强化除磷脱氮膜生物反应器 (anoxic anaerobic aerobic membrane bioreactor, 3AMBR) , 是将膜分离技术与生物原理相结合而开发的一种新型污水处理工艺^[1,2]。与传统工艺相比, 具有出水水质好、污泥产量低和占地面积小等优点, 现已广泛应用^[3]。

　　 昆明市某污水处理厂占地约59亩 (1亩≈667m²) , 设计处理规模15万m³/d, 目前实际处理水量为10万~12万m³/d, 采用地下式3AMBR工艺;出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级A标准。本文通过对实际生产中运行指标的分析, 探讨地埋式3AMBR的运行现状, 为同类工程提供数据支持及经验。

　　 如图1所示, 生物反应池和膜池分成2个系统, 左右分为A、B区运行, 两区对称分布。

　　 生物反应池的回流如图2所示, 采用改良型A²/O工艺, 多点进水, 其中厌氧区进水I₁=20%Q, 缺氧区Ⅰ进水I₂=45%Q, 缺氧区Ⅱ进水I₃=35%Q。并设有三级回流, 其中膜池污泥回流至好氧池为R₁, 主要作用是补充系统微生物;好氧池混合液回流至缺氧池Ⅰ为R₂, 主要作用是为缺氧池Ⅰ提供硝化液;缺氧池Ⅱ的混合液则回流至厌氧池为R₃, 主要作用是避免硝酸盐氮对磷释放过程抑制作, 提高除磷效果。

　　 膜系统共分为2个系统, 每个系统设组合生物反应池和膜池, 共用预处理和脱泥系统。2个系统共设28个膜池, 每个膜池内设9个膜组件, 预留1个孔位, 膜组内设有46片膜, 共252组膜组件。膜组件的材料为帘式中空纤维带衬膜, 膜丝公称孔径为0.3μm, 外形尺寸2m×1.25m×0.3m, 膜组件面积为27.5 m²/支, 质量19.5kg/片, 产水方式为双端出水, 曝气方式为下端开放槽曝气。

　　 2016年度进出水主要水质与排放标准如表2所示。各项出水水质指标均达到设计标准, 出水水质较好, 运行稳定。从表2中可以看出, 水厂实际进水COD较低, 仅为设计值的38.25%, 进水BOD₅/COD≈0.45, BOD₅/TN≈2.7, BOD₅/TP≈25.2, 虽然污水可生化性良好, 但低碳氮比与低碳磷比依然制约着处理效果。

　　 图3是污水处理厂2016年各污染物的去除率变化情况, 可见, COD、NH₃-N、SS去除率稳定在90%以上, TN去除率波动较为明显。

　　 由图3可见, 污水处理厂COD平均去除率为92.79%, 整个系统对COD的去除主要依靠活性污泥即生物处理效果, 而膜分离作用主要是对COD去除效果的进一步稳定和强化^[4]。

　　 SS平均去除率在96%以上, 0.3μm的膜孔径可将生物反应器内全部的悬浮物和污泥都截留下来, 其固液分离效果要远远好于二沉池, MBR对SS的去除率非常高, 出水浊度很低。

　　 TN平均去除率为62.73%, 波动范围为50%~80%, 这是由于进水碳源不足, 以及MBR工艺本身造成的富溶解氧环境对反硝化造成影响, 使TN的去除变得困难, 如何使污水处理厂TN达标排放是工艺调控的难点。

　　 TP平均去除率为89.58%, 该水厂在实际运行中, 除磷主要是通过投加聚氯化铝药剂, 再排除含磷污泥实现的。由于系统平均泥龄高达45天, 较长的污泥泥龄不利于TP的去除, 因此TP的去除效果与药剂投加量有很大关系。

　　 NH₃-N平均去除率达到98.25%, 由于好氧区污泥浓度保持在较高水平;膜池回流带来的富溶解氧回流液以及好氧区本身的曝气, 使得好氧区硝化反应充分。

　　 污水处理厂2016年电耗情况如图4所示, 平均单位水量电耗为0.51kW·h/m³, 高于传统活性污泥法的0.2~0.4kW·h/m³。图5是各处理段电耗分布, 从图中数据分析, 造成污水处理厂能耗过高主要有以下几个因素: (1) 与传统活性污泥法相比较, 为了防止膜污染与膜堵塞, MBR工艺需要增加鼓风机对膜池进行强曝气, 通过曝气对膜丝吹扫和抖动, 减小浓差极化现象来保证膜通量, MBR电耗占比26%左右; (2) 鼓风机系统电耗占比约26%; (3) 污水处理厂为地下式, 厂区需提供不间断照明, 其电耗占比为13%; (4) 污水处理厂构筑物均位于地下, 生物池进行了全覆盖, 为去除生产区域产生的臭气, 加装了一系列的通、排风设备, 也造成能耗增加, 通排风系统电耗占比11%左右。除此之外, 由于水厂目前处理水量为10万~12万m³/d, 尚未达到设计值 (15万m³/d) , 也是造成单位水量电耗过高的原因之一。

　　 图6为传统A²/O工艺污水处理厂 (A厂) 、地上式MBR工艺污水处理厂 (B厂) 及本工程 (C厂) 单位水量除磷药剂投加量对比分析。由图6可知, 地下式MBR工艺除磷药剂投加量偏多, 这是由于MBR工艺后并未设置二沉池, 无法在二级出水后投加聚氯化铝, 只能选择在生物池好氧段投药。聚氯化铝除了与磷酸根离子发生絮凝沉淀反应外, 混合液中其他悬浮物固体也会消耗部分聚氯化铝药剂。同时污水处理厂进水碳源偏低, 需要在高污泥浓度条件下运行才更有利于脱氮, 所以生物反应池污泥浓度需保持在55 000000~~77 000000mmgg/LL, 也增加了聚氯化铝的投加量。

　　 图7为污水处理厂2016年膜维护药剂使用情况。污水处理厂2016年在线清洗膜使用次氯酸钠328t, 共清洗322次, 使用柠檬酸32t, 共清洗110次, 大量使用药剂及清洗频率高是在线清洗的主要特点。在线清洗主要是通过每周、每月进行一次不同浓度的次氯酸钠溶液清洗, 用于控制有机污染物的积累, 保持较高的膜通量。为控制无机物污染的发展, 结合高强度次氯酸钠清洗, 还需要每季度或半年进行2%柠檬酸在线酸洗。

　　 由于在线清洗的清洗力度有限, 仍会有部分污染物质沉积在膜表面及膜丝孔径内, 因此还要增加更为彻底的离线清洗。一般每年进行1次, 将膜组器从系统中取出, 对每一片膜片进行集中清洗, 这样才能将膜组件彻底清洗干净, 以彻底去除膜污染。污水处理厂在2016年共进行1次离线清洗。

　　 (1) 地下式3AMBR工艺污水处理厂占地面积小, 对土地资源紧张的地区来说, 具有巨大的优势。在进水碳源不足的情况下, 依然能依靠自身系统得到较好的出水水质, 达到设计要求。

　　 (2) 地下式3AMBR工艺污水处理厂由于膜组件曝气维护及通风、照明等基础设备需求, 单位水量电耗偏高。但是污水处理厂目前水量只达到设计水平的70%, 随着未来污水处理量增加, 单位水量电耗会有一定的下降空间。

　　 (3) 由于生物反应池投加点位受限, 导致系统投药量偏高。对此, 有望通过改变药剂投加点、减少药剂与污泥杂质的无效反应来降低药耗。