AAO-MBR工藝將AAO工藝中的二沉池用MBR池替代，具有占地小、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但存在運(yùn)行管理難度大、碳排放量高及生物除磷效果不佳等問題。近年來，學(xué)者們通過應(yīng)用活性污泥數(shù)學(xué)模型成功實(shí)現(xiàn)了MBR強(qiáng)化生物除磷過程的仿真，并將其應(yīng)用到對AAO-MBR工藝的運(yùn)行優(yōu)化中。筆者以武漢市某污水處理廠AAO-MBR工藝為研究對象，針對該工藝生物除磷效果不佳的現(xiàn)狀，基于BioWin6.0建立AAO-MBR工藝模型，并根據(jù)STOWA協(xié)議校準(zhǔn)模型，對好氧區(qū)溶解氧（DO）濃度、系統(tǒng)排泥量、各級回流量等不同工況分別進(jìn)行模擬優(yōu)化，以期獲得生物除磷的最佳運(yùn)行參數(shù)，提升污水處理效果。
1、項(xiàng)目概況
武漢市某污水處理廠采用AAO-MBR工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為20×104m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。生物池設(shè)2座，每座分兩組，單組生物池的處理水量為5×104m3/d。厭氧池、缺氧池、好氧池和膜池的水力停留時(shí)間（HRT）分別為1.38、3.01、4.10和1.33h。與傳統(tǒng)AAO+二沉池工藝采用污泥和混合液分別回流的方式不同，AAO-MBR工藝采用由膜池到好氧池、再由好氧池到缺氧池，最后由缺氧池到厭氧池的混合液逐級回流方式，具體見圖1。
該污水廠進(jìn)水COD、BOD5、TN、氨氮、TP、TSS分別為63~260（127）、24~126（59）、8.1~28.4（18）、4~24（14.68）、1.12~7.94（2.12）、44~288（123）mg/L（括號內(nèi)為均值），進(jìn)水pH為6.84~7.49、均值為7.15，進(jìn)水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP分別在0.4~0.6、2~5、20~40之間。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，進(jìn)水屬于較易生物降解的污水，雖然BOD5/TN低于3的占比為39%，對冬季生物脫氮影響較大，但BOD5/TP均值為28.93，表明進(jìn)水具有較好的生物除磷基礎(chǔ)。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)整體生物除磷效率較低，主要依靠化學(xué)除磷控制出水TP濃度。
2、模型構(gòu)建
2.1 模型構(gòu)建
對生物池各段的DO濃度進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，膜池DO均值為6mg/L，好氧池DO均值為2mg/L，好氧池回流至缺氧池過渡廊道（缺氧池4）的DO均值為0.7mg/L，其余構(gòu)筑物的DO均為0mg/L。按DO濃度及循環(huán)控制將生物池進(jìn)行細(xì)分，各部分尺寸及DO濃度設(shè)置如表1所示。
采用BioWin6.0建立污水處理廠全流程水質(zhì)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。
2.2 進(jìn)水水質(zhì)表征
對10種進(jìn)水水質(zhì)組分，即快速降解型COD（Fbs）、乙酸（Fac）、溶解態(tài)不可生物降解型COD（Fus）、顆粒狀不可生物降解型COD（Fup）、氨（Fna）、顆粒態(tài)有機(jī)氮（Fnox）、溶解性不可生物降解型凱氏氮（Fnus）、顆粒狀不可生物降解型COD中氮（FupN）、磷酸鹽（Fpo4）和顆粒狀不可生物降解型COD中磷（FupP），進(jìn)行多次檢測，根據(jù)平均值對污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行表征，設(shè)定相關(guān)模型參數(shù)如表2所示（TCOD表示總COD，TKN表示總凱氏氮，KN表示凱氏氮，ON表示有機(jī)氮）。
2.3 模型校準(zhǔn)及驗(yàn)證
進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)采用2020年—2021年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，污泥排放量按787m3/d設(shè)置，PAC投加量按月平均投加量設(shè)置。采用2020年出水水質(zhì)數(shù)據(jù)作為模型校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用2021年出水水質(zhì)數(shù)據(jù)作為模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)。采用納什效率系數(shù)（NSE）和相對平均偏差（RMD）表征模型質(zhì)量，調(diào)參前后模型動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果對比見表3。所有出水水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測值與模擬值的相對誤差均在20%以內(nèi)，且納什效率系數(shù)大于-5，說明模型預(yù)測準(zhǔn)確度較高。
2.4 AAO-MBR工藝生物除磷模擬
采用校準(zhǔn)與驗(yàn)證后的模型，模擬AAO-MBR工藝在不投加化學(xué)藥劑時(shí)的出水TP濃度，實(shí)測值與模擬值如圖3所示。可知，出水TP濃度模擬值略低于實(shí)測值，這可能是因?yàn)闅埩粼谏锍刂械匿X鹽和鐵鹽對生物除磷有抑制作用，但總體誤差較小，表明模型對AAO-MBR工藝生物除磷具有良好的預(yù)測性。
曹斌等人研究表明，AAO-MBR工藝的生物除磷率最高可達(dá)到88.4%。根據(jù)圖3數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平均生物除磷率僅為42%，對比之下生物除磷率較低。與該污水廠A/O工藝相比，AAO-MBR工藝的實(shí)際投藥量也明顯偏大。
3、生物除磷優(yōu)化模擬
在污水處理中，溫度、碳源、污泥齡等因素對生物除磷過程影響較大，生產(chǎn)運(yùn)行過程中可通過控制曝氣強(qiáng)度、調(diào)整剩余污泥排放量和混合液回流量等措施改善工藝的生物除磷效果。
3.1 整體降低好氧區(qū)DO控制值
溶解氧在好氧階段作為聚磷菌（PAOs）的電子受體參與好氧吸磷過程，主要影響PAOs細(xì)胞內(nèi)聚磷的生成速率。充足的溶解氧有利于PAOs在好氧段超量吸磷，但是過量曝氣會(huì)導(dǎo)致PAOs細(xì)胞內(nèi)的聚羥基丁酸酯（PHB）消耗過快，使得PAOs生長緩慢，在與聚糖菌（GAOs）的競爭中失去優(yōu)勢。在AAO-MBR工藝中，膜池由于需要過量曝氣維持膜通量，DO濃度通常較高。優(yōu)化中將好氧區(qū)的DO濃度分別設(shè)置為6、5、4、3、2、1、0.5、0.25、0.1、0.05和0.01mg/L，分別對應(yīng)GP-1~GP-11共11種工況。以2020年全年進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)模擬的輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算各工況下全年出水TP及氨氮平均值，模擬結(jié)果如圖4所示。當(dāng)DO>2mg/L時(shí)，DO控制值的減少對出水水質(zhì)影響較小；當(dāng)DO從2mg/L降至0.5mg/L時(shí)，出水TP平均值隨著DO的減少而呈下降趨勢；當(dāng)DO降至0.5mg/L以下時(shí)，出水TP平均值迅速下降。出水TP平均值下降的同時(shí)，由于硝化不充分，出水硝態(tài)氮平均值大幅下降，而氨氮平均值大幅上升。當(dāng)DO降至0.5mg/L時(shí)，出水TP平均值從1.26mg/L降至1.24mg/L，降低了1.58%，此時(shí)剛剛能夠滿足出水氨氮全年達(dá)標(biāo)。
3.2 分段控制好氧區(qū)DO濃度
如果將該AAO-MBR工藝中的MBR池視作好氧區(qū)，則厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)的HRT分別為1.38、3.01和5.43h，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對AAO工藝水力停留時(shí)間的規(guī)定。但研究發(fā)現(xiàn)，在某些污水處理廠的AAO工藝中，減少好氧區(qū)域、增加缺氧和厭氧停留時(shí)間，有助于出水氮、磷濃度的降低。朱星等人也發(fā)現(xiàn)，延長缺氧區(qū)水力停留時(shí)間可以提高倒置AAO-MBR工藝的脫氮除磷效果。因此，考慮通過控制好氧區(qū)6條廊道的曝氣管閥門，并在廊道中設(shè)置推流器，來控制好氧區(qū)廊道的DO濃度，以優(yōu)化工藝運(yùn)行。按照廊道的實(shí)際尺寸對模型進(jìn)行重新建模，具體如圖5所示。
模擬中，處于曝氣狀態(tài)的好氧池DO設(shè)置為2mg/L，處于不曝氣狀態(tài)的好氧池DO設(shè)置為0mg/L，如圖6所示，設(shè)置GPG-1~GPG-64共64種工況，其中GPG-64為6條廊道均曝氣，即現(xiàn)狀工況。對這64種工況分別進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。可以看出，隨著關(guān)閉曝氣的生物池?cái)?shù)量增加，出水TP平均值呈下降趨勢，但全年的氨氮達(dá)標(biāo)率也逐漸下降。GPG-43~GPG-64這22種工況2020年全年出水氨氮的達(dá)標(biāo)率均可以達(dá)到100%。其中，GPG-43工況的不投藥出水TP平均值最低為1.01mg/L，相比現(xiàn)狀工況降低了19.8%，但出水氨氮平均值相比現(xiàn)狀工況升高了150%。
3.3 調(diào)整排泥量
生物除磷系統(tǒng)排出的剩余污泥量會(huì)影響污泥齡，研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器的污泥齡越長，活性污泥的最大釋磷和吸磷速率、消耗單位乙酸所釋放的磷酸鹽量以及污泥含磷量就越小。現(xiàn)狀工藝條件下，污水處理廠2020年全年日均污泥排放量為787m3/d，污泥齡為11.13d，排泥泵最大排泥量為1200m3/d，因此設(shè)置排泥量為100~1200m3/d的GS-1~GS-12共12種不同工況，對應(yīng)不同的污泥齡、排泥質(zhì)量和模擬出水水質(zhì)結(jié)果，具體如表4所示。可知，隨著排泥量逐漸增大，排出系統(tǒng)的富磷污泥也相應(yīng)增加，系統(tǒng)污泥齡下降。模擬結(jié)果表明，隨著排泥量逐漸增大，不投藥出水TP平均值逐漸減小，GS-12為最佳工況，此時(shí)出水TP平均值為1.14mg/L，相比現(xiàn)狀工況降低了9.5%，此時(shí)系統(tǒng)污泥齡為7.32d，在文獻(xiàn)通常認(rèn)為的合理控制范圍下限。但是排泥量增大會(huì)導(dǎo)致生物池的MLSS降低，同時(shí)縮短了污泥齡，從而降低了硝化菌和反硝化菌的數(shù)量。模擬結(jié)果顯示，增大排泥量會(huì)導(dǎo)致出水氨氮濃度升高，但仍能保證全年達(dá)標(biāo)。
3.4 調(diào)整回流量
該AAO-MBR工藝無單獨(dú)的污泥回流，僅有混合液逐級回流方式。減少好氧池至缺氧池的回流量，可以減少硝態(tài)氮的回流，為前端厭氧釋磷提供環(huán)境基礎(chǔ)。同時(shí)混合液回流還會(huì)對與生物除磷有競爭關(guān)系的生物脫氮造成影響，從而間接影響生物除磷。該工藝中，膜池至好氧池（M-O）設(shè)置了4臺穿墻泵（單臺Q=85680m3/d，3用1備），現(xiàn)狀運(yùn)行僅開啟1臺；好氧池至缺氧池（O-A）設(shè)置了3臺穿墻泵，缺氧池至厭氧池（A-A）設(shè)置了2臺穿墻泵，標(biāo)稱流量均為100008m3/d，現(xiàn)狀運(yùn)行分別開啟2臺和1臺。根據(jù)每級回流開啟的泵數(shù)量，共設(shè)置24種不同的硝化液回流工況，具體如表5所示。這24種工況的模擬結(jié)果如圖8所示。可知，在不同回流工況下，模型預(yù)測的出水TP平均值在1.24~1.31mg/L之間小范圍波動(dòng)。其中，GN-23工況（每一級回流泵均只開啟1臺）出水TP平均值最低為1.247mg/L，比現(xiàn)狀工況GN-21的出水TP平均值低1.0%，而出水總氮平均值僅上升了2.3%。模擬結(jié)果表明，雖然各工況的出水總氮與氨氮達(dá)標(biāo)率均能達(dá)到100%，但回流量的調(diào)整對提高生化除磷效果并不顯著，從節(jié)能角度出發(fā)，維持最低回流量即可。
3.5 根據(jù)水溫調(diào)整工藝參數(shù)
生物除磷與脫氮存在對碳源的競爭，研究表明，當(dāng)水溫控制在20℃以下時(shí)，PAOs增殖速度最快，有利于生物除磷；隨著水溫從5℃上升到25℃時(shí)，PAOs的聚磷能力呈下降趨勢；當(dāng)水溫從20℃上升到35℃時(shí)，強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌群會(huì)由PAOs轉(zhuǎn)化為GAOs，生物除磷效果下降；而當(dāng)水溫介于21~33.2℃時(shí)，缺氧池的反硝化率穩(wěn)定在36%~40%，遠(yuǎn)高于水溫為12.5~20℃時(shí)的12.1%。該AAO-MBR工藝的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)水溫>20℃時(shí)生物脫氮效果更好，而當(dāng)水溫<20℃時(shí)生物除磷效果更好，具體如圖9所示。
為了保證出水氨氮達(dá)標(biāo)的前提下提高系統(tǒng)生物除磷效率，按照進(jìn)水溫度是否大于20℃進(jìn)行分時(shí)段調(diào)控。低溫時(shí)段，維持現(xiàn)狀工況，以確保脫氮效果。當(dāng)水溫>20℃時(shí)，針對DO、污泥排放量和混合液回流量3個(gè)不同因素進(jìn)行工況的排列組合，模擬共計(jì)64×12×24=18432種工況，選擇全年出水氨氮和總氮達(dá)標(biāo)時(shí)生物除磷效果最佳的組合工況。結(jié)果表明，GPG18+GS7+GN23為生物除磷率最高的組合工況，即關(guān)閉好氧區(qū)的第1、2、4、6廊道曝氣，排泥量設(shè)置為700m3/d，污泥回流泵開啟臺數(shù)為1、1、1。好氧區(qū)的曝氣關(guān)閉，形成了好氧-缺氧的間隔，有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)降低了回流液中的硝態(tài)氮濃度，有利于厭氧釋磷。不投藥情況下，出水TP平均值從1.26mg/L降至0.89mg/L，生物除磷率從42%提高至59%。
4、結(jié)論與建議
①按水溫分時(shí)段調(diào)整污水處理廠運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)水溫在20℃以上時(shí)，關(guān)閉好氧區(qū)的第1、2、4、6廊道曝氣，排泥量設(shè)置為700m3/d，各級污泥回流泵開啟臺數(shù)均為1；當(dāng)水溫在20℃以下時(shí)，維持現(xiàn)狀工況。在此優(yōu)化策略下，AAO-MBR工藝的生物除磷率從42%提高至59%。
②在AAO-MBR工藝中，可適當(dāng)降低好氧池的HRT，提高缺氧池的HRT，同時(shí)設(shè)置曝氣頭和推流攪拌器實(shí)現(xiàn)部分區(qū)域的靈活曝氣。（來源：華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢市生態(tài)環(huán)境科技中心）
