A²/O与A²/O + MBR工艺在新疆某污水厂中的运行效能对比

Comparison of Operational Efficiency between A²/O and A²/O + MBR Processes in a Wastewater Treatment Plant in Xinjiang

摘要: A²/O + MBR工艺为A²/O工艺与MBR工艺的串联组合，利用了MBR膜池代替A²/O工艺中的二沉池，使其具有更小的占地面积和更加优质、稳定的出水水质保障。为了探究传统A²/O工艺及A²/O + MBR工艺在城镇污水处理中的应用效能，在同季节、同时段、进水均匀分配的条件下，比较分析了两种工艺在连续31 d中对污染物的降解效能。结果表明：A²/O + MBR工艺在处理城镇生活污水的效果上优于传统A²/O工艺，且抗冲击负荷能力更强，是更具优势的成熟工艺。A²/O工艺、A²/O + MBR工艺的平均处理成本分别为0.4702元/m³、0.6354元/m³，传统A²/O工艺运行成本比A²/O + MBR工艺低0.1652元/m³，相较之下更具经济性。

Abstract: The A²/O + MBR process is a series combination of A²/O process and MBR process. The MBR membrane tank is used to replace the secondary sedimentation tank in the A²/O process, so that it has a smaller floor area and better quality and stable effluent quality assurance. In order to explore the application efficiency of traditional A²/O process and A²/O + MBR process in urban sewage treatment, the degradation efficiency of pollutants by the two processes in 31 days was compared and analyzed under the condition of uniform distribution of water in the same season and at the same time. The results show that the A²/O + MBR process is superior to the traditional A²/O process in the treatment of urban domestic sewage, and the impact load resistance is stronger, which is a more advantageous mature process. The average treatment costs of theA²/O process and the A²/O + MBR process are 0.4702 yuan/m³ and 0.6354 yuan/m³, respectively. The operating cost of the traditional A²/O process is 0.1652 yuan/m³ lower than that of the A²/O + MBR process, which is more economical.

1. 引言

2015年，国务院颁布了《水污染防治行动计划》，以改善水环境质量为核心，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。因此，国内的大多污水处理厂陆续开始进行污水厂的提标改造和扩建工程。传统的A²O技术，作为生物处理领域的一种优化手段，巧妙地融入了前置反硝化池与厌氧池等多个功能单元，从而实现了对污水中氮磷等营养元素的显著去除，有效缓解了水体富营养化的严峻挑战[1]。而耦合了传统活性污泥法和膜过滤技术的膜生物反应器(简称MBR)由于其出水水质稳定优良且占地面积小等优势而被作为提标改造工程的首选工艺[2] [3]。本文以新疆乌鲁木齐市某城镇污水厂内的两座生物池为研究对象，分析了在同季节、同时段、进水均匀分配的条件下传统A²/O工艺和A²/O + MBR工艺对城镇生活污水污染物的去除效能。

2. 工程概况

Table 1. Design influent water quality and emission standards

表1. 设计进水和出水标准

项目	COD/(mg∙L^−^1)	BOD5/(mg∙L^−^1)	ρ/(mg∙L^−^1)
			NH3-N	TN	TP	SS
设计进水	≤620	≤280	≤55	≤65	≤7	≤350
一级A标准	≤50	≤10	≤5	≤15	≤0.5	≤10

新疆某城镇污水处理厂位于新疆乌鲁木齐市，总设计处理规模为20万m³/d，由一期工程使用的传统A²/O工艺和二期提标改造工程使用的A²/O + MBR工艺并联组成，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准限值要求。两种工艺的工程设计进水水质、出水标准及2023年月平均进水数值均相同且见表1。

3. 工艺流程及主要构筑物

3.1. 工艺流程

传统A²/O工艺和A²/O + MBR工艺的工艺流程如图1和图2所示。

Figure 1. Flow chart of traditional A²/O process

图1. 传统A²/O工艺流程

Figure 2. Flow chart of A²/O + MBR process

图2. A²/O + MBR工艺流程

3.2. MBR膜池

膜生物反应器(MBR)是以膜组件、膜组器为核心的集成技术系统[4]。MBR膜池利用膜所具有的高效截留能力对传统A²/O工艺出水水质进一步提高，同时起到调配污泥的作用。同时，MBR工艺替代了传统A²/O工艺中的二沉池和深床硝化滤池于一体，使得其具有更小的占地面积。

该污水处理厂使用的膜组器是碧水源生产的MBRU系列，其膜组件型号为RF-Ⅲ-1-A，型式为帘式，中空纤维膜材质为增强聚偏氟乙烯(PVDF)，平均设计通量为15~25 LMH，膜丝内径和外径分别为0.95 mm和1.9 mm，其他性能参数见表2。

Table 2. Performance parameter of enhanced (RF) membrane module

表2. 增强型(RF)膜组件性能参数

平均膜孔径(μm)	膜面积 (m^2/片)	有效长度(mm)	最大跨膜压差(MPa)	极限跨膜压差(MPa)	最大耐受pH值范围	推荐工作 pH值范围
0.3	35	1850	0.035	0.08	2~12	6~9

4. 运行分析

4.1. 研究方法

污水处理厂的每座生物池日处理能力为6 × 10⁴m³/d，本次对比实验选用A和M系列两座生物池。A系列生物池采用传统A²/O工艺，生化系统的功能分区依次为厌氧区、缺氧区、好氧区；M系列生物池采用A²/O + MBR工艺，生化系统的功能分区依次为预厌氧区、厌氧区、缺氧区、兼氧区、好氧区、MBR膜池区。实验期间，两个系列在相同运行条件下运行。

根据实验需要选取工艺沿程各阶段的进、出水在线监测数据，分别对比分析该污水厂好氧池和膜池的活性污泥浓度和A、M系列对各污染物指标的去除率。

4.2. 运行参数

参与对比的两组生物池平均MLSS浓度介于4000~6000 mg/L，MBR膜池由于其高效的截留作用导致其MLSS浓度较高，平均浓度介于8000~11000 mg/L。传统A²/O工艺各段停留时间为：厌氧区1.5 h，缺氧区8.25 h，好氧区16.5 h，共计停留26.25 h；A²/O + MBR工艺各段停留时间为：预缺氧区0.65 h，厌氧区1.30 h，缺氧区3.92 h，兼氧区1.96 h，好氧区5.62 h，共计停留13.45 h。

4.3. 活性污泥系统分析

污泥浓度(MLSS)与污泥龄(SRT)密切相关[5]，而SRT则决定了活性污泥中微生物的种类，SRT过高会使得活性污泥变成惰性污泥，一方面会降低脱氮除磷的效果，另一方面会过多消耗生物池的溶解氧[6]，这对整个生物处理系统中的脱氮除磷效能有着极大的影响。SRT的常用计算公式为：

$\text{SRT}=\text{MLSS}\times 曝气池有效容积/\left(24\times 每小时排泥体积\times 排泥浓度\right)$ [7] (1)

式中：MLSS × 曝气池有效容积为总泥量；24 × 每小时排泥体积×排泥浓度为日排泥量。

从式(1)中可以得出，在当日排泥量不变的条件下，MLSS和SRT呈线性正相关。因此在实际污水厂运行管理中，比起计算SRT，直接使用MLSS这一指标更为简便直观。

对A和M系列的好氧池和MBR膜池内的MLSS浓度进行了31 d重复监测，结果见图3。传统A²/O工艺的好氧池内MLSS平均浓度为4640.81 mg/L，A²/O + MBR工艺的膜池内MLSS平均浓度为8206.32 mg/L。在相同进水条件下，传统A²/O工艺中的好氧池污泥浓度要远低于MBR膜池中的污泥浓度。这是由于MBR中膜的高效截滤功能，使得MBR膜池中污泥浓度得以富集，有效地提高了有机物的容积负荷，降低了污泥负荷，从而极大程度上提高处理效果。

有研究表明适当地提高MLSS对TN的去除效果有明显的提升[8]，这是因为高MLSS伴随着长泥龄，使得世代时间长的自养硝化菌更丰富，硝化效果更好，TN去除效果提升。因此具有高MLSS的MBR能够取得更好的硝化效果。而对于传统A²/O工艺来说，在SVI值一定时，MLSS越高污泥沉降比就越大，直到污泥无法在二沉池中沉淀，随着水流流出从而影响出水水质[9]。因此在传统A²/O工艺运行中需要严格优化、控制MLSS，否则可能会影响二沉池沉淀效果，出现水质不达标的现象。

Figure 3. MLSS of the two processes

图3. 两种工艺的MLSS

4.4. 污染物去除效果分析

4.4.1. COD去除效果

针对A系列与M系列的厌氧池进水以及生物池出水，进行了为期31天的连续COD指标监测，去除率结果见图4。

传统A²/O工艺对COD去除率均值为96.16%，A²/O + MBR工艺的去除率均值为96.77%。结果表明，在同季节、同时段、进水均匀分配的条件下，A²/O + MBR工艺对COD的去除效果优于传统A²/O工艺。这是由于MBR工艺中使用的膜滤技术可以使得污水中的微生物长时间停留在反应器内，不易受到外界负荷波动的影响。

Figure 4. Analysis of COD removal effect

图4. COD去除效果分析

4.4.2. NH₃-N去除效果

针对A系列与M系列的厌氧池进水以及生物池出水，进行了为期31天的连续NH₃-N指标监测，去除率结果见图5。

传统A²/O工艺对NH₃-N去除率均值为97.62%，A²/O + MBR工艺的去除率均值为99.04%。结果表明，在同季节、同时段、进水均匀分配的条件下，A²/O + MBR工艺对NH₃-N的去除效果优于传统A²/O工艺。这可能与前文提到的具有高MLSS的MBR膜池的泥龄更长，含有更高浓度的反硝化细菌，有利于硝态氮的降解，使得脱氮效果更佳。同时因为A²/O + MBR工艺中MBR系统中的膜过滤功能实现了对微生物的截留，完成对HRT和SRT的分离，延长了SRT，更加有利于污泥龄较长的硝化菌生长和富集，实现对NH₃-N的有效去除[10]。

Figure 5. Analysis of NH₃-N removal effect

图5. NH₃-N去除效果分析

4.4.3. TN去除效果

针对A系列与M系列的厌氧池进水以及生物池出水，进行了为期31天的连续TN指标监测，去除率结果见图6。

Figure 6. Analysis of TN removal effect

图6. TN去除效果分析

传统A²/O工艺对TN去除率均值为86.76%，A²/O + MBR工艺的去除率均值为90.33%。结果表明，在同季节、同时段、进水均匀分配的条件下，A²/O + MBR工艺对TN的去除效果优于传统A²/O工艺。这可能是由于MBR膜池中的高浓度MLSS带来的优势。同时，A²/O + MBR工艺采用膜区至好氧区首端、好氧区出水至缺氧区首端、缺氧区出水至厌氧区首端的三级回流方式。这种回流方式避免了污泥外回流中溶解氧过高而影响厌氧区释磷效果的问题，从而优化了脱氮除磷的过程。

4.4.4. TP去除效果

针对A系列与M系列的厌氧池进水以及生物池出水，进行了为期31天的连续TP指标监测，去除率结果见图7。

传统A²/O工艺对TP去除率均值为94.63%，A²/O + MBR工艺的去除率均值为98.62%。结果表明，在同季节、同时段、进水均匀分配的条件下，A²/O + MBR工艺对TP的去除效果优于传统A²/O工艺。

传统工艺生活污水生物除磷是由于聚磷菌在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下过度吸磷，并通过排出部分含磷污泥以此完成除磷的过程。相比之下，A²/O工艺污泥的沉降性能的好坏和变化依赖性更大，而A²/O + MBR工艺由于其所具有的膜过滤功能使得含磷污泥被截留在膜池中，更加有利于降低出水中的磷含量，强化TP的去除效果，平抑污泥变化带来的出水水质波动，从而弥补A²/O工艺的不足，故在除磷方面MBR更具有优势。

Figure 7. Analysis of TP removal effect

图7. TP去除效果分析

5. 经济分析

Table 3. Operating costs of A²O and A²O + MBR processes

表3. 传统A²O、A²O + MBR工艺运行成本

项目(元/m^3)	传统A^2/O工艺	A^2/O + MBR工艺
电耗	0.0968	0.2992
污泥处置	0.1948	0.1996
药耗	0.1786	0.1366
平均处理成本	0.4702	0.6354

传统A²/O工艺的工程总投资2.7亿元，A²/O + MBR工艺的工程总投资7.8亿元。如表3所示，两种工艺的运营成本主要包括电耗、药耗及污泥处置三部分。传统A²/O工艺的平均处理成本为0.4702元/m³，电耗、污泥处置及药耗分别占总处理成本的20.59%、41.42%、37.99%；A²/O + MBR工艺的平均处理成本为0.6354元/m³，电耗、污泥处置及药耗分别占总处理成本的47.09%、31.41%、21.5%。传统A²/O工艺的投资较少且运行成本比A²/O + MBR工艺低0.1652元/m³，相较之下更具经济性。

6. 结论

在相同季节的运行环境下，相较于传统的A²/O工艺，A²/O + MBR工艺在处理污水时，对COD、TN、TP及NH₃-N的去除效果呈现出更为优越的整体趋势。

(1) 对活性污泥浓度分析结果可得，传统A²/O工艺的MLSS不宜过高，否则会影响二沉池沉降性能进而影响出水水质。然而由于膜的高效截留作用，可以使得MBR膜池中保持较高的MLSS，故而能够增强系统对水质波动与水量变化的适应弹性，同时也能够显著提升其抵御冲击负荷的能力。

(2) 通过经济分析可知，传统A²/O和A²/O + MBR工艺的平均处理成本分别为0.4702元/m³、0.6354元/m³，综合比较而言传统A²/O工艺更具经济性。相较A²/O + MBR工艺，传统A²/O工艺在药耗方面所占成本较高，后续厂区可进一步优化相关运行工艺参数及药耗投加；而A²/O + MBR工艺中电耗较大，后续厂区可针对节能降耗进行工作展开。

(3) A²/O + MBR技术融合了A²/O的生物脱氮除磷效能与MBR的膜过滤优势，能够显著提升污水中有机物、氮、磷等污染物的去除效率，确保出水水质满足更高标准。其出水中的悬浮物与浊度极低，几乎为零，超越了传统沉淀池的分离效能，为受纳水体提供了更为优质的水质保护，有效降低了水体富营养化等环境隐患。该工艺的应用对城市水环境的改善、水资源利用率的提升以及环境污染与破坏的减少具有积极作用，进而促进了城市的可持续发展进程。它不仅与现行的环保政策相契合，也预示着未来城市发展的必然趋势。

基金项目

国家自然科学基金项目：基于好氧颗粒污泥系统的粒径与关联因素响应机制的高效调控体系构建(51968071)。

NOTES

^*通讯作者。