通过分析传统 AAO 及其改良型耦合 MBR 工艺的技术现状，总结了各工艺形式的技术特点和适用范围，提出改良Bardenpho-MBR 工艺和多级 AO-MBR 工艺的多种回流方式，并进行理论分析，探索最佳的运行调控方式。另外，针对现有技术的处理难点和提标改造需求，系统性地总结了工艺优化和膜污染控制措施，提出相应的调控手段和运行策略。针对耦合MBR 工艺生化处理工艺，可采取分区曝气、设置消氧区、实施曝气精确分配与控制系统等措施，减少回流污泥溶解氧，全面提升氮、磷等污染物的去除性能和运行稳定性；同时适当采取化学除磷方式，但应作为应急使用以避免过多化学污泥的产生；为延长膜使用寿命，可适当采取投加粉末活性炭、悬浮填料等优化措施，并进一步开展新型膜清洗技术的研发。
关键词：
污水处理 脱氮除磷 膜生物反应器 优化调控 膜污染生化处理是污染物削减的主要环节，也是污水处理提质增效的最终落脚点，其运行情况将直接影响城市水环境及人民生活质量。氮、磷是引起水质超标的主要污染物，传统 AAO 工艺是生物硝化反硝化工艺及生物除磷工艺的结合，能够达到脱氮除磷的效果。然而，我国污水处理厂普遍存在进水浓度低、碳氮比低、无机悬浮物浓度高的特点，大大增加了处理难度和运行成本。目前，污水处理厂改、扩建日益增多，处理工艺控制日趋复杂，调控反应滞后、运行方案不精确等问题凸显。
随着技术工艺的提升，各地政府对污水处理提出了更为严格的要求，不少省市相继出台新法规，将城镇污水处理厂污染物排放标准由《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级 A 标准，提升到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅳ类标准。在排放标准日趋严格的情况下，特别对于现有污水厂的提标，应重点关注于挖掘生化处理潜能，通过调控关键控制点，优化氮、磷去除性能，在不新增构筑物下达到出水水质提升。
改良 Bardenpho 工艺和多级 AO 工艺因其脱氮性能好，能较好地满足大量去除 TN 的要求，因此，工程应用越来越多。为了进一步提升活性污泥法处理效果，提高在低碳源和低温条件下的氮、磷去除能力，增强抗水质水量冲击负荷，传统 AAO 工艺、改良 Bardenpho 工艺、多级 AO 工艺与 MBR 工艺的耦合成为新建提标改造的新型工艺形式，但仍存在回流污泥溶解氧偏高、回流形式复杂、调控困难等问题，导致出水水质不稳定、运行费用较高。本文通过总结传统 AAO 及其改良型工艺耦合 MBR 工艺的技术特点和处理难点，并结合相关工程应用案例，提出系统性的工艺优化措施和调控方案，为今后污水处理厂的新建、改扩建工艺选择以及优化路径提供技术支持。
1 常见工艺类型
1.1 AAO-MBR 工艺
AAO-MBR 工艺是在传统 AAO 工艺基础上取消二沉池，同时增设 MBR 池，与传统 AAO 工艺相比，AAO-MBR 工艺污泥含量更高，普遍达到 8 000~10 000 mg/L，有利于缩短工艺流程，减少水力停留时间（HRT），增强抗水质水量冲击负荷能力，并且在一级 A 出水要求下能够节约占地近 40%。MBR 工艺通常采用高曝气形式增加膜丝抖动，防止污泥黏住膜丝，以提高膜使用寿命。常规 AAO 工艺好氧池溶解氧含量要求一般在 2~3 mg/L，然而 MBR 反应池的高曝气量将导致回流污泥溶解氧偏高，含量通常能达到 6mg/L 以上。研究表明，MBR 池的高浓度污泥及较长的污泥龄能够保证系统对于氨氮的去除，在低温条件下仍能保持较高的硝化反应速率。较高的曝气强度却不利于反硝化和释磷反应，若直接回流至厌氧池或缺氧池，将引入大量溶解氧，破坏厌氧和缺氧环境，丧失脱氮除磷功能。
如图 1 所示，AAO-MBR 工艺通常采用三级回流形式，逐级降低 MBR 池回流液溶解氧，在高污泥浓度下保证各反应区的溶解氧要求，回流比通常依次为 400%~600%、300%~500%、100%~200%。
在排放标准日趋严格的形势下，多数污水厂提标改造采用 AAO-MBR 工艺，但后置 MBR 池主要功能在于提高反应池内的生物量，延长污泥停留时间（SRT），以保证低温和进水浓度偏低条件下的生化处理性能，氮、磷的去除仍然主要依靠前置 AAO 工艺。在生化处理性能较好的情况下，AAO-MBR 工艺有助于提升出水水质，使 TP 含量稳定达到 0.5 mg/L 以下，TN 含量达到 15 mg/L 以下。但 MBR 池若采取持续的高曝气强度也增加了氮、磷去除的不稳定性，无法保证出水 TN 含量稳定达到 10 mg/L 以下。
在高排放标准要求下，为了应对污水处理厂进水碳源不足的问题，通常采用外加碳源的方式。为了减少碳源投加，充分利用进水中的碳源，采用倒置 AAO-MBR 工艺具有一定优势。
如图 2 所示，缺氧池位于首端，能够优先与进水接触获得碳源进行反硝化，强化脱氮效果，且可以取消缺氧至厌氧的回流，简化系统的同时节省运行能耗。为了保证厌氧释磷，需增加厌氧区的分段进水，并且需保证前置缺氧池的反硝化性能，否则大量硝酸盐进入厌氧池将导致无法有效厌氧释磷。因此，倒置 AAO-MBR 工艺对于缺氧池的容积要求将较大，且要保证反硝化反应的有效性，这就增大了运行的不稳定性和风险。
1.2 改良 Bardenpho-MBR 工艺
为达到更严格的出水 TN 要求（TN 含量稳定达到 8~10 mg/L 以下），改良 Bardenpho 工艺与 MBR 工艺的组合工程应用日渐增多。该工艺就是在 AAO-MBR 工艺中间增设专用的脱氮单元（AO 池），使所有好氧池产生的硝酸盐全部经过缺氧区进行反硝化，并投加碳源，强化脱氮效果，后置好氧池也可与 MBR 池合并。
目前，存在 2 种回流方式：（1）回流形式与 AAO-MBR 工艺一致，MBR 池回流至前端好氧区，前端好氧区回流至前端缺氧区，前端缺氧区回流至厌氧区[图 3(a)]；（2）MBR 池回流至前端好氧区，后置缺氧区回流至厌氧区[图 3(b)]。刘议安等[5]和祝君乔等[4]分别采用图 3 中回流方式一和回流方式二，在进水碳源较好的情况下，均实现了出水 TN 含量稳定低于 10 mg/L，TP 含量稳定低于 0.3 mg/L。高术波采用回流方式二对北京某污水厂进行提标改造，当 COD/TN 约为 6 时，仍能保证出水 TN 含量低于 15 mg/L。本文推荐采用回流方式二，从后置缺氧区回流的混合液经过了 2 个缺氧区，其硝酸盐浓度较回流方式一更低，可以避免硝酸盐对厌氧释磷的影响，增强除磷效果。另外，当进水碳源不足时，后置缺氧区需投加碳源，采用该区域回流至厌氧区，能够充分利用富裕的碳源用于厌氧区释磷，避免了碳源的浪费。
1.3 多级 AO-MBR 工艺
较传统 AAO 工艺和改良 Bardenpho 工艺相比，多级 AO 工艺是采用多段 AO 区串联而成（一般 2~3段），并采用多点进水方式，具有占地面积小、不需内回流、通常情况下不需投加碳源等优点，因此，在现阶段受到广泛应用。多级 AO 工艺与 MBR 工艺相结合后既能发挥前者的强化脱氮优势，又能发挥 MBR 工艺抗冲击负荷能力强的优势。为了保证生化池的污泥量，需进行污泥回流，常规多级 AO 工艺为二沉池回流至厌氧区，但 MBR 池溶解氧含量较高，需进行多级回流逐步降低溶解氧。目前，针对多级 AO-MBR 工艺的相关工程应用较少，也未形成系统的调控手段和运行策略。张晓飞等通过构建多级 AO-MBR 工艺中试装置，实现在 7~13 ℃条件下，基本能保证出水 TN 含量低于 10 mg/L，去除率稳定达到 85%以上，出水TP 含量甚至低于 0.1 mg/L，去除率高达 97.5%以上，这说明该工艺在低温条件下能有效满足较高的排放标准。
由于污泥回流的存在，多级 AO 工艺可不设内回流，但多级 AO-MBR 工艺因 MBR 池污泥溶解氧较大无法直接回流至厌氧池，其回流方式将对其污染物去除性能产生较大影响。本文提出 4 种多级 AO-MBR 工艺回流方式：（1）MBR 池回流至第一好氧区前端，第一缺氧区回流至厌氧区前端[图 4(a)]；（2）MBR 池回流至第一好氧区前端，第二缺氧区回流至厌氧区前端[图 4(b)]；（3）MBR 池回流至第二好氧区前端，第二缺氧区回流至厌氧区前端[图 4(c)]；（4）MBR 池回流分别回流至各好氧池前端，第二缺氧区回流至厌氧区前端[图 4(d)]。由于目前尚缺乏相关研究，现通过理论分析 4 种回流方式对氮、磷去除的影响。首先为保证厌氧区的高效释磷
图 4 中的回流方式二、三和四较为合理，污水经过两级缺氧可获得更低的硝酸盐浓度。另外，从 MBR 池回流的污泥浓度较高，能大幅增加生化池的微生物含量，增强抗冲击负荷能力，采用回流方式二和四更合理，能使生化池既能保持高污泥浓度，又能保证除磷效果。一般为防止 MBR 反应池内的污泥浓度过高导致膜丝堵塞，回流量一般为 500%。通常多级 AO 工艺逐级 AO 的 HRT 相差不大或有增大趋势，若采用回流方式二将导致第一段 AO 承受过量回流，难以稳定达到缺氧环境，因此，采用回流方式四更为合理，将回流量平均分配于多个好氧池，既能保证各功能区的污泥浓度，又能保证各反应功能区的溶解氧环境。
原标题：AAO 及改良型工艺耦合 MBR 工艺应用研究综述
原作者：鲍任兵，马民，徐健，万年红，魏晓蓓，杜敬，贺珊珊
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