2.1 脱氮
MBR 工艺主要针对有机物、SS 和氨氮，本身不具备反硝化功能，硝酸盐的去除主要依靠前端生化工艺，因此，生化处理性能将直接影响出水 TN。在耦合工艺下，MBR 池的高溶解氧回流液将对前端生化反应产生较大影响。虽然采取多级回流的形式逐级降低溶解氧，能够在一定程度上缓解对缺氧反硝化和厌氧释磷的抑制，但仍然会导致高曝气量的浪费，造成能耗偏高。因此，在控制膜污染的同时，对实现溶解氧控制以及耦合工艺下的生化池优化设计具有重要意义。
（1） 溶解氧控制
为控制膜污染，MBR 工艺气水比通常达到 10:1 以上，回流至好氧池后溶解氧含量也能达到 4~5 mg/L，因此，应充分利用膜池回流的溶解氧，降低好氧区曝气量实现溶解氧控制。根据李易寰等[10]研究，控制好氧区末段溶解氧含量在 1.5~2.5 mg/L，出水 TN 含量可以稳定在 10 mg/L 以下。溶解氧控制可采取分区曝气方式，通过将好氧区进行曝气分区，实时监控进水浓度和好氧区溶解氧，及时调控分区的曝气量，实现好氧区末端溶解氧的精确控制。唐鑫伟等通过采用德国冰得公司生产的 VACOMASS®曝气精确分配与控制系统，将好氧区分为前端和后端，降低前端曝气量以缓解膜池高溶解氧污泥回流，同时监控进水污染物负荷变化，精确控制后端曝气，使好氧区末端溶解氧含量始终位于(1.0±0.5)mg/L，实现出水 TN 含量低至5 mg/L 以下。对于低碳氮比污水，降低好氧区末端溶解氧还能大幅减少碳源投加量。根据德国冰得公司研究，通过精确控制降低内回流溶解氧 3 mg/L，碳源投加量可相应降低近 20%，大大降低了吨水处理药耗。
然而对于现有污水厂提标改造，直接采取降低好氧区的曝气量或直接关闭好氧池风机，将容易发生污泥沉积，因此，需同步增设推流器等防积泥措施。
（2）生化池优化设计
针对现有污水厂提标改造，当采用耦合 MBR 的工艺形式时，若直接采用原生化池设计和曝气系统，要达到好氧池末端低溶解氧的同时，保持出水 COD 和氨氮达标较为困难，对运行调控也是巨大的挑战。
如图 5 所示，本文提出可在好氧区后设置单独的消氧区，膜池回流的污泥首先进入消氧区使溶解氧含量降至 1.5 mg/L 以下，之后回流至缺氧区。好氧区和膜池可保证有机物和氨氮的处理达标，设置消氧区对于运行管理的调控要求较低，但可能导致占地略微增大，适用于大部分污水厂提标改造的要求。一般情况下，耦合 MBR 生化工艺好氧区至缺氧区的回流量为 300%~500%，而传统的 AAO 工艺回流量为 200%~300%，将导致实际缺氧区 HRT 减少 30%~50%，降低反硝化程度。因此，对于耦合 MBR 的生化工艺形式，还应将缺氧池 HRT 增大。
2.2 除磷
MBR 池中通常采用平均孔径为 0.1~0.2 μm 的 PVDF 中空纤维膜或平板膜，能够去除 99%以上的 SS，去除水中的大部分不溶性磷，但无法截留溶解性 PO43-，当前置生化除磷效果较差时，将导致出水 TP 含量较高，无法发挥提升水质作用。另外，在 MBR 池的高曝气强度下，含磷污泥无法得到充分沉降，仅通过剩余污泥排放，无法消除系统内的磷，还可能导致膜池内磷的富集，高磷污泥回流至厌氧区后，在没有充足的碳源条件下，聚磷菌活性降低，影响生物除磷效果。
为保证出水 TP 达标，通常采取化学除磷方式。李易寰等通过向好氧区前端投加三氯化铁，实现出水 TP 含量低于 0.2 mg/L。但随着药剂的持续投加，膜池污泥内磷、铁的含量有升高趋势，这说明逐步出现了磷富集和化学污泥占比增大的现象。因此，化学除磷方式可用于应急投加，长期连续投加并不可取，重点在于低曝气 MBR 池的研发，进一步强化生物除磷。
2.3 膜污染控制
膜池内高浓度的悬浮污泥易附着于膜丝，是导致膜污染的主要因素，也是目前膜池采取大曝气方式的根本原因，因此，采取有效手段保持膜丝清洁的同时，保证生化效果至关重要。当膜污染形成、膜通量降低时，通常采用酸、碱或其他化学药剂浸泡的方式去除膜孔内的污染物，不但易造成二次污染，还会影响膜使用寿命。目前，运行过程中减缓膜污染的物理手段主要是投加粉末活性炭、悬浮填料以及开发新型膜清洗技术等。
（1）投加粉末活性炭在常规 MBR 池内，活性污泥处于悬浮状态，在大曝气量下不易形成粒径较大的生物絮体，易黏住膜丝，加快膜污染。研究表明，向反应池内投加粉末活性炭和颗粒活性炭均能够显著增大污泥絮体粒径，降低污泥比阻值，减小膜孔堵塞几率，延长运行周期。郭小马等通过向 MBR 池中投加 0.8 g/L 的粉末活性炭，有效减小了跨膜压差的上升速度，减缓了膜污染，使运行周期从 7 d 延长至 26 d。一般粉末活性炭的投加量可在 0.5~1.5 g/L，过高投加量反而会影响絮体形成，降低膜临界通量。
（2）投加悬浮填料在膜池内添加填料能够在曝气环境中增加对膜丝的擦洗作用，缓解膜污染。研究表明，在投加填料后可将活性污泥富集在填料表面，提高了生物絮体凝聚力；同时膜池内 MLSS 降低，膜表面滤饼层更为疏松，跨膜压差显著降低，可相应减少膜清洗频率，延长运行时间。樊嘉文等通过向 AAO-MBR 工艺缺氧区、好氧区和膜区添加悬浮填料，在保证氮、磷去除效果的基础上，将最长膜运行时间从 8.71 d 延长至 138 d，大大控制了膜污染进程。
（3）新型膜清洗技术低曝气或非曝气型 MBR 膜清洗技术的开发，如超声波在线清洗技术、往复运行式膜组件、电场缓解膜污染技术等，为该工艺的发展提供了新思路。膜组件在运行过程中不再依靠大曝气量保持膜清洁，在降低能耗的同时减少了回流污泥的溶解氧浓度，全面提升生化处理效能。目前，清洗效果尚有待进一步提升，相关工程应用较少，尚未形成完善的技术体系和设计标准，这将是今后的发展方向。
3 工艺选择与调控方案
如表 1 所示，总结了 AAO 及改良型工艺耦合 MBR 工艺形式的特点和应对情况，在新建污水厂或现有污水厂提标改造时，应根据进水水质和排放标准要求，综合考虑占地及运行经济性，合理选择最佳工艺方案。目前，生化耦合 MBR 工艺形式的工程应用日益增多，但缺乏相关的设计标准和系统性的优化研究，仍存在无效容积大、运行复杂的难题。
如表 2 所示，列举了关键技术问题及优化措施，为今后研究方向及工艺调控提供支持。
4 结语
传统 AAO 工艺、改良 Bardenpho 工艺、多级 AO 工艺与 MBR 工艺的耦合形式能够在低碳源、低温条件下有效提高氮、磷去除能力，增强抗冲击负荷能力，这是新建污水厂和现有污水厂提标改造的有效选择。
对于现有污水厂的改造，需要根据进水水质和出水重点关注指标优化调控和运行参数，调整运行策略，保证前端生化系统的运行高效性和稳定性；对于新建污水厂的设计，应优化前置生化工艺的设计参数和回流形式，提出新的设计思路，发挥各工艺单元最大优势的同时减少无效容积。为努力实现碳达峰和碳中和目标要求，进一步促进节能减排，探索新型的膜组件及运行方式是今后发展的必然选择。
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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