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)境技術有限公司， 廣東 惠州 516007；2.惠州水務集團碧源環(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。 活性污泥法工藝簡單， 操作簡便； 生物膜法耐沖擊負荷能力強， 處理效率高。 但兩者均存在氧利用率低， 能耗高等缺點［1］。近年來， 新興的膜曝氣生物膜反應器（MABR）工藝結合活性污泥法與生物膜法工藝特點， 以其高效脫氮， 低耗曝氣， 節(jié)能降耗等優(yōu)勢， 逐步在污水處理行業(yè)受到關注［2］。 該工藝最大的特點是硝化與反硝化過程在同一反應器內同步發(fā)生， 反硝化產生的堿度可同時補償硝化反應消耗的堿度， 因此， 該工藝在低碳氮比污水處理方面具有優(yōu)勢［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， 是高分子薄膜經加速器重離子束流輻照后再經化學蝕刻處理制備出的一種優(yōu)質微孔膜。 重離子微孔膜采用內外復合無紡布作為支撐層， 通過螺旋卷焊而成管式膜管。 若干管式膜管經組合裝配成重離子微孔膜曝氣生物膜反應器（IMABR）組件， 作為IMABR 工藝的核心設備。 現以AAO－IMABR 耦合工藝在某低碳氮比市政污水處理站的應用情況為例， 對其處理工藝、設計參數以及運行效果等進行探討， 以供同類市政污水處理工程項目參考。

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)街管網收集的市政污水。 設計處理規(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， 設計出水水質執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中的一級B 排放標準。 根據當地水污染攻堅工作要求， 2022 年底， 污水處理站采用AAO－IMABR 耦合工藝進行提標改造，設計出水水質提升至GB 18918—2002 一級A 排放標準及廣東省地方標準DB44／ 26—2001《水污染排放限值》第二時段一級標準中的較嚴值。

2 設計規(guī)模及進出水水質

污水處理站提標改造工程未涉及處理能力變化， 設計處理規(guī)模保持2 000 m3／d 不變， 設計進出水水質如表1 所示。

表1 進水水質與出水標準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

管網收集的市政污水經粗格柵截留大塊懸浮和漂浮的垃圾后， 提升進入細格柵進一步截留小粒徑垃圾及軟性雜物， 再經沉砂池進一步去除比重較大的砂粒后進入生化池。 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物質， 并以生物聚合物的形式（主要是PHA 和糖原）貯存于細胞內。這一代謝過程所需的能量主要來自其細胞內貯存的高能分子聚磷酸鹽， 厭氧狀態(tài)下合成PHA 的同時伴隨著正磷酸鹽的釋放［6］。 隨后， 污水進入到IMABR 池， 該池為缺氧環(huán)境， 設有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制， 生物膜會產生明顯的分層。 該生物膜可大致分為3 個功能層， 即好氧層、 缺氧層、 厭氧層， 這就意味著在IMABR 中會有同步硝化反硝化（SND）作用發(fā)生［7－8］。 IMABR 池出水進入好氧池， 在此完成硝化反應以及聚磷菌的過量吸磷， 水中的有機物被活性污泥氧化分解， 并部分轉化為新的微生物菌膠團［9］。硝化液通過內回流泵回流到IMABR 池前端， 另一部分進入二沉池進行泥水分離。 二沉池上清液進入混凝池， 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］， 進一步降低水中SS和TP 濃度， 上清液經次氯酸鈉接觸消毒后， 經明渠計量達標排放。

生化系統(tǒng)產生的剩余污泥從二沉池排放， 經剩余污泥泵抽送到儲泥池， 由污泥螺桿泵送入板框壓濾機脫水， 污泥經板框壓濾機脫水至含水率60%左右， 泥餅外運處置。

4 主要處理單元及設計參數

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

（2） 細格柵及沉砂池。 細格柵為水力格柵， 設置于沉砂池上方， 設備尺寸為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， 鋼筋混凝土結構， 池底錐形， 設置吸砂泵1臺， Q ＝15 m3／h， H ＝5.0 m， N ＝1.1 kW。

（3） 生化反應池。 鋼筋混凝土結構， 設計污泥濃度為3 000 mg／L， 污泥負荷為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量濃度分別不超過0.2 mg／L、不超過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。厭氧池設置潛水攪拌器1 臺， N ＝0.55 W， 葉輪直徑為260 mm。 IMABR 池設置潛水攪拌器4 臺， N ＝0.75 kW， 葉輪直徑為260 mm； 浸沒式IMABR 膜組共6 套， 膜組尺寸為1 200 mm×1 200 mm×1 250 mm， 外框為不銹鋼框架， 主體由重離子微孔管式膜組成， 單套膜組共6 380 根膜管， 單根膜管有效長度為1.0 m， 外徑為6 mm， 壁厚0.5 mm， 材質為PET； 膜組單位面積理論充氧能力為0.6 ～1.5 kg／（h·m2）， 單個IMABR 膜組件膜面積約為120 m2， 單個膜組供氣量為2 ～5 m3／h。 好氧池內設置φ260 mm 盤式曝氣器216 套， 硝化液回流泵1臺， Q ＝250 m3／h， H ＝0.7 m， N ＝3.7 kW， 變頻控制。 羅茨風機共2 臺， 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， 鋼筋混凝土結構， 1 池2 格， 單格尺寸為6.0 m×4.0 m×3.8 m，表面水力負荷為1.75 m3／（m2·h）。 斜管采用HDPE材質， 蜂窩狀， 高度為0.9 m， 共21.6 m2。 設置污泥回流泵1 臺， Q ＝85 m3／h， H ＝6.0 m， N ＝1.5 kW， 變頻控制。

（5） 混凝池。 鋼筋混凝土結構， 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， 設置機械攪拌機1 臺， 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。 鋼筋混凝土結構， 尺寸為12.0 m × 3.0 m × 3.8 m， 表面水力負荷為2.33 m3／（m2·h）。 斜管采用HDPE 材質， 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， 鋼筋混凝土結構， 池內設有折流擋墻， 設置隔膜計量加藥泵1 臺， 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， 鋼筋混凝土結構， 內設巴氏計量槽。

5 工程設計特點

（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 池內同步硝化反硝化功能的實現， 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， 降低硝化液內回流比， 進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)， 可進一步降低出水TP 與SS 濃度， 作為出水水質穩(wěn)定達標的保障。

6 運行效果

2023 年1 月初， 污水處理站提標改造完工并通水調試運行。 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現。 通過工藝調控， 生化池內污泥濃度為2 500 ～2 800 mg／L，好氧池溶解氧質量濃度為1.5 ～2.5 mg／L， 內回流比為150%， 外回流為比為50%。 4 月份起， 按設計水量90% 左右運行， 出水水質穩(wěn)定達到設計指標。 2023 年5 月11 日， 通過提標改造工程竣工環(huán)境保護驗收， 自此進入穩(wěn)定達標運營階段。

4 月17 日～30 日， 污水處理站進水、 IMABR池出水及總出水水質主要指標監(jiān)測數據平均值如表2 所示。 AAO－IMABR 耦合工藝不僅實現系統(tǒng)出水穩(wěn)定達標， 而且TN 去除效果遠超常規(guī)AAO 工藝理論脫氮效率， 其中NH3－N 與TN 總去除率分別高達99.8%和80%。

表2 實際進出水水質平均值Tab.2 Average values of actual influent and effluent water qualitymg·L－1

7 投資及運行成本

污水處理站提標改造工程總投資約為250 萬元。 采用AAO－IMABR 耦合工藝按設計負荷90%（1 800 m3／d）運行， 其噸水直接運行成本約為0.646元／t， 其中電費、 藥劑費、 自來水費、 污泥處置費和維護維修費分別為0.238 0、 0.227 5、 0.007 5、0.097 0 和0.076 0 元／t。

8 結語

（1） 針對市政污水COD 濃度低， NH3－N 與TN濃度相對較高， 碳氮比嚴重失衡的水質特點， 采用AAO 耦合IMABR 工藝對原處理工藝進行提標改造。 改造后的運行實踐表明， 該工藝不僅能滿足設計出水水質要求， 而且運行成本較低， 是適合該污水處理站進出水質要求的處理工藝。

（2） 該工程的成功實施， 表明IMABR 工藝適合處理南方低碳氮比市政生活污水， 為IMABR 工藝在萬噸級以上處理規(guī)模水廠的推廣應用打下了堅實的基礎； 同時， 該工藝的同步硝化反硝化功能的實現途徑與控制條件， 還需進一步摸索與掌握。