A²/O-MBR复合工艺具有污泥浓度高、出水水质好、节省占地等优点,近年来,在我国高排放标准城市污水处理厂中的工程应用越来越多,并且随着地下式污水处理厂的兴起,其已经成为地下式污水处理厂的主流工艺,但运行实践表明,A²/O-MBR复合工艺城市污水处理厂同时也普遍存在运行能耗过高和精细化管理水平不高的实际问题^[[2] 。并且目前国内关于A²/O-MBR工艺城镇污水处理厂的能耗特征与精细化管理的相关研究较少。因此,对当前A²/O-MBR工艺污水处理厂开展能耗特征和精细化管理措施研究对其稳定达标和节能降耗具有重要的现实意义。基于此,本文以滇池流域某典型A²/O-MBR工艺城市污水处理厂为例,依托该厂能耗监测平台,从日单位水量电耗分布、能耗结构和单元能耗方面对其能耗特征进行了分析,并结合生产运行实际对其优化运行措施进行了研究,以期对我国高排放标准城镇污水处理厂的工程设计和运行管理提供参考和借鉴。

　　 某污水处理厂位于滇池流域,设计规模为6万m³/d,原采用ICEAS工艺,一级A提标改造工程因用地限制采用A²/O-MBR工艺(工艺流程见图1),现状生物池及膜池在原生物池基础上分隔而成,分南北两侧共12个系列对称分布,总设计水力停留时间为17.14h,其中厌氧池为1.98h、缺氧池为4.61h、好氧池1为2.87h、好氧池2为2.87h、变化池为2.87h、膜池为1.94h。变化池内设有搅拌器和曝气系统,根据进水水质按好氧池或缺氧池运行。每个膜池内设置7个膜组器,共84个膜组器,膜型式为帘式中空纤维膜,膜孔径为0.4μm。生物池及膜池设计MLSS分别为7g/L和8g/L。设计工艺除磷方式采用生物除磷和化学辅助除磷相结合,化学除磷加药点设置在预处理单元出水渠处。改造工程于2010年9月投入运行,运行至今,工程运行效果良好,出水水质可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准。生物池及膜池主要设备配置情况见表1。

　　 单位水量电耗是能耗特征的重要方面,是反映城镇污水处理厂总体能耗水平的重要指标。对于该A²/O工艺污水处理厂,投入运行后的前3年(即2011~2013年)单位水量电耗分别为0.606kW·h/m³、0.584kW·h/m³、0.580kW·h/m³,其能耗水平和当前国内其他A²/O-MBR工艺城镇污水处理厂能耗水平基本相当^[4] 。因此,为分析当前A²/O-MBR工艺城镇污水处理厂的单位水量电耗特征,以2013年度该厂全年的日单位水量电耗数据为基础,基于累积频率曲线,对该厂全年日单位水量电耗的分布特征进行了分析,结果见图2。

　　 由图2可见,单位水量电耗的最小值和最大值分别为0.489kW·h/m³和0.845kW·h/m³,单位水量电耗在0.550 kW·h/m³以下的累积频率为7.2%,单位水量电耗在0.550~0.650kW·h/m³的累积频率为83.66%,单位水量电耗在0.650kW·h/m³以上的累积频率为9.14%,说明2013年全年日单位水量电耗主要处于0.550~0.650kW·h/m³,即2013年全年中共301日的单位水量电耗处于0.550~0.650kW·h/m³区间范围内。

　　 能耗结构是能耗特征的重要方面,可用于主要能耗节点的识别,是城镇污水处理厂开展节能降耗工作的基础。通常能耗结构分析方法是以单元设备额定功率和工作时间为基础,由于设备实际运行功率和额定功率之间的差别,能耗结构分析结果具有一定的误差,而本文能耗结构分析是基于能耗监测平台的实际能耗数据,能反映污水处理厂实际能耗分布情况。

　　 基于精细化管理,该厂在国内率先建立了污水处理厂能耗监测平台,其可实现能耗的分区计量。结合工艺实际,将全厂划分为7个能耗单元,分别为预处理单元、生物池单元、膜池单元、臭氧消毒单元、污泥脱水单元、水回用单元、其他用电单元,其中预处理单元设备包括进水泵等;生物池单元设备包括厌氧、缺氧池搅拌器、好氧池鼓风机、三级回流系统回流泵等;膜池单元设备包括膜池鼓风机、产水泵等;臭氧消毒单元设备包括臭氧发生器等;水回用单元设备包括水回用泵;污泥脱水单元设备包括离心脱水机等;其他用电单元包括办公楼用电及厂区照明。基于能耗监测平台的该厂2013年单元能耗及能耗结构分析见表2。

　　 由表2可见,对于典型A²/O-MBR工艺某污水处理厂,膜池单元是最大的能耗单元,其次为生物池单元,两者能耗占比高达80.3%,在一定程度上说明现行A²/O-MBR工艺污水处理厂的节能降耗应主要针对膜池单元和生物池单元。

　　 与能耗结构相比,单元单位水量电耗更能反映城镇污水处理厂单耗的分布特征,因此,结合2013年该厂平均单位水量电耗以及能耗结构分析,对该厂2013年的单元单位水量电耗进行了进一步分析,结果见表3。

　　 由表3可见,除膜池单元之外的其他6个能耗单元的总单位水量电耗为0.331kW·h/m³,其中包括A²/O-MBR工艺三级回流系统电耗以及臭氧消毒电耗,再结合当前A²/O工艺污水处理厂的能耗水平^[5] ,说明该厂2013年除膜池单元之外的其他能耗单元的总单耗较低,而膜池单元单位水量电耗为0.249kW·h/m³,并且膜池单元电耗主要来自膜擦洗鼓风机,因此,分析认为该污水处理厂的膜擦洗鼓风机可能存在一定的节能潜力。

　　 由该厂能耗特征分析表明,膜单元是该厂的主要能耗单元,膜擦洗鼓风机是该厂可能存在能耗浪费的主要能耗节点。并且据研究^[3] ,MBR工艺的膜池DO浓度宜大于2.5mg/L,而且不同类型膜对膜擦洗曝气强度要求不同,但实际运行中我国大多MBR工艺膜池DO浓度一般均在5mg/L以上,甚至达到8~10mg/L,结合该厂2013年度生产运行实际,其膜池DO浓度平均为6.28mg/L。因此,基于膜池的节能降耗,2014年初,该厂以其中一个系列的膜池为研究对象进行了探索性生产性试验研究,主要采取措施是通过调节该系列膜池的供气量,将其DO浓度由原来的6.28mg/L降低至4mg/L左右,单个系列膜池生产性试验研究表明,采取降低膜擦洗曝气强度措施后,7日(膜维护性化学清洗周期)内其跨膜压差变化和对照系列相比基本一致,并未出现膜污染速度加快的现象,说明运行以来该厂膜池确实存在曝气过度的问题。

　　 基于单个系列膜池探索性生产性试验研究结果,2014年1月,对全厂12个系列的膜池的曝气强度均进行了优化,优化运行措施即通过调整膜池鼓风机的运行台数和运行频率将膜池DO浓度尽量控制在4mg/L左右,运行实践表明,膜池曝气强度优化措施的节能效果显著(见图3),与优化前的2013年相比,2014年该厂膜单元单耗平均下降0.091kW·h/m³,年均下降39.7%,并且1~12月膜单元单耗均出现下降,其中10月份下降比例最大,达51.9%,7月份下降比例最小,为16.3%。

　　 由于各种原因,我国大多数城镇污水处理厂均存在设计进水水质和实际进水水质差异较大的问题,进而导致好氧池池容利用率较低和好氧池曝气能耗浪费。该厂也存在此问题,以2013年该厂年均进水水质为例,对进水主要水质指标的设计浓度和实际浓度进行了对比,结果见表4。

　　 基于该厂实际进水水质和设计进水水质差距较大,2013年实际进水NH₃-N为设计进水NH₃-N的65.4%,结合该厂工艺运行实际,初步分析认为该厂好氧池可能存在容积过大和曝气能耗浪费的运行问题,并进一步对好氧池各段及其相关单元进行了生产性测试,发现硝化反应在好氧池1内基本完成,好氧池2内基本未发生硝化反应,说明现状好氧池池容利用率不超过50%,也就是说,现状好氧池至少有一半池容可以按缺氧池运行以强化脱氮,并且同时还可以实现降低曝气能耗的目的。

　　 对于该厂A²/O-MBR工艺,由于投运以来变化池一直按缺氧池模式运行,并且硝化液设计由变化池回流至缺氧池,从理论上来说,按缺氧池模式运行的变化池应该具有一定的内源反硝化强化脱氮功能^[1] ,并且由于硝化液回流点的优化可以消除硝化液携带DO对缺氧池反硝化的不利影响而实现强化缺氧池脱氮^[6] ,但基于工艺的精细化管理,对变化池及其相关单元工艺诊断发现:①变化池虽然按缺氧模式运行,但实测其DO浓度高达1.5 mg/L,并未实现真正的缺氧环境,根本不具备预期的内源反硝化强化脱氮功能;②虽然硝化液由变化池回流至缺氧池,但由于变化池并非缺氧池,致使硝化液回流点优化并未达到预期强化脱氮目的;③好氧池1和好氧池2的DO浓度较高,分别为3mg/L和2.6mg/L。

　　 针对上述变化池存在的运行问题,为提出切实有效的针对性解决措施,结合工艺运行实际,对变化池并未实现缺氧环境的原因进行了进一步研究,分析认为原因有4点:①变化池设计HRT偏小,低于一般A²/O-MBR工艺中后置缺氧池的设计HRT(5h)^[4] ;②300%的硝化液由变化池回流至缺氧池会进一步加剧变化池设计池容不足的问题;③长泥龄下(约50d)较低的污泥内源耗氧速率导致变化池消氧能力较差;④好氧池2的DO浓度较高,超过了现状运行条件下后续变化池的实际消氧能力(1.1mg/L的DO去除量)。

　　 基于上述好氧池池容利用率及变化池虽为缺氧型但并不“缺氧”原因分析,为强化工艺脱氮和降低好氧池曝气能耗,该厂针对生物池提出了调整好氧池池容的优化运行措施,并于2014年4月份开始工程实施,具体措施是:①停止好氧池2的曝气并增设4kW搅拌器,按缺氧池运行,以增加好氧池之后的后置缺氧池容积,即其设计HRT由原来的2.87h增加至5.74h;②优化好氧池1的DO控制,将其DO浓度由优化前的3mg/L尽量控制在1~1.5mg/L,以减小后置缺氧池的DO负荷并降低曝气能耗。运行实践表明,调整好氧池池容强化工艺脱氮的优化运行措施的强化脱氮效果较好(见图4),与优化前2013年同期相比,优化后2014年工艺系统平均脱氮效率由66%提高到79%,平均提高13%,但优化后同时降低好氧池曝气能耗的目的并未实现,主要原因在于优化前好氧池鼓风机(运行1台)的运行频率已经接近最低临界频率,不具备进一步节能的条件。

　　 (1)对于当前典型A²/O-MBR工艺的某城市污水处理厂,年平均单位水量电耗为0.580kW·h/m³,日单位水量电耗主要集中于0.550~0.650kW·h/m³,其累积频率为83.66%,并且膜单元的能耗占比高达43.0%,是主要能耗单元和节能单元。

　　 (2)优化膜池擦洗曝气强度降低膜单元能耗的精细化管理措施具有显著的节能效果,通过采取将膜池DO尽量控制在4 mg/L左右的优化运行措施,与优化前相比,优化后膜单元单耗年平均降低0.091kW·h/m³,年均下降39.7%。

　　 (3)调整好氧池容积强化工艺脱氮的精细化管理措施具有良好的强化脱氮效果,通过采取增加A²/O-MBR工艺后置缺氧池的容积并控制好氧池DO的优化运行措施,与优化前相比,优化后工艺系统平均脱氮效率由66%提高到79%。

　　 (4)膜单元是A²/O-MBR工艺的主要能耗单元,可能存在较大的节能潜力,基于节能降耗,建议污水处理厂运行管理人员应结合膜池运行实际,探索最佳的膜擦洗曝气强度。

　　 (5)后置缺氧池是A²/O-MBR工艺的重要强化脱氮单元,但其实际运行效果的影响因素较多,如设计HRT、好氧池DO浓度、污泥龄、硝化液回流点、回流比等,为确保后置缺氧池的强化脱氮效果,建议工程设计人员应根据具体情况合理确定后置缺氧池的设计HRT,运行管理人员应优化控制好氧池DO浓度和工艺系统污泥龄。