李 捷 羅 凡,2 于 翔 隋 軍

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.廣東首匯藍(lán)天科技有限公司，廣東 廣州 510060)

不同進(jìn)水方式下水溫對(duì)AAOA—膜生物反應(yīng)器工藝運(yùn)行效果的影響*

李 捷1羅 凡1,2于 翔1隋 軍3

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.廣東首匯藍(lán)天科技有限公司，廣東 廣州 510060)

對(duì)昆明市某污水處理廠的AAOA—膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝在單、多點(diǎn)進(jìn)水方式下的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探索了進(jìn)水水溫對(duì)不同進(jìn)水方式下處理效果的影響。結(jié)果表明：?jiǎn)巍⒍帱c(diǎn)進(jìn)水方式下COD去除率均隨著水溫的升高而降低，但多點(diǎn)進(jìn)水方式下COD去除率下降趨勢(shì)更大，落差達(dá)到4百分點(diǎn)。水溫低于18 ℃的情況下，多點(diǎn)進(jìn)水方式對(duì)氨氮的去除效果劣于單點(diǎn)進(jìn)水方式；當(dāng)水溫為12 ℃時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水方式的出水氨氮存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。從整套工藝的處理效果來看，由于多點(diǎn)進(jìn)水方式對(duì)碳源進(jìn)行了合理分配，其TN去除率隨水溫升高而逐漸升高，呈現(xiàn)出與單點(diǎn)進(jìn)水方式相反的趨勢(shì)。

膜生物反應(yīng)器 水溫 進(jìn)水方式 脫氮

為了解決A2/O工藝中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有機(jī)負(fù)荷、泥齡以及碳源需求上的矛盾和競(jìng)爭(zhēng)，提出了一種強(qiáng)化脫氮除磷膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝技術(shù)AAOA—MBR，使脫氮除磷效率能滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。然而，我國(guó)城鎮(zhèn)污水C/N普遍較低，因而在AAOA—MBR工藝的基礎(chǔ)上又引入多點(diǎn)進(jìn)水機(jī)制，將原水按照一定分配比例分別進(jìn)入?yún)捬醭睾腿毖醭兀梢愿鶕?jù)水質(zhì)特點(diǎn)以及對(duì)脫氮除磷的要求合理分配碳源[2]。

目前關(guān)于多點(diǎn)進(jìn)水和AAOA—MBR工藝研究的廣度和深度不斷加強(qiáng)，但是有關(guān)水溫對(duì)單、多點(diǎn)進(jìn)水和AAOA—MBR工藝運(yùn)行效果的專項(xiàng)研究尚不多見。城市污水處理廠由于規(guī)模較大，主要建在戶外，水溫的季節(jié)性變化會(huì)對(duì)其生物處理單元產(chǎn)生一定影響。已有的研究表明，水溫對(duì)微生物的活性[3]、群落組成[4]、細(xì)胞生長(zhǎng)、活性污泥的凝聚沉降性[5]、好氧池氧轉(zhuǎn)移效率以及水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)[6]都有較大影響。而針對(duì)具有良好脫氮除磷功能的MBR工藝，其進(jìn)水方式的調(diào)配結(jié)合季節(jié)性水溫變化對(duì)處理效能影響的研究未見報(bào)道。因此，本研究以昆明市某污水處理廠為研究對(duì)象，旨在研究水溫對(duì)單、多點(diǎn)進(jìn)水AAOA—MBR工藝運(yùn)行效果的影響，為采用AAOA—MBR工藝的污水處理廠的運(yùn)行與管理提供參考。

圖1 污水處理廠工藝流程示意圖Fig.1 Process flows of wastewater treatment plant

注：Q為進(jìn)水總量，m3/d；Q1、Q2、Q3依次為3個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的進(jìn)水量，m3/d。圖2 生化池單元進(jìn)水配比Fig.2 Inflow allocation ratio of biochemical unit

1 材料與方法

1.1 工藝流程

該污水處理廠地處滇池流域，設(shè)計(jì)規(guī)模60 000 m3/d，實(shí)際處理規(guī)模約58 000 m3/d，出水水質(zhì)按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。采用AAOA—MBR工藝，流程如圖1所示?？偹νＡ魰r(shí)間為17.14 h，其中厭氧池1.98 h，缺氧池4.61 h，好氧池(包括好氧池Ⅰ和好氧池Ⅱ)5.74 h，變化池2.87 h，膜池1.94 h；回流比R1、R2、R3分別為200%、200%、350%。好氧池Ⅰ、Ⅱ采用底部微孔曝氣，變化池兼具曝氣和攪拌功能(實(shí)際運(yùn)行中僅開攪拌設(shè)施)。

此外，從全廠近兩年(2014—2015年)的進(jìn)水水質(zhì)來看，COD∶TN∶TP=100.0∶13.0∶1.7，TP負(fù)荷偏高，為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，該廠除磷采用生物法+化學(xué)法，在超細(xì)格柵之后投加鐵鹽。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)及配比

污水處理廠生化池分南北兩側(cè)共12個(gè)廊道并聯(lián)運(yùn)行，試驗(yàn)期間將其中1個(gè)廊道改為三點(diǎn)進(jìn)水方式，各進(jìn)水點(diǎn)的進(jìn)水量配比如圖2所示。污水處理廠的進(jìn)水均來自市政管網(wǎng)收集的城市生活污水，污水處理廠2015年度進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 2015年進(jìn)水水質(zhì)

1.3 采樣與分析方法

本次試驗(yàn)的目的是考察水溫對(duì)單、多點(diǎn)進(jìn)水方式下AAOA—MBR工藝的影響分析，因此將預(yù)處理后的污水作為進(jìn)水，進(jìn)水取水點(diǎn)為超細(xì)格柵之后的六角配水井，出水取水點(diǎn)為MBR出水排放口(即膜池出水排放口)。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法均參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)，其中COD采用重鉻酸鉀法，TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，TP采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溫變化規(guī)律

圖3為該廠近兩年的進(jìn)水水溫變化情況，其月均值為12～24 ℃，最高水溫為28 ℃(2015年6月)，最低水溫為8 ℃(2014年1月)。基于該污水處理廠全年水溫的變化規(guī)律，本研究針對(duì)AAOA—MBR工藝運(yùn)行效果影響因素考察時(shí)，水溫控制為12～27 ℃。

圖3 2014—2015年進(jìn)水水溫變化Fig.3 Change of water temperature during 2014-2015

2.2 水溫對(duì)除磷效果的影響

鑒于進(jìn)水水質(zhì)的影響，該廠實(shí)際運(yùn)行中采用化學(xué)除磷為主并輔以生物除磷的方式，在超細(xì)格柵之后投加鐵鹽，已將污水中的大部分磷去除。從圖4中TP的沿程變化可以看出，單點(diǎn)進(jìn)水方式下，厭氧池末端的TP已低于0.5 mg/L。不同水溫條件下，自厭氧池之后的各池體中，TP濃度沿程變化不大，這主要是由于前端預(yù)處理時(shí)的化學(xué)除磷已將污水中的磷去除至較低濃度，后端生物除磷盡管會(huì)受到水溫的影響，但此時(shí)TP濃度已處于較低水平。此外，多點(diǎn)進(jìn)水方式下，TP出水情況也類似。鑒于此，以下僅就水溫對(duì)去除COD、氨氮、TN的影響進(jìn)行重點(diǎn)論述。

圖4 單點(diǎn)進(jìn)水方式下水溫對(duì)TP去除效果的影響Fig.4 Effect of water temperature on TP removal under single-influent feed mode

2.3 不同進(jìn)水方式下水溫對(duì)COD去除效果的影響

考察了2014年11月至2015年8月不同水溫下COD的處理效果，結(jié)果見圖5。進(jìn)水COD為206～309 mg/L，AAOA—MBR工藝對(duì)COD的去除效果較為穩(wěn)定，無論是單點(diǎn)進(jìn)水還是多點(diǎn)進(jìn)水，出水COD均能低于20 mg/L，滿足出水排放要求。不同進(jìn)水方式下水溫對(duì)于COD處理效果的影響有所不同。單點(diǎn)進(jìn)水時(shí)，COD去除率隨著水溫升高略微降低。主要原因包括：夏季時(shí)進(jìn)水COD較低，進(jìn)而影響了整體降解效果；污水中COD的去除主要是通過活性污泥的吸附和氧化分解作用實(shí)現(xiàn)，通常微生物酶活性及其對(duì)COD的分解和入胞速率均隨著水溫的降低而降低，但由于采用了MBR工藝，生化池長(zhǎng)期穩(wěn)定處于高污泥濃度狀態(tài)，因而對(duì)水溫變化具有一定的抗沖擊能力[7-8]。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)，隨著水溫的升高COD去除率逐漸下降，27 ℃與12 ℃相比，COD去除率下降了4百分點(diǎn)左右，這是由于在多點(diǎn)進(jìn)水方式下，從缺氧池和變化池進(jìn)水經(jīng)歷的COD吸附和氧化路程短于單點(diǎn)進(jìn)水，在夏季進(jìn)水COD較少時(shí)，與單點(diǎn)進(jìn)水相比，多點(diǎn)進(jìn)水的COD去除率明顯更低。

圖5 單、多點(diǎn)進(jìn)水方式下水溫對(duì)COD去除效果的影響Fig.5 Effect of water temperature on COD removal under single-influent and multiple-influent feed modes

2.4 不同進(jìn)水方式下水溫對(duì)氨氮去除效果的影響

圖6展示了水溫與氨氮去除率的變化關(guān)系。由圖6可以看出，水溫為12～27 ℃時(shí)，AAOA—MBR工藝對(duì)氨氮的去除率均可以達(dá)到93%以上。單點(diǎn)進(jìn)水時(shí)，不同水溫條件下的氨氮去除率波動(dòng)較小。但多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)，水溫對(duì)氨氮去除率的影響呈現(xiàn)兩段式變化：當(dāng)水溫低于18 ℃時(shí)，氨氮去除率隨著水溫的升高而明顯升高；當(dāng)水溫超過18 ℃后，氨氮去除率的變化趨勢(shì)與單點(diǎn)進(jìn)水相似，波動(dòng)較小。決定氨氮去除率的影響機(jī)理主要包括：(1)參與硝化反應(yīng)的細(xì)菌多為中溫細(xì)菌，適宜于20～30 ℃生長(zhǎng)，其活性在中溫條件下要高于低溫條件[9]，因此氨氮去除率應(yīng)隨著水溫的升高而升高；(2)MBR中氣水比較高，且膜池回流到好氧池的回流液也將攜帶大量DO，在同等硝化速率的條件下，MBR更能保證出水氨氮低值。鑒于此研究考察的是AAOA—MBR工藝，在單點(diǎn)進(jìn)水條件下，機(jī)理(2)中的MBR提供的充足DO占據(jù)了優(yōu)勢(shì)，因而即使水溫低至12 ℃時(shí)，氨氮去除率均未受到影響。而對(duì)于多點(diǎn)進(jìn)水方式，其中兩個(gè)進(jìn)水點(diǎn)位于生化池的中后段，相應(yīng)降低了該部分污水在生化池中的停留時(shí)間，從而會(huì)引起進(jìn)入膜池的氨氮和COD高于單點(diǎn)進(jìn)水；此外，機(jī)理(1)中水溫對(duì)硝化反應(yīng)速率的影響占據(jù)優(yōu)勢(shì)，促使水溫對(duì)氨氮去除率的影響呈現(xiàn)兩段模式。試驗(yàn)期間，在水溫為12 ℃時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水系統(tǒng)的出水氨氮均值基本低于1.6 mg/L，但個(gè)別天數(shù)出水氨氮較高，達(dá)到4.6 mg/L，存在出水氨氮超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)水溫較低時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水方式應(yīng)慎重選擇。

圖6 單、多點(diǎn)進(jìn)水方式下水溫對(duì)氨氮去除效果的影響Fig.6 Effect of water temperature on ammonia nitrogen removal under single-influent and multiple-influent feed modes

2.5 不同進(jìn)水方式下水溫對(duì)TN去除效果的影響

TN去除機(jī)制較COD和氨氮更為復(fù)雜，它受反硝化菌、有機(jī)碳源、硝酸鹽等多種因素的影響。本研究的AAOA—MBR工藝中由于膜的高效截留作用，可維持較高的混合液懸浮固體濃度(MLSS)；基于2.4節(jié)的結(jié)論可以看出，不同水溫下氨氮去除率均較高，可以產(chǎn)生大量的反硝化過程電子受體，因此反硝化菌和底物濃度不會(huì)成為影響TN去除率的主導(dǎo)因素。

由圖7可以看出，對(duì)于單點(diǎn)進(jìn)水方式，TN去除率隨著水溫的升高而降低，從69.2%(12 ℃)降低至61.9%(27 ℃)，降了7.3百分點(diǎn)。這是因?yàn)樗疁厣卟粌H提高了反硝化菌活性，與之爭(zhēng)奪有機(jī)物的異養(yǎng)菌的活性也隨之升高，從而導(dǎo)致反硝化菌可用的有機(jī)物比例減少，同時(shí)進(jìn)水C/N受季節(jié)降水量和用水量變化的影響，限制了反硝化進(jìn)程；另一方面，膜池內(nèi)回流攜帶大量的DO，而水溫升高又大大提高了氧傳質(zhì)效率[10]，導(dǎo)致生化池中參與反硝化反應(yīng)的缺氧池、變化池內(nèi)的DO發(fā)生改變。由圖8可以看出，厭氧池、缺氧池和變化池中的DO均隨著水溫的升高而升高，其中變化池中DO差異最大，由0.08 mg/L(12 ℃)升高至0.57 mg/L(24 ℃)。這是由于變化池前設(shè)有好氧池，雖然變化池在未曝氣狀態(tài)運(yùn)行，但是由于膜池回流攜帶的大量DO進(jìn)入好氧池，隨后推流入變化池，水溫升高帶來的高效氧傳質(zhì)效率導(dǎo)致變化池內(nèi)DO升高，致使變化池缺氧生境被打破，而由變化池回流進(jìn)入缺氧池的回流液中的DO相應(yīng)升高，進(jìn)而又影響了缺氧池的反硝化效率。對(duì)于多點(diǎn)進(jìn)水方式，在水溫為12～27 ℃時(shí)，TN去除率均高于單點(diǎn)進(jìn)水，且隨著水溫的升高，兩者的差距逐漸增大，從2.1百分點(diǎn)(12 ℃)的差距增加至19.3百分點(diǎn)(27 ℃)。

圖7 單、多點(diǎn)進(jìn)水方式下水溫對(duì)TN去除效果的影響Fig.7 Effect of water temperature on TN removal under single-influent and multiple-influent feed modes

與單點(diǎn)進(jìn)水相比，多點(diǎn)進(jìn)水方式能提高有機(jī)物的利用率。本試驗(yàn)中在缺氧池與變化池中增設(shè)了兩個(gè)進(jìn)水點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示該進(jìn)水方式提高了對(duì)TN的去除效果。多點(diǎn)進(jìn)水方式下，污水中碳源高效分配是一方面，回流液中內(nèi)碳源的開發(fā)再利用也不可忽視。由圖7可以看出，水溫對(duì)多點(diǎn)進(jìn)水方式下的脫氮效率的影響有別于單點(diǎn)進(jìn)水。結(jié)合2.3節(jié)的分析，多點(diǎn)進(jìn)水下COD去除率隨著水溫升高而逐漸降低，因而其中可用于變化池反硝化的碳源也多于單點(diǎn)進(jìn)水；此外，多點(diǎn)進(jìn)水中的進(jìn)水點(diǎn)之一是在變化池進(jìn)水，這最大程度減少了好氧池曝氣對(duì)有機(jī)物的氧化作用，呈現(xiàn)出變化池的反硝化速率隨著水溫升高而升高的趨勢(shì)。因此，從整體脫氮效能來看，多點(diǎn)進(jìn)水方式下水溫升高有利于TN的去除。

圖8 不同水溫下厭氧池、缺氧池、變化池內(nèi)的DO變化趨勢(shì)Fig.8 DO variation tendency of anaerobic,anoxic and after anoxic tanks under different water temperature conditions

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于單點(diǎn)進(jìn)水方式，水溫變化對(duì)COD和氨氮的出水效果影響較小，但反硝化進(jìn)程受進(jìn)水C/N和膜池回流液的影響，TN去除率隨著水溫升高逐漸降低，降低了7.3百分點(diǎn)。

(2) 對(duì)于多點(diǎn)進(jìn)水方式，隨著水溫的升高，受進(jìn)水COD季節(jié)性變化的影響，COD去除率略微降低，但TN去除率逐漸升高。由于多點(diǎn)進(jìn)水對(duì)進(jìn)水進(jìn)行了合理分配，TN去除率優(yōu)于單點(diǎn)進(jìn)水，且水溫越高，多點(diǎn)進(jìn)水的脫氮優(yōu)勢(shì)越明顯。

(3) 當(dāng)水溫較低時(shí)，多點(diǎn)進(jìn)水方式存在出水氨氮超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整進(jìn)水比例。

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EffectofwatertemperatureonperformanceofAAOA-MBRprocessoperatedunderdifferentfeedmodes

LIJie1,LUOFan1,2,YUXiang1,SUIJun3.

(1.GuangzhouMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,GuangzhouGuangdong510060;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090;3.GuangdongShouhuiLantianEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510060)

The actual operation data of single-influent and multiple-influent system in AAOA-membrane bioreactor (MBR) process were comparative analyzed based on a Kunming wastewater treatment plant. The treatment effect of water temperature on these two feed modes was explored. The results showed that the COD removal rates in single-influent and multiple-influent system both decreased with the increase of water temperature,while a bigger decrease of COD removal rate (up to 4 percent points) was found in multiple-influent system. When water temperature was below 18 ℃,the ammonia nitrogen removal rate of multiple-influent system was inferior to single-influent system and the exceeding risk of ammonia nitrogen amount existed in the effluent of multiple-influent system when water temperature was 12 ℃ during the test process. From the treatment effect of the system, the TN removal rate of multiple-influent system gradually increased with the water temperature rose due to reasonable distribution of carbon source in water. However,the single-influent system presented an opposite trend.

MBR; water temperature; feed mode; denitrification

李 捷，女，1972年生，博士，高級(jí)工程師，主要從事市政供水工藝技術(shù)、城鎮(zhèn)污水處理工藝技術(shù)、污水深度處理與再生利用工藝技術(shù)等研究。

*廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.2014B090904021)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.018

2016-10-18)