AAO-MBR工藝將AAO工藝中的二沉池用MBR池替代，具有占地小、出水水質好等優點，但存在運行管理難度大、碳排放量高及生物除磷效果不佳等問題。近年來，學者們通過應用活性污泥數學模型成功實現了MBR強化生物除磷過程的仿真，并將其應用到對AAO-MBR工藝的運行優化中。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狀，基于BioWin6.0建立AAO-MBR工藝模型，并根據STOWA協議校準模型，對好氧區溶解氧（DO）濃度、系統排泥量、各級回流量等不同工況分別進行模擬優化，以期獲得生物除磷的最佳運行參數，提升污水處理效果。
1、項目概況
武漢市某污水處理廠采用AAO-MBR工藝，設計規模為20×104m3/d，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。生物池設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間（HRT）分別為1.38、3.01、4.10和1.33h。與傳統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（括號內為均值），進水pH為6.84~7.49、均值為7.15，進水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP分別在0.4~0.6、2~5、20~40之間。監測數據表明，進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，表明進水具有較好的生物除磷基礎。但在實際運行過程中，系統整體生物除磷效率較低，主要依靠化學除磷控制出水TP濃度。
2、模型構建
2.1 模型構建
對生物池各段的DO濃度進行現場實測發現，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，其余構筑物的DO均為0mg/L。按DO濃度及循環控制將生物池進行細分，各部分尺寸及DO濃度設置如表1所示。
采用BioWin6.0建立污水處理廠全流程水質動力學模型，如圖2所示。
2.2 進水水質表征
對10種進水水質組分，即快速降解型COD（Fbs）、乙酸（Fac）、溶解態不可生物降解型COD（Fus）、顆粒狀不可生物降解型COD（Fup）、氨（Fna）、顆粒態有機氮（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），進行多次檢測，根據平均值對污水處理廠進水水質進行表征，設定相關模型參數如表2所示（TCOD表示總COD，TKN表示總凱氏氮，KN表示凱氏氮，ON表示有機氮）。
2.3 模型校準及驗證
進水水質數據采用2020年—2021年的歷史數據進行設置，污泥排放量按787m3/d設置，PAC投加量按月平均投加量設置。采用2020年出水水質數據作為模型校準數據，采用2021年出水水質數據作為模型驗證數據。采用納什效率系數（NSE）和相對平均偏差（RMD）表征模型質量，調參前后模型動態模擬結果對比見表3。所有出水水質指標實測值與模擬值的相對誤差均在20%以內，且納什效率系數大于-5，說明模型預測準確度較高。
2.4 AAO-MBR工藝生物除磷模擬
采用校準與驗證后的模型，模擬AAO-MBR工藝在不投加化學藥劑時的出水TP濃度，實測值與模擬值如圖3所示。可知，出水TP濃度模擬值略低于實測值，這可能是因為殘留在生物池中的鋁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測性。
曹斌等人研究表明，AAO-MBR工藝的生物除磷率最高可達到88.4%。根據圖3數據計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工藝的實際投藥量也明顯偏大。
3、生物除磷優化模擬
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，生產運行過程中可通過控制曝氣強度、調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細胞內聚磷的生成速率。充足的溶解氧有利于PAOs在好氧段超量吸磷，但是過量曝氣會導致PAOs細胞內的聚羥基丁酸酯（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。優化中將好氧區的DO濃度分別設置為6、5、4、3、2、1、0.5、0.25、0.1、0.05和0.01mg/L，分別對應GP-1~GP-11共11種工況。以2020年全年進水水質數據為動態模擬的輸入數據，計算各工況下全年出水TP及氨氮平均值，模擬結果如圖4所示。當DO>2mg/L時，DO控制值的減少對出水水質影響較小；當DO從2mg/L降至0.5mg/L時，出水TP平均值隨著DO的減少而呈下降趨勢；當DO降至0.5mg/L以下時，出水TP平均值迅速下降。出水TP平均值下降的同時，由于硝化不充分，出水硝態氮平均值大幅下降，而氨氮平均值大幅上升。當DO降至0.5mg/L時，出水TP平均值從1.26mg/L降至1.24mg/L，降低了1.58%，此時剛剛能夠滿足出水氨氮全年達標。
3.2 分段控制好氧區DO濃度
如果將該AAO-MBR工藝中的MBR池視作好氧區，則厭氧區、缺氧區、好氧區的HRT分別為1.38、3.01和5.43h，滿足設計規范對AAO工藝水力停留時間的規定。但研究發現，在某些污水處理廠的AAO工藝中，減少好氧區域、增加缺氧和厭氧停留時間，有助于出水氮、磷濃度的降低。朱星等人也發現，延長缺氧區水力停留時間可以提高倒置AAO-MBR工藝的脫氮除磷效果。因此，考慮通過控制好氧區6條廊道的曝氣管閥門，并在廊道中設置推流器，來控制好氧區廊道的DO濃度，以優化工藝運行。按照廊道的實際尺寸對模型進行重新建模，具體如圖5所示。
模擬中，處于曝氣狀態的好氧池DO設置為2mg/L，處于不曝氣狀態的好氧池DO設置為0mg/L，如圖6所示，設置GPG-1~GPG-64共64種工況，其中GPG-64為6條廊道均曝氣，即現狀工況。對這64種工況分別進行模擬，模擬結果如圖7所示。可以看出，隨著關閉曝氣的生物池數量增加，出水TP平均值呈下降趨勢，但全年的氨氮達標率也逐漸下降。GPG-43~GPG-64這22種工況2020年全年出水氨氮的達標率均可以達到100%。其中，GPG-43工況的不投藥出水TP平均值最低為1.01mg/L，相比現狀工況降低了19.8%，但出水氨氮平均值相比現狀工況升高了150%。
3.3 調整排泥量
生物除磷系統排出的剩余污泥量會影響污泥齡，研究發現，反應器的污泥齡越長，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，因此設置排泥量為100~1200m3/d的GS-1~GS-12共12種不同工況，對應不同的污泥齡、排泥質量和模擬出水水質結果，具體如表4所示。可知，隨著排泥量逐漸增大，排出系統的富磷污泥也相應增加，系統污泥齡下降。模擬結果表明，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，此時出水TP平均值為1.14mg/L，相比現狀工況降低了9.5%，此時系統污泥齡為7.32d，在文獻通常認為的合理控制范圍下限。但是排泥量增大會導致生物池的MLSS降低，同時縮短了污泥齡，從而降低了硝化菌和反硝化菌的數量。模擬結果顯示，增大排泥量會導致出水氨氮濃度升高，但仍能保證全年達標。
3.4 調整回流量
該AAO-MBR工藝無單獨的污泥回流，僅有混合液逐級回流方式。減少好氧池至缺氧池的回流量，可以減少硝態氮的回流，為前端厭氧釋磷提供環境基礎。同時混合液回流還會對與生物除磷有競爭關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）設置了4臺穿墻泵（單臺Q=85680m3/d，3用1備），現狀運行僅開啟1臺；好氧池至缺氧池（O-A）設置了3臺穿墻泵，缺氧池至厭氧池（A-A）設置了2臺穿墻泵，標稱流量均為100008m3/d，現狀運行分別開啟2臺和1臺。根據每級回流開啟的泵數量，共設置24種不同的硝化液回流工況，具體如表5所示。這24種工況的模擬結果如圖8所示。可知，在不同回流工況下，模型預測的出水TP平均值在1.24~1.31mg/L之間小范圍波動。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%。模擬結果表明，雖然各工況的出水總氮與氨氮達標率均能達到100%，但回流量的調整對提高生化除磷效果并不顯著，從節能角度出發，維持最低回流量即可。
3.5 根據水溫調整工藝參數
生物除磷與脫氮存在對碳源的競爭，研究表明，當水溫控制在20℃以下時，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，PAOs的聚磷能力呈下降趨勢；當水溫從20℃上升到35℃時，強化生物除磷系統中的優勢菌群會由PAOs轉化為GAOs，生物除磷效果下降；而當水溫介于21~33.2℃時，缺氧池的反硝化率穩定在36%~40%，遠高于水溫為12.5~20℃時的12.1%。該AAO-MBR工藝的實際運行數據也表明，當水溫>20℃時生物脫氮效果更好，而當水溫<20℃時生物除磷效果更好，具體如圖9所示。
為了保證出水氨氮達標的前提下提高系統生物除磷效率，按照進水溫度是否大于20℃進行分時段調控。低溫時段，維持現狀工況，以確保脫氮效果。當水溫>20℃時，針對DO、污泥排放量和混合液回流量3個不同因素進行工況的排列組合，模擬共計64×12×24=18432種工況，選擇全年出水氨氮和總氮達標時生物除磷效果最佳的組合工況。結果表明，GPG18+GS7+GN23為生物除磷率最高的組合工況，即關閉好氧區的第1、2、4、6廊道曝氣，排泥量設置為700m3/d，污泥回流泵開啟臺數為1、1、1。好氧區的曝氣關閉，形成了好氧-缺氧的間隔，有利于反硝化反應的進行，同時降低了回流液中的硝態氮濃度，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、結論與建議
①按水溫分時段調整污水處理廠運行參數，當水溫在20℃以上時，關閉好氧區的第1、2、4、6廊道曝氣，排泥量設置為700m3/d，各級污泥回流泵開啟臺數均為1；當水溫在20℃以下時，維持現狀工況。在此優化策略下，AAO-MBR工藝的生物除磷率從42%提高至59%。
②在AAO-MBR工藝中，可適當降低好氧池的HRT，提高缺氧池的HRT，同時設置曝氣頭和推流攪拌器實現部分區域的靈活曝氣。（來源：華中科技大學環境科學與工程學院，武漢市生態環境科技中心）
