祝君喬，蔣嵐嵐，梁 汀，程 文，張萬里，胡 邦

（1.無錫新區(qū)市政公用事業(yè)管理處，江蘇無錫 214000；2.無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

隨著對污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高以及膜成本和能耗的降低，MBR工藝由于出水水質(zhì)優(yōu)良、可直接回用和節(jié)省占地等優(yōu)點(diǎn)使其在污水處理方面的應(yīng)用進(jìn)入高速發(fā)展時期。

對于城市污水處理，難點(diǎn)是脫氮除磷，目前已有眾多傳統(tǒng)脫氮除磷工藝被應(yīng)用到MBR系統(tǒng)的生物處理段中，最普遍的是A2/O工藝[1]。但是，它也存在其固有的缺陷，主要是硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機(jī)負(fù)荷、泥齡以及碳源需求上存在著矛盾和競爭[2]。為此，在A2O-MBR工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出了多種兩段缺氧的A3O-MBR工藝。本文結(jié)合設(shè)計(jì)采用A3O-MBR工藝的5座城鎮(zhèn)污水處理廠工程，就工程應(yīng)用中的生物段內(nèi)部流程、進(jìn)水方式、回流方式以及脫氮除磷機(jī)理等方面進(jìn)行分析探討。

1 兩段缺氧的A3O-MBR工藝原理

1.1 兩段缺氧的基本原理

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝通常采用前置反硝化或后置反硝化來實(shí)現(xiàn)氮的去除，而設(shè)置了厭氧、缺氧和好氧反應(yīng)器的A2O工藝則可以實(shí)現(xiàn)同步除碳和脫氮除磷功能。兩段缺氧的A3O工藝是指在傳統(tǒng)的A2O工藝中增設(shè)一級缺氧池，它是一種強(qiáng)化內(nèi)源反硝化和生物除磷的新型工藝，由于MBR工藝的高濃度活性污泥和生物多樣性等特性，使得兩段缺氧技術(shù)在MBR的生物處理段中得到應(yīng)用。

1.2 MBR工藝開發(fā)兩段缺氧的理論依據(jù)

（1）由于MBR系統(tǒng)的MLSS較高，以SRT計(jì)算確定的生物池的容積較小，相應(yīng)的所需總HRT較短。因此，如果考慮到系統(tǒng)有較高的硝化和反硝化處理效果要求時，必須對系統(tǒng)內(nèi)的各段水力停留時間進(jìn)行重新分配。

（2）由于MBR工藝的泥齡通常較傳統(tǒng)工藝長，較長的泥齡會使內(nèi)源代謝物質(zhì)增多，若MBR中積累一定量的溶解性微生物產(chǎn)物(Soluble Microbial Products,SMP)，不但會加速膜污染，還會導(dǎo)致出水水質(zhì)變差[3]，因此，要充分考慮對MBR中產(chǎn)生的內(nèi)源代謝物質(zhì)的利用。

（3）為了控制膜表面污堵，通常采用大量的空氣來擦洗膜絲，使得膜池內(nèi)的溶解氧極高，通常其DO值可達(dá)8～10 mg/L[4]。依靠膜池的好氧環(huán)境保障出水，使得后置缺氧成為可能。

（4）MBR工藝用膜分離代替了傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，并采用抽吸方式出水。因此，在MBR工藝中無傳統(tǒng)意義的污泥回流，通常是將膜池的混合液進(jìn)行回流，即將污泥回流與硝化液回流合并。考慮到回流液中硝態(tài)氮對聚磷菌的抑制，使得預(yù)缺氧成為一種選擇。

（5）由于將污泥回流與硝化液回流合并，使得系統(tǒng)的回流比較大。同時，因?yàn)槟こ氐娜芙庋踺^高，不宜直接將混合液回流至缺氧區(qū)，必須經(jīng)由好氧區(qū)回流，為減少各段之間的總回流比，兩段缺氧的生物段布置須進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2 各種兩段缺氧的A3O-MBR工藝形式比較分析

目前在MBR工藝中采用的兩段缺氧A3O-MBR工藝主要有以下 4種形式：（1）A2O/A-MBR；（2）A(2A)O-MBR；（3）A/A2O-MBR；（4）倒置A2O/A-MBR。下面從內(nèi)部流程、進(jìn)水方式、回流方式和脫氮除磷機(jī)理等4個方面對這4種形式的A3O-MBR工藝進(jìn)行比較分析。

2.1 內(nèi)部流程的比較

2.1.1 A2O/A-MBR工藝

A2O/A-MBR工藝的內(nèi)部流程依次為厭氧、第一缺氧、好氧、第二缺氧和膜池，其特點(diǎn)是在傳統(tǒng)A2O工藝后再設(shè)一級后置缺氧池，最后再利用膜池的好氧曝氣作用保障出水。其內(nèi)部流程見圖1。

圖1 A2O/A-MBR工藝內(nèi)部流程圖

2.1.2 A(2A)O-MBR工藝

A(2A)O-MBR工藝的內(nèi)部流程依次為厭氧、第一缺氧、第二缺氧、好氧和膜池，其特點(diǎn)是在傳統(tǒng)A2O工藝中設(shè)置了兩段缺氧區(qū)，通過控制進(jìn)水與回流點(diǎn)調(diào)節(jié)兩段缺氧區(qū)的功能。其內(nèi)部流程見圖2。

圖2 A(2A)O-MBR工藝內(nèi)部流程圖

2.1.3 A/A2O-MBR工藝

A/A2O-MBR工藝的內(nèi)部流程依次為第一缺氧、厭氧、第二缺氧、好氧和膜池，其特點(diǎn)是在傳統(tǒng)A2O工藝前增設(shè)一段預(yù)缺氧池，預(yù)處理后的污水首先按比例分配流量分別進(jìn)入第一缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，然后依次重力流入第二缺氧區(qū)、好氧區(qū)和膜池，最后通過膜過濾抽吸出水。其內(nèi)部流程見圖3。

圖3 A/A2O-MBR工藝內(nèi)部流程圖

2.1.4 倒置A2O/A-MBR工藝

倒置A2O/A-MBR工藝的內(nèi)部流程依次為第一缺氧、厭氧、好氧、第二缺氧和膜池，其特點(diǎn)是在倒置A2O工藝后增設(shè)一級后置缺氧池，是A2O/A-MBR工藝的改進(jìn)工藝。其內(nèi)部流程見圖4。

圖4 倒置A2O/A-MBR工藝內(nèi)部流程圖

2.2 進(jìn)水方式的比較分析

早期開發(fā)的A2O/A-MBR工藝采用的是單點(diǎn)進(jìn)水的方式，全部原水進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，如圖1所示。后開發(fā)的三種兩段缺氧A3O-MBR工藝都采用了兩點(diǎn)進(jìn)水方式以增加系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，即在生物池前設(shè)置進(jìn)水分配渠道和分配調(diào)節(jié)堰，污水進(jìn)入到分配渠道后，通過兩套調(diào)節(jié)堰門可以將原水按照一定比例分配到厭氧區(qū)和第一缺氧區(qū)，從而選擇優(yōu)先滿足生物脫氮還是生物除磷對進(jìn)水碳源的需要，如圖2～圖4所示。并且，各區(qū)的分配比例還可以根據(jù)不同水質(zhì)、不同季節(jié)條件下及生物脫氮和生物除磷所需碳源的變化進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

2.3 回流方式的比較分析

MBR工藝中為了形成足夠的水力剪切作用，防止膜污染，同時也為了物料平衡和減少各區(qū)功能的相互干擾，一般需設(shè)置多級回流。在早期的城鎮(zhèn)污水處理工程的MBR工藝中，大多采用從直接膜池回流硝化液到缺氧區(qū)的方式。實(shí)踐表明，通常膜池回流的混合液中溶解氧含量很高，富氧混合液直接回流至缺氧區(qū)會破壞缺氧區(qū)的反硝化環(huán)境。目前，絕大多數(shù)的MBR工藝均采用分步回流的方式，即膜池的富氧混合液先回流至好氧區(qū)，一方面可以使溶解氧得到充分利用，在一定程度上補(bǔ)充好氧區(qū)的供氧量，降低能耗；另一方面可以減少對缺氧區(qū)功能的干擾。

在生物處理段，各種兩段缺氧A3O-MBR工藝采用了不同的回流方式，分述如下。

（1）A2O/A-MBR采用的是二級單點(diǎn)回流，一級是好氧區(qū)混合液回流至第一缺氧區(qū)，回流比為300%～400%；二級是從第二缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)，回流比為100%～200%。

（2）A(2A)O-MBR采用的是二級兩點(diǎn)回流，一級是好氧區(qū)混合液分別回流至第一缺氧區(qū)和第二缺氧區(qū)，總回流比為350%；二級是從第一缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)，回流比為200%。

（3）A/A2O-MBR采用的是單級兩點(diǎn)回流，為好氧區(qū)混合液回流，分別回流至第一缺氧區(qū)和第二缺氧區(qū)，總回流比為350%。

（4）倒置A2O/A-MBR采用的是單級單點(diǎn)回流，為好氧區(qū)混合液回流至第一缺氧區(qū)，回流比為300%。

對比這4種工藝的回流方式可以發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)缺氧的A/A2O-MBR和倒置A2O/A-MBR工藝的生物段的回流只有一級，因?yàn)閰捬鯀^(qū)位于預(yù)缺氧區(qū)之后，其污泥濃度可由回流至預(yù)缺氧區(qū)的混合液保證。采用后置缺氧的A2O/A-MBR和倒置A2O/A-MBR工藝的回流點(diǎn)只有一處，即第一缺氧區(qū)，因?yàn)榈诙毖鯀^(qū)位于好氧區(qū)之后，直接由好氧區(qū)順?biāo)髁魅耄瑹o需再從好氧區(qū)回流硝化液?？傮w而言，倒置A2O/A-MBR工藝由于將第一缺氧區(qū)前置，減少了一級回流（缺氧I至厭氧），并增設(shè)了后置的第二缺氧區(qū)，減少了一點(diǎn)回流（好氧至缺氧II），大大節(jié)省了能耗和運(yùn)行成本。

2.4 脫氮除磷機(jī)理的比較分析

在MBR工藝中，由于高活性污泥濃度、專性菌種的形成以及膜屏障的截留作用等因素，使系統(tǒng)對有機(jī)物的處理效果很好，但是脫氮除磷的效果受限于進(jìn)水有機(jī)碳源和回流比等因素提高不易。總體而言，各種采用兩段缺氧工藝的主要目的均是為了強(qiáng)化脫氮除磷，但在機(jī)理上有所不同，分述如下。

（1）A2O/A-MBR工藝通過設(shè)置后置缺氧段，主要解決進(jìn)水碳源不足而導(dǎo)致反硝化不充分的問題，使好氧區(qū)殘留的硝酸鹽在反硝化菌作用下，繼續(xù)以微生物的胞內(nèi)儲存物質(zhì)及細(xì)胞死亡后溶出的有機(jī)成分作為碳源進(jìn)行脫氮[5]。此外，經(jīng)由后置缺氧池回流到厭氧池的混合液循環(huán)設(shè)置，最大程度地保證了厭氧環(huán)境，有利于厭氧池的釋磷過程。

（2）A(2A)O-MBR工藝設(shè)置了兩段缺氧區(qū)（第一缺氧區(qū)和第二缺氧區(qū)）。在第一缺氧區(qū)內(nèi)，從好氧區(qū)回流的NO3-完全被還原，實(shí)現(xiàn)完全反硝化；而在第二缺氧區(qū)內(nèi)，由于連續(xù)長時間的缺氧，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)源反硝化，進(jìn)一步地去除了污水中的硝態(tài)氮，節(jié)省外加碳源的投加[6]。同時，由于好氧區(qū)的硝化液回流采用兩點(diǎn)回流，兩者之間的流量比例通過回流渠道和調(diào)節(jié)堰來分配，這樣可以靈活調(diào)節(jié)兩段缺氧中回流的硝酸根，有利于充分利用內(nèi)碳源。

（3）A/A2O-MBR工藝設(shè)置了前置的預(yù)缺氧區(qū)，第一缺氧池利用進(jìn)水碳源和回流硝化液進(jìn)行快速反硝化，接著混合液進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行厭氧釋磷。將厭氧區(qū)放在第一缺氧區(qū)之后，由于回流液中的硝態(tài)氮被充分反硝化，減少了其對聚磷菌的抑制，提高除磷效果。在第二缺氧池再利用污水中剩余的碳源和回流的硝化液進(jìn)一步反硝化脫氮。

（4）倒置A2O/A-MBR工藝為 A2O/A-MBR的改進(jìn)工藝，綜合了預(yù)缺氧和后置缺氧的雙重優(yōu)勢，從進(jìn)水有機(jī)碳源的充分利用和合理分配、聚磷菌的絕對厭氧環(huán)境的構(gòu)建、溶解氧的利用和分布、內(nèi)源代謝產(chǎn)物的有效利用、總回流比的量等多方面均得到了優(yōu)化配置，系統(tǒng)提高了脫氮除磷的能力。

3 工程實(shí)例介紹

采用兩段缺氧的A3O-MBR工藝的5座城鎮(zhèn)污水處理廠工程的生物段形式、進(jìn)水方式、回流方式、生物段工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)情況如表1所示。

4 結(jié)語

隨著MBR在污水處理中的應(yīng)用越來越多，相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)也在不斷開發(fā)。在多座MBR工藝城鎮(zhèn)污水處理廠工程中，針對膜分離的特點(diǎn)，采用了多種兩段缺氧的A3O-MBR工藝，將兩段缺氧生物處理技術(shù)和膜過濾技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以起到強(qiáng)化脫氮除磷的作用，提高系統(tǒng)的總體去除率，尤其是對于低碳源、高處理標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠而言實(shí)用意義較大。

本文結(jié)合設(shè)計(jì)采用兩段缺氧A3O-MBR工藝的5座城鎮(zhèn)污水處理廠工程，就工藝原理、開發(fā)依據(jù)進(jìn)行了介紹，并就工程應(yīng)用中的生物段內(nèi)部流程、進(jìn)水方式、回流方式、脫氮除磷機(jī)理等方面進(jìn)行了比較分析，以期為今后國內(nèi)MBR工藝的規(guī)?；O(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

表1 5座兩段缺氧A3O-MBR類污水處理工程實(shí)例介紹

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