新型多级AO－MBR工艺在市政污水处理的应用

面对当前废水排放总量日益上升的趋势，要重点关注和研究污水脱氮除磷技术，针对当前脱氮除磷技术工艺流程复杂、能耗高、污泥产量大、氮磷去除不佳的问题，探索一种新型多级AO-MBR工艺在市政污水处理中的应用，采用生物法进行市政污水的脱氮除磷。 

1.1 生物脱氮除磷技术 

（1）厌氧氨氧化。该技术适用于低碳氮比难生化污水的处理，具体包括异化代谢过程和同化代谢过程。

（2）短程硝化反硝化。该技术适用于高氨氮废水的脱氮处理和低碳氮比污水的处理，能够通过控制溶解氧、污泥龄、PH值、游离亚硝酸浓度的方式，实现短程反硝化反应。

（3）全程自养脱氮工艺。

（4）反硝化除磷工艺。利用内碳源实现反硝化与除磷的同步应用，较好地节约碳源量和曝气量，减少一半的剩余污泥产量。 

1.2 膜生物反应器技术 

通过膜分离技术与污水处理技术相结合的方式，通过膜过滤的方式实现高效的固液分离，将依附于活性污泥上的微生物完全截留在反应器内，实现HRT和SRT的完全分离，适用于分散式污水的处理。然而该技术也存在一定的缺陷。随着目前污水处理厂提标改造的持续进行，可以选取MBR反应器，将MBR工艺与A2/O工艺、UCT工艺、多级AO工艺和SBR工艺等相耦合，较好地强化脱氮除磷效果，降低出水的浊度和色度[1]。 

2.1 原水水质分析及系统运行参数 

系统进水水质波动较大，进出水数据测定如表1。 

结合进水污染物浓度和相关参数，可以将系统分为五个阶段进行运行，相关运行参数变量有：流量（m3/h）、流量分配比、级数（AO）、碳氮比、SRT（d）。 

2.2 四级AO系统的脱氮除磷去除效果分析 

（1）对CODcr的去除效果分析。进水COD值波动范围较大，在11231-785.96mg/L之间，进水平均浓度为321.95mg/L，平均出水浓度为18.52mg/L，对COD的总体平均去除率为96.02%。主要是原水进入到厌氧池和缺氧池之中，可以利用大部分碳源强化脱氮除磷效果，少部分碳源进入好氧池中被分解，实现对碳源的充分合理利用。

（2）对氨氮的去除效果分析。进水氨氮的波动范围较大，在4.1-51.6mg/L之间，氨氮进水平均浓度为36mg/L，出水氨氮浓度为0.14-11.45mg/L，氨氮平均出水浓度为1.85mg/L，NH3-N的平均去除率为94.37%。主要是依靠好氧池中的硝化作用去除污水中的氨氮，并有效控制氨氮的出水浓度。

（3）碳氮比对总氮的去除效果分析。进水总氮浓度为10-60mg/L，出水总氮浓度在1.76-13.48mg/L之间。主要是采用四级四点进水方式，通过多级硝化工艺能够彻底地将氨氮转化为硝态氮，使各个缺氧池拥有充足的碳源。通过分析可知，当系统进水的碳氮比大于10时，能够有效地实现对污水中总氮的降解。

（4）碳磷比对总磷的去除效果分析。在系统除磷的过程中，主要考虑进水营养比、污泥龄、硝酸盐浓度等因素，为此要控制BOD5/TP值和硝酸盐的浓度。通常来说，当碳磷比（COD/TP）大于40-60时，能够保证充足的聚磷菌的供应，实现高效的除磷效果。 

2.3 三级AO系统中进水分配比的脱氮除磷效果分析 

（1）进水分配比改变对COD去除效果的分析。由于AO系统单点进水至厌氧池时对COD的去除率波动较大，因而可以采用三点进水的方式，使污水分别进入厌氧池、缺氧池1、缺氧池2，使COD去除率在85%以上，达到高效的COD去除效率。

（2）进水分配比改变对总氮的去除效果分析。当进水总氮平均浓度为23.92mg/L时，出水总氮浓度为2.95mg/L，对总氮的平均去除率达到85.98%，主要是由于三级三点进水方式能够为各级缺氧池中的反硝化过程提供足够的碳源，更加充分地进行反硝化反应，达到高效的总氮去除效果。

（3）进水分配比改变对总磷的去除效果分析。第三阶段的进水总磷平均浓度为2.44mg/L，出水总磷平均浓度为1.11mg/L，碳磷比为55.75，总磷去除效果不佳，仅为49.68%。主要是由于聚磷菌没有合成充足的PHB，缺乏后续的吸磷能力，导致出水总磷的浓度偏高。而在第四阶段进行适当调整，改变进水方式，使碳磷比达到146.2，能够使出水平均总磷浓度降至0.287mg/L，总磷去除率达到85.06%。　　

2.4 三级AO系统中SRT的脱氮除磷效果分析 

当系统采用三级三点进水方式时，具有更佳的脱氮除磷效果，有效改变生化系统的污泥龄，使之由之前的42d转变为21d，在缩短SRT之后的平均出水浓度为4.5mg/L，平均去除SRT的效率为80.97%，主要是由于反硝化菌缩短了污泥龄，无法富集反硝化细菌，致使脱氮效率下降。同时，SRT的改变对于总磷的去除效率也会发生影响，第五阶段平均出水浓度为0.1mg/L，平均去除率为95.96%，主要是通过缩短污泥龄的方式排出高磷污泥[2]。 

总体来看，COD的降解过程在好氧池和缺氧池之中，四级AO系统的COD最大降解速率为0.013kg/（kgMLSS·h），三级AO系统的COD最大降解速率为0.0095kg/（kgMLSS·h）。氨氮的降解反应主要在好氧池之中，其次发生在缺氧池内，能够高效去除污水中的氨氮，四级AO系统出水浓度为1.79mg/L，三级AO系统出水浓度为0.43mg/L，氨氮在1#好氧池的最大降解速率为0.001 kg/（kgMLSS·h）、在2#好氧池的最大降解速率为0.0005 kg/（kgMLSS·h），相较于传统的脱氮除磷工艺而言效果明显。另外，总氮的去除主要发生在缺氧池内，能够有效降低总氮的浓度，四级AO系统出水浓度为5.39mg/L，最大反硝化速率为0.0023 kgNO3-/（kgMLSS·h），三级AO系统出水浓度为3.18mg/L，最大反硝化速率为0.0009kgNO3-/（kgMLSS·h）。 

新型多级AO膜反应器系统沿程负荷分析内容如下：

（1）系统对COD去除的沿程负荷分析。表现为四级AO生化段与三级AO生化段的改变，四级AO生化段运行期间的进水平均浓度为472.5mg/L，三级AO生化段的进水平均浓度为403.4mg/L，当污水进入生化段的厌氧池中，COD浓度下降的幅度最大，其中：四级AO生化段的COD浓度下降至221.5mg/L，三级AO生化段的COD浓度下降至232.6mg/L。主要是由于污水分段进入缺氧池后，高浓度COD污水与反应器中的活性污泥充分混合，使大部分的COD在好氧池中得以降解，并流入沉淀池中，可以通过生化系统的总水力停留时间及各池水力时间，计算出相应生化段的COD降解速率。相较而言，四级AO系统的COD最大降解速率为0.013kg/（kgMLSS·h），三级AO系统的COD最大降解速率为0.0095kg/（kgMLSS·h），对比可知，四级AO系统的污泥负荷大于三级AO系统。

（2）系统对氨氮去除的沿程负荷分析。四级AO生化段对污水稀释之后，由32.07mg/L降至18.85mg/L。三级AO生化段对污水稀释之后，由19.34mg/L降至10.2mg/L。其降解反应主要在好氧池中，通过若干段的好氧池，使污水中的氨氮得到高效去除，使出水氨氮浓度降至0.43mg/L。

（3）系统对总氮去除的沿程负荷分析。四级AO生化段和三级AO生化段沿程总氮去除大多发生在缺氧池中，四级AO生化段的出水总氮浓度为5.39mg/L，三级AO生化段的出水总氮浓度为3.18mg/L[3]。 

综上所述，新型多级AO-MBR工艺在市政污水处理中的应用是重要研究课题，通过实验分析可知，新型多级AO-MBR工艺的污水处理效果良好，对COD和氨氮的平均去除率分别为96.02%、94.37%，对总氮的去除率达到91.76%，并在高碳氮比进水的条件下，当碳磷比低于40时，可以通过添加化学除磷程序或添加排泥量的方式，提高污水中磷的去除效率。后续还要引入成熟高效的分子生物学分析技术，研究各单元的动力学特征，并进一步研究NO3-、NO2-的沿程分析，如：短程反硝化、反硝化除磷等，并充分考虑系统运行中水力停留时间、污泥回流比等工艺参数的影响。