针对常规A2/O工艺在处理低碳源城镇污水时脱氮除磷效率较低的问题，设计开发了改良A2/O—MBR强化同步脱氮除磷中试系统。以广州某污水处理厂细格栅出水为原水，研究了该系统的处理效能及稳定性。结果表明，当进水 COD、NH4+-N、TN、TP、SS分别为 79~163、19.0~30.8、24.3~39.3、2.00~3.31、60~164 mg/L 时，出水 COD、NH4+-N、SS 平均浓度分别为 9.09、0.38、1.13 mg/L。增加缺氧池与厌氧池之间的循环后，TN去除率提高了11.5%，TP去除率提高了12.2%。基于BioWin软件建立了该系统的数学模型，利用校准好的模型对运行参数进行优化。优化结果表明，当硝化液回流比为200%、缺氧混合液回流比为150%、污泥回流比为100%、污泥龄为20 d、好氧池溶解氧浓度为1.25~1.75 mg/L、甲醇投加量为33 mg/L时，对污染物的去除效果最佳。
关键词：
改良A2/O—MBR工艺； 低碳源城镇污水； BioWin仿真模拟； 脱氮除磷； 运行优化
A2/O 是我国现有城市污水处理厂的常规工艺，由于基质之间竞争和污泥龄等问题，该工艺在处理低碳源城镇污水时脱氮除磷效率较低。针对上述问题，对该工艺进行了改良：杨胤等改变了厌氧池、缺氧池、好氧池的体积比，柯浪文等采用多点进水和增设预缺氧池的改良A2/O工艺,王雪等设计了前置调蓄池的改良型A2/O工艺,李航等采用了优化初沉池的改良 A2/O 工艺，由于进水中碳源较低，脱氮除磷效果难以进一步提高。近年来，膜生物反应器（MBR）因具有污染物去除率高、装置紧凑、剩余污泥产量少等优点，在实际工程中得到普遍应用。污水处理过程异常复杂，利用活性污泥数学模型并通过计算机软件仿真，可在短时间内完成大量模 拟 试 验。 Gabarrón 等利 用 ASM2d 模 型 对MBR工艺进行优化，降低了曝气量。邵袁等采用WEST 软件对乡镇污水厂进行优化，降低了成本。
罗凡等利用活性污泥工艺模拟软件构建工艺模型，提出了多种优化改造路径。沈昌明等对改良A2/O工艺进行了仿真模拟，模拟结果对整个污水厂的优化运行和节能降耗具有指导意义。国际水协（IWA）推出的 ASMs系列模型被广泛应用于污水处理领域，成为污水处理新工艺研发、污水厂优化设计和运行管理的重要平台。
基于此，笔者针对A2/O工艺处理低碳源城镇污水脱氮除磷效率较低的问题，对其进行了大胆创新：将缺氧池分为两段，增加缺氧混合液在缺氧池和厌氧池之间的循环，采用BioWin软件对改良后的A2/O—MBR工艺进行模拟和运行优化。
1 材料与方法
1. 1 中试装置
改良A2/O—MBR工艺流程如图1所示。该工艺在A2/O的基础上添加了一个缺氧池，同时增加了缺氧混合液回流。整个试验装置由钢板制成，反应器边界长、宽、高分别为6. 0、2. 5和2. 5 m，有效水深为2. 0 m，总体积为 37. 5 m3。装置由厌氧池、缺氧池1、缺氧池 2、好氧池和膜池组成，总有效体积为29. 2 m3。厌氧池与缺氧池均通过机械搅拌装置使污泥处于悬浮状态。好氧池底部布设大量的微孔曝气头，采用功率为 7. 5 kW 的空气压缩机进行曝气。膜池采用浸没式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维增强型膜组件，外形尺寸为 2. 6 m×0. 7 m×1. 3 m 的不锈钢膜架，膜下方设有穿孔曝气管，采用功率为7. 5 kW 的空压机进行曝气。试验装置主要配套设备包括液下搅拌机2 台、电磁流量计4 个、气体流量计 2 个、空压机 2 台（1备 1用）、污泥回流泵 1 台、混合液回流泵2 台、出水抽吸泵2 台。
1. 2 膜组件
膜组件主要包括复合膜（PVDF）、内衬管（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）、集水管（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS）、聚氨酯或环氧胶水、硅胶等。中空纤维膜型号为JS-MBR，膜丝内径为0. 9 mm，外径为 2. 2 mm，孔径为 0. 1~0. 2 μm，设计通量为 6～10 L/（m2·h），含 28 支 13 m2的膜片，膜总面积为 364m2，抽吸压力为0. 01~0. 05 MPa。
1. 3 进水水质
进水为广州某污水处理厂细格栅出水，水质如下：COD 为 79~163 mg/L，均值为 113 mg/L；NH4+-N为 19. 0~30. 8 mg/L，均值为 24. 7 mg/L；TN 为 24. 3~39. 3 mg/L，均值为 31. 4 mg/L；TP 为 2. 00~3. 31 mg/L，均值为 2. 57 mg/L；SS为 60~164 mg/L，均值为 101mg/L。
1. 4 分析方法
COD采用快速消解分光光度法测定；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；SS采用重量法测定；DO采用便携式溶解氧仪测定；pH采用便携式pH计测定。
1. 5 装置的启动与运行
试验所用接种污泥取自该污水处理厂污泥浓缩池（污泥浓度约为20 000 mg/L），污泥沉降性能良好，按污泥与污水的体积比为 1∶5 将接种污泥投入到试验装置内，闷曝 24 h 以后静置一段时间，弃掉上清液，放入试验用水，再闷曝24 h，然后连续进水，运行 15 d 以后出水水质稳定，取样测得厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的 MLSS 平均值分别为 3 360、 3 840、3 840 和 6 560 mg/L。为了使 MBR 工艺运行稳定，建议按抽吸7 min、停止3 min的运行周期进行间歇运行，膜池 MLSS 浓度最好控制在 5 000~8 000mg/L。
膜组件的污染情况通过负压表观测，当跨膜压差（TMP）达到 50 kPa 时，需对其进行清洗。整个中试过程分为 4 个阶段进行，调节进水流量分别为1. 72、2. 08、2. 65和3. 65 m3/h，对应的水力停留时间分别为 17、14、11 和 8 h，考察不同进水流量下装置的运行效果，反应器的运行参数见表1。
1. 6 模型构建
BioWin软件模拟流程如图2所示。
BioWin软件包含稳态和动态两个分析器，其以综合活性污泥-厌氧消化（ASDM）数学模型为依据，除了可以对生物脱氮除磷和厌氧消化工艺进行模拟外，还能够对固定生物膜和生物移动床工艺进行模拟。根据改良 A2/O—MBR 工艺的流程和各构筑物的实际测量尺寸，通过 BioWin 6. 0软件建立该工艺的模型，结果如图3所示。
2 结果与讨论
2. 1 改良A2
/O—MBR工艺的运行效果
2. 1. 1 对COD和SS的去除
改良 A2/O—MBR 工艺对 COD 的去除效果如图4 所示。可知，当进水 COD 为 79~163 mg/L 时，出水COD 为 6. 23~17 mg/L，平均为 9. 09 mg/L，平均去除率为 91. 7%。当进水 SS 为 60~164 mg/L 时，出水 SS为 0. 2~3. 4 mg/L，平均为 1. 13 mg/L，平均去除率为98. 9%，出水 COD 和 SS 均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级 A 标准。通过对工况 1膜池上清液 COD 的测试发现，当膜池上清液 COD 为 18~47 mg/L（平均值为 30. 6 mg/L）时，对膜池上清液COD的平均去除率为71. 2%，即膜过滤对 COD 具有明显的去除作用。
2. 1. 2 对氮素的去除效果
当进水流量为1. 72、2. 08、2. 65 和 3. 65 m3/h 时，对 COD 的去除率分别为 91. 7%、91. 7%、91. 8% 和 92. 6%，表明进水COD和进水流量对COD的去除效果影响较小，该工艺对COD具有非常好的去除效果。当进水 NH4+-N 浓度为 19. 0~30. 8 mg/L 时，出 水NH4+-N浓度为0. 14~1. 27 mg/L，平均为0. 38 mg/L，平均去除率为 98. 5%。通过对膜池上清液和出水NH4+-N 浓度的检测发现，二者浓度相近，这是由于膜本身对相对分子质量较小的 NH4+-N 没有截留作用。当进水流量为 1. 72、2. 08、2. 65 和 3. 65 m3/h时 ，对 NH4+-N 的 去 除 率 分 别 为 98. 2%、98. 6%、98. 4%和98. 6%。由此可知，该工艺对NH4+-N的去除效果受进水NH4+-N浓度和进水流量的影响较小。
改良 A2/O—MBR 工艺对 TN 的去除效果如图 5所示。知，进水TN浓度最低为24. 3 mg/L，最高为39. 3 mg/L，平均为 31. 4 mg/L，且 COD/TN=3. 6。冉治霖等认为，当C/N值为5. 8时，工艺具有较好的脱氮除磷效果。经过改良工艺处理后，出水 TN 的平均浓度为 18. 1 mg/L，平均去除率为 42. 2%，表明在进水碳源严重不足的情况下，该工艺仍然具有较好的脱氮效果。反应器运行初期，缺氧混合液回流比为150%，平均TN去除率为52. 0%，但是当反应器运行 10 d 后，取消缺氧混合液的回流，TN 去除率下降到 36. 5%。反应器运行 30 d后，重新增加缺氧混合液回流比为 150%，对总氮的去除效果明显提升，平均TN去除率为43. 9%。试验结果表明，增加缺氧池和厌氧池之间的内循环，总氮去除率提高了11. 5%。此外，工况1和工况4的脱氮效果优于工况2和工况3，表明增大硝化液回流比对脱氮效果有一定的提高作用。
2. 1. 3 对TP的去除效果
改良 A2/O—MBR 工艺对 TP 的去除效果如图 6所示。
从图 6 可以看出，当进水 TP 为 2. 00~3. 31 mg/L时，出水 TP 为 0. 125~0. 965 mg/L，平均为 0. 51 mg/L，平均去除率为 79. 8%。通过测定膜池上清液 TP浓度发现，膜池上清液 TP 浓度为 0. 67~1. 29 mg/L，平均浓度为 0. 94 mg/L，表明膜对 TP 具有明显的去除效果（平均去除率为 67. 1%）。装置运行初期，对TP 的去除率为 87. 3%，运行 10 d 后，取消缺氧混合液的回流，TP 去除率下降到 73. 9%，运行 30 d 后又重新增加缺氧混合液的回流，TP 去除率提高到84. 9%。试验结果表明，增加缺氧混合液的回流后，TP去除率提高了12. 2%。在污水处理过程中，主要通过生物除磷、化学除磷和结晶除磷作用去除磷。该工艺运行过程中，磷主要通过生物除磷的方式被去除。
2. 2 模型的校验
为了提高模型模拟预测的准确度，需对进水组分进行测定，主要涉及有机物、氮和磷等组分，其中进水 COD 组分按照文献进行测定。进水组分参数如下：快速降解 COD（包括醋酸）、非降解溶解COD、非降解颗粒 COD 与总 COD 的比分别为 0. 21、 0. 05 和 0. 15；氨氮与总凯氏氮的比为 0. 79；磷酸盐与总磷的比为0. 74。其余参数采用缺省值。
模型参数（化学计量学参数与动力学参数）的校正是仿真模拟过程中的关键步骤，采用软件提供的动力学参数和化学计量学参数的缺省值进行初步模拟，得到的出水 COD、NH4+-N、TN 和 TP 浓度分别为 7. 00、0. 06、19. 26 和 1. 81 mg/L。根据初步模拟结果可知，模拟值与实测值的差别较大，为提高模型的准确性需调整相关参数。以常规灵敏度分析为基础，找出对出水水质影响最大的化学计量学参数和动力学参数，最终筛选出 7 个对模拟结果有较大影响的参数，具体见表2。
从表 2 可以看出，化学计量学参数里面内源呼吸残留物中磷含量的校正值与缺省值相差较大，主要原因是在反应器运行初期，系统没有向外部排泥，导致反应器内的污泥处于内源呼吸期。模型参数校正后，模拟出水的 COD、NH4+-N、TN、TP 浓度分别为 9. 09、0. 38、18. 10 和 0. 51 mg/L，实测值与调整后模拟值的相对误差控制在 10% 以 内，表明校正以后的模型能够较好地模拟中试装置的实际运行情况。因此，可以在此模型的基础上对改良A2/O—MBR工艺进行运行优化。
2. 3 改良工艺的运行优化
利用校正后的模型对改良 A2/O—MBR 工艺的运行参数进行优化，考察硝化液回流比、缺氧混合液回流比、污泥回流比、污泥龄、好氧池溶解氧浓度和碳源投加量对出水水质的影响。
硝化液回流比对出水水质的影响如图 7 所示。
可知，出水COD没有随硝化液回流比的增加出现较大的变化。出水 TN 浓度随硝化液回流比的升高而下 降 ，当 硝 化 液 回 流 比 为 0 时 ，出 水 TN 浓 度 为18. 56 mg/L；当硝化液回流比增大至 400% 时，出水TN浓度降至17. 72 mg/L。由此可知，增大硝化液回流比后，脱氮效果将有所提高。出水 NH4+-N 和 TP随着硝化液回流比的增加呈现增大的趋势，这是由于大量NO3--N回流，影响了除磷效果。综合考虑能耗和去除效果，硝化液回流比控制在200%为宜。为提高系统的脱氮效果，增加缺氧混合液的回流，模拟缺氧混合液回流比对出水水质的影响，结果见图 8。
可知，当缺氧混合液回流比由 0 增加至300% 时，出水 NH4+-N 和 COD 未发生明显变化。出 水 TN 浓度随着缺氧混合液回流比的增加而下降，表明增加缺氧混合液的回流比对去除 TN 具有一定效果，这与试验结果相符合。出水TP浓度随缺氧混合液回流比的增加呈现先降后升的趋势，当缺氧混合液回流比为150%时，出水TP为0. 49 mg/L。综合考虑能耗与总氮的去除效果，缺氧混合液回流比控制在150%为宜。污泥回流比对出水水质的影响如图9所示。
可 知，出水COD、NH4+-N和TN浓度均随着污泥回流比的增加而下降。当污泥回流比为 100% 时，出水COD、NH4+-N 和 TN 浓度分别为 9. 08、0. 38 和 18. 03mg/L，污泥回流比超过 100% 后变化很小。出水 TP浓度随着污泥回流比的增加呈现先增后降的趋势，当污泥回流比为 25% 时，出水 TP浓度达到最大值， 为0. 55 mg/L，污泥回流比增大至100%后出水TP浓度几乎不变。综合考虑能耗和去除效果，污泥回流比选择100%最为合适。
污泥龄对出水水质的影响如图10所示。
由图10可知，出水COD、NH4+-N、TN和TP浓度均随着污泥龄的增加而下降。当污泥龄>20 d后，出 水COD、NH4+-N、TN和TP浓度的变化较小。但污泥龄不能过长，否则污泥会发生老化现象，出现上浮，影响系统的运行效果。综合模拟结果和实际情况，污泥龄选择20 d较为合适。
好氧池溶解氧浓度对出水水质的影响如图 11所示。可知，出水COD、NH4+-N和TP浓度均随着好氧池溶解氧浓度的增加而下降。当好氧池溶解氧浓度为 1. 25 mg/L 时，出水 COD 为 9. 00 mg/L，继续增加好氧池溶解氧浓度，出水 COD 保持不变，表明可降解有机物已经全部降解。出水 TN 浓度随着好氧池溶解氧浓度的增加而升高，好氧池溶解氧浓度不宜过高，否则会因硝化液回流将溶解氧带入缺氧池而影响反硝化脱氮效果。综合考虑能耗和去除效果，好氧池溶解氧浓度控制在 1. 25~1. 75 mg/L为宜。
从进水组分可知，水中碳源严重不足，会影响后期的脱氮效果。为提高系统的脱氮效果，向缺氧池中投加一定量的碳源（甲醇），其投加量对出水水质的影响如图12所示。
由图 12 可以看出，出水 COD 和 NH4+-N 的浓度在甲醇投加量为33 mg/L之前变化较小，超过33 mg/L以后，COD和NH4+-N浓度明显升高。碳源的加入对TN 和 TP 的去除效果具有明显的促进作用，碳源的引入，一方面为反硝化细菌提供能量，提高脱氮效果；另一方面能够为聚磷菌提供能量，使聚磷菌能更好地释放磷，提高除磷效果。综合考虑运行费用和污染物去除效果两方面，甲醇投加量为 33 mg/L时较适宜。
3 结论
① 改良 A2/O—MBR 工艺对低碳源城镇污水中 COD、NH4+-N 和 SS的平均去除率分别为 91. 7%、98. 5%和98. 9%。硝化液回流比对COD、NH4+-N和TP 的去除效果影响不大，但对 TN 的去除有一定影响，在一定范围内，增大硝化液回流比，TN去除率有所提高。
② 将缺氧池一分为二，增大缺氧混合液的回流比，TN 去除率提高了 11. 5%，TP 去除率提高了12. 2%。对于某些低碳源城镇污水的处理，在不改变原有结构的情况下，为了提高脱氮除磷效果，此方法是一种较优的选择。
② 将缺氧池一分为二，增大缺氧混合液的回流比，TN 去除率提高了 11. 5%，TP 去除率提高了12. 2%。对于某些低碳源城镇污水的处理，在不改变原有结构的情况下，为了提高脱氮除磷效果，此方法是一种较优的选择。
③ 利用 BioWin 软件对改良 A2/O—MBR 工艺进行运行优化，优化结果表明，在硝化液回流比为200%、缺氧混合液回流比为 150%、污泥回流比为100%、污泥龄为 20 d、好氧池溶解氧浓度为 1. 25~ 1. 75 mg/L、甲醇投加量为33 mg/L条件下，污染物去除效果最佳。
原标题：改良A2/O—MBR工艺仿真模拟及运行优化
原作者：何春求 周少奇
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