）作用發(fā)生［7－8］。 IMABR 池出水進(jìn)入好氧池， 在此完成硝化反應(yīng)以及聚磷菌的過(guò)量吸磷， 水中的有機(jī)物被活性污泥氧化分解， 并部分轉(zhuǎn)化為新的微生物菌膠團(tuán)［9］。硝化液通過(guò)內(nèi)回流泵回流到IMABR 池前端， 另一部分進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離。 二沉池上清液進(jìn)入混凝池， 與PAC 和PAM 混合后發(fā)生絮凝作用， 在斜管沉淀池再次泥水分離［10］， 進(jìn)一步降低水中SS和TP 濃度， 上清液經(jīng)次氯酸鈉接觸消毒后， 經(jīng)明渠計(jì)量達(dá)標(biāo)排放。

生化系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥從二沉池排放， 經(jīng)剩余污泥泵抽送到儲(chǔ)泥池， 由污泥螺桿泵送入板框壓濾機(jī)脫水， 污泥經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水至含水率60%左右， 泥餅外運(yùn)處置。

4 主要處理單元及設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 粗格柵及泵房。 尺寸為8.0 m × 6.0 m ×7.6 m， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 粗格柵井設(shè)置回轉(zhuǎn)式機(jī)械格柵除污機(jī)1 臺(tái)， 格柵渠道寬度為0.5 m， 柵條間隙為20 mm， 安裝角度為75°； 提升泵房設(shè)潛污泵2 臺(tái)， 1 用1 備， 變頻控制， Q ＝100 m3／h， H ＝10 m， N ＝5.5 kW。

（2） 細(xì)格柵及沉砂池。 細(xì)格柵為水力格柵， 設(shè)置于沉砂池上方， 設(shè)備尺寸為1 220 mm × 1 300 mm × 680 mm， 功率為0.37 kW， 柵條間隙為2 mm； 沉砂池平面尺寸為4.0 m × 3.0 m， 池深3.8 m， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池底錐形， 設(shè)置吸砂泵1臺(tái)， Q ＝15 m3／h， H ＝5.0 m， N ＝1.1 kW。

（3） 生化反應(yīng)池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)污泥濃度為3 000 mg／L， 污泥負(fù)荷為0.10 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 污泥回流比為50%～100%， 污泥混合液回流比為100% ～300%， 厭氧池、 IMABR池與好氧池溶解氧質(zhì)量濃度分別不超過(guò)0.2 mg／L、不超過(guò)0.5 mg／L 和1.5 ～3.0 mg／L。 厭氧池尺寸為4.2 m×4.0 m×3.8 m， HRT 為0.68 h； IMABR 池尺寸為18.0 m×4.0 m×3.8 m， HRT 為2.85 h； 好氧池尺寸為40.0 m × 4.0 m × 3.8 m， HRT 為6.15 h。厭氧池設(shè)置潛水?dāng)嚢杵? 臺(tái)， N ＝0.55 W， 葉輪直徑為260 mm。 IMABR 池設(shè)置潛水?dāng)嚢杵? 臺(tái)， N ＝0.75 kW， 葉輪直徑為260 mm； 浸沒(méi)式IMABR 膜組共6 套， 膜組尺寸為1 200 mm×1 200 mm×1 250 mm， 外框?yàn)椴讳P鋼框架， 主體由重離子微孔管式膜組成， 單套膜組共6 380 根膜管， 單根膜管有效長(zhǎng)度為1.0 m， 外徑為6 mm， 壁厚0.5 mm， 材質(zhì)為PET； 膜組單位面積理論充氧能力為0.6 ～1.5 kg／（h·m2）， 單個(gè)IMABR 膜組件膜面積約為120 m2， 單個(gè)膜組供氣量為2 ～5 m3／h。 好氧池內(nèi)設(shè)置φ260 mm 盤式曝氣器216 套， 硝化液回流泵1臺(tái)， Q ＝250 m3／h， H ＝0.7 m， N ＝3.7 kW， 變頻控制。 羅茨風(fēng)機(jī)共2 臺(tái)， 1 用1 備， 為好氧池和IMABR 膜組提供空氣， Q ＝9.43 m3／min， H ＝44.1 kPa， N ＝15 kW， 變頻控制。

（4） 二沉池。 采用斜管沉淀池， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 1 池2 格， 單格尺寸為6.0 m×4.0 m×3.8 m，表面水力負(fù)荷為1.75 m3／（m2·h）。 斜管采用HDPE材質(zhì)， 蜂窩狀， 高度為0.9 m， 共21.6 m2。 設(shè)置污泥回流泵1 臺(tái)， Q ＝85 m3／h， H ＝6.0 m， N ＝1.5 kW， 變頻控制。

（5） 混凝池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 共3 格， 分別為PAC 快混池、 PAM 快混池和慢混池， 單池尺寸為2.0 m×1.5 m×3.8 m， 設(shè)置機(jī)械攪拌機(jī)1 臺(tái)， N ＝0.37 kW。 PAC 快混池投加10%PAC， 投加量為50 mg／L； PAM 快混池投加0.2%陰離子PAM， 投加量為0.4 mg／L。

（6） 斜管沉淀池。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 尺寸為12.0 m × 3.0 m × 3.8 m， 表面水力負(fù)荷為2.33 m3／（m2·h）。 斜管采用HDPE 材質(zhì)， 蜂窩狀， 高度為0.9 m， 共32.4 m2。

（7） 消毒池及出水明渠。 消毒池尺寸為5.5 m×2.5 m×3.2 m， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 池內(nèi)設(shè)有折流擋墻， 設(shè)置隔膜計(jì)量加藥泵1 臺(tái)， Q ＝10 L／h， H ＝8 m， N ＝0.25 kW。 出水明渠與消毒池合建， 尺寸為2.0 m×0.4 m×0.85 m， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 內(nèi)設(shè)巴氏計(jì)量槽。

5 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1） 本工程中IMABR 工藝相較于傳統(tǒng)生物脫氮工藝， 是一種具有同步硝化反硝化作用， 且氧氣利用率高， 占地面積小， 脫氮效果顯著的處理工藝［11］， 適用于低碳氮比污水處理［4］。 IMABR 池內(nèi)同步硝化反硝化功能的實(shí)現(xiàn)， 不僅能大大提高脫氮效率， 而且提升了碳源與堿度的利用效率， 降低硝化液內(nèi)回流比， 進(jìn)一步降低電能消耗與碳源投加。

（2） 生化處理工藝將傳統(tǒng)AAO 工藝與IMABR進(jìn)行耦合， 采用活性污泥與生物膜共生的處理系統(tǒng)， 不僅能提高微生物量， 而且可提高生化系統(tǒng)的耐沖擊負(fù)荷能力， 提升污水處理效果。

（3） 深度處理配備PAC 與PAM 投加系統(tǒng)， 可進(jìn)一步降低出水TP 與SS 濃度， 作為出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的保障。

6 運(yùn)行效果

2023 年1 月初， 污水處理站提標(biāo)改造完工并通水調(diào)試運(yùn)行。 3 月初， IMABR 生物膜基本掛膜成熟后， 其同步硝化反硝化的功能得到實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)工藝調(diào)控， 生化池內(nèi)污泥濃度為2 500 ～2 800 mg／L，好氧池溶解氧質(zhì)量濃度為1.5 ～2.5 mg／L， 內(nèi)回流比為150%， 外回流為比為50%。 4 月份起， 按設(shè)計(jì)水量90% 左右運(yùn)行， 出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 2023 年5 月11 日， 通過(guò)提標(biāo)改造工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收， 自此進(jìn)入穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)營(yíng)階段。

4 月17 日～30 日， 污水處理站進(jìn)水、 IMABR池出水及總出水水質(zhì)主要指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值如表2 所示。 AAO－IMABR 耦合工藝不僅實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)， 而且TN 去除效果遠(yuǎn)超常規(guī)AAO 工藝?yán)碚撁摰剩?其中NH3－N 與TN 總?cè)コ史謩e高達(dá)99.8%和80%。

表2 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)平均值Tab.2 Average values of actual influent and effluent water qualitymg·L－1

7 投資及運(yùn)行成本

污水處理站提標(biāo)改造工程總投資約為250 萬(wàn)元。 采用AAO－IMABR 耦合工藝按設(shè)計(jì)負(fù)荷90%（1 800 m3／d）運(yùn)行， 其噸水直接運(yùn)行成本約為0.646元／t， 其中電費(fèi)、 藥劑費(fèi)、 自來(lái)水費(fèi)、 污泥處置費(fèi)和維護(hù)維修費(fèi)分別為0.238 0、 0.227 5、 0.007 5、0.097 0 和0.076 0 元／t。

8 結(jié)語(yǔ)

（1） 針對(duì)市政污水COD 濃度低， NH3－N 與TN濃度相對(duì)較高， 碳氮比嚴(yán)重失衡的水質(zhì)特點(diǎn)， 采用AAO 耦合IMABR 工藝對(duì)原處理工藝進(jìn)行提標(biāo)改造。 改造后的運(yùn)行實(shí)踐表明， 該工藝不僅能滿足設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求， 而且運(yùn)行成本較低， 是適合該污水處理站進(jìn)出水質(zhì)要求的處理工藝。

（2） 該工程的成功實(shí)施， 表明IMABR 工藝適合處理南方低碳氮比市政生活污水， 為IMABR 工藝在萬(wàn)噸級(jí)以上處理規(guī)模水廠的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)； 同時(shí)， 該工藝的同步硝化反硝化功能的實(shí)現(xiàn)途徑與控制條件， 還需進(jìn)一步摸索與掌握。