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分段进水多级A/O-MBR工艺技术说明书1分段进水多级A/O-MBR工艺介绍连续流分段进水多级A/O-MBR工艺是一种高效的生物脱氮工艺，同传统前置反硝化(A/O)工艺相比，该工艺无需设置硝化液内回流设施，节省内循环所需能量，且各缺氧区进水，可充分利用原水中有机碳源进行反硝化，节省药剂费用；此外，用膜池代替二沉池，增加了系统的污泥浓度，提高了硝化效率并进一步降低了出水的浊度与SS，同时占地面积大幅减小，降低了基建投资。1.1基本原理如图1所示，分段进水A/O工艺中，污水以一定的分配方式分别进入各段缺氧区。污水进入某一段缺氧区可为该缺氧区反硝化提供电子受体，同时，其携带的有机氮和氨氮在好氧区硝化后，进入下一段缺氧区为其反硝化提供所需的电子供体。第1段的缺氧区主要对回流污泥中的硝酸盐氮进行反硝化。这样就无需设置硝化液的内回流设施，在不外加碳源的条件下，达到较高的反硝化效率。另外，膜池代替二沉池增加了生化段的污泥浓度，同时延长了系统的SRT，使得世代周期较长的硝化细菌得以顺利增殖，从而提高硝化效率。图1分段进水多级A/O工艺流程图1.2工艺特点(1)脱氮效率高假设，每段缺氧池和好氧池中，反硝化与硝化作用进行完全，则多级A/O工艺的理论TN去除率为η=(𝐴0−𝑁𝑒)/𝐴0×100%(1)对于第n段，根据物料守恒，有𝑁𝑒=𝑟𝑛𝑄(𝑟+1)𝑄∙𝐴0=𝑟𝑛𝑟+1∙𝐴0代入式(1)中，得η=(1−𝑟𝑛𝑟+1)×100%(2)当进水分配系数为1，即每段进水量相同时，有𝑟𝑛=1/n，则η=(1−1𝑛∙1𝑟+1)×100%(3)式中，η——理论最高的总氮去除率，%；𝐴0——进水总氮浓度，mg/L；𝑁𝑒——出水和回流污泥中硝酸盐氮的浓度，mg/L；r——膜池污泥回流比；𝑟𝑛——第n段进水量占总进水量的百分比；n——反应器级(段)数。由此可见，反应器段数越多，脱氮效率越高。然而，在实际工程中，反应器段数的增加会使工艺设计与运行管理变得更加复杂，且对于4段以上设施因段数增加带来的脱氮率增幅不大，故工程实际应用中一般采用2~4段。(2)节省基建投资如图1所示，根据MLSS质量平衡，可以得到各段的MLSS表达式𝑋𝑖=𝑟𝑟+∑𝑟𝑚𝑖𝑚=1∙𝑋𝑟(4)式中，𝑋𝑖——第i段好氧池的MLSS质量浓度，mg/L；𝑟𝑚——第m段进水量占总进水量的百分比；𝑋𝑟——回流污泥(膜池)的MLSS质量浓度，mg/L。由式(4)可知，MLSS浓度随级数的增加而降低。在最终段MLSS浓度相等和其他条件相同的情况下，多级A/O工艺平均MLSS浓度比其他前置反硝化工艺大。而膜池的增加使得系统的MLSS浓度进一步增大，所需生化段的池容进一步减小；另外，用膜池代替二沉池，减小了占地面积，因而节省了基建投资。(3)降低运行费用由于前一级好氧区硝化液直接进入下一级缺氧区，不需要设置硝化液回流设施。而对于传统A/O-MBR工艺，除50%~100%污泥回流外，还需200%~300%的硝化液回流。另外，利用曝气后好氧段与缺氧段因密度差形成的液位差来实施内部循环，能够灵活应对水量、水质变化，节省曝气能耗。有文献指出，3级A/O工艺(不含膜池)运行能耗约0.28kWh/m3，仅为传统工艺的70%。(4)抗冲击负荷能力强由于进水方式为分段进水，因此该工艺可以根据进水量、水质特性和环境条件的变化，灵活调整运行方式。同时，多级A/O-MBR工艺具有较高的污泥浓度，F/M较一般工艺要低，因此可以承受较大的冲击负荷。1.3局限性(1)缺氧、好氧区交替存在，从好氧区流入到缺氧区的混合液不可避免地携带部分溶解氧，若控制不利，可能致使异养菌与反硝化菌竞争进水中的易降解COD，对低C/N比的生活污水来说，将使得反硝化碳源不足的问题更加严重；(2)运行和操作的灵活性，给分段进水工艺的设计和控制带来一定的复杂性；(3)膜池的曝气能耗将会增加工程的运行费用，而膜污染问题也将是制约工程运行的重要问题。2工艺设计参数分段进水多级A/O-MBR工艺的设计参数主要有污泥回流比、反应器级(段)数、各段进水流量比(分配系数)、缺氧池与好氧池的体积等。2.1污泥回流比分段进水A/O工艺中，由于污泥回流比对脱氮效率的影响比对传统的前置反硝化系统要小，且回流比增大会使反应器中沿程的MLSS的质量浓度梯度降低，所以工艺中不宜采用过大的污泥回流比，一般取50%左右。2.2反应器级数反应器级数是根据需要达到的TN去除率来确定的。假设反应器每段进水量相同，污泥回流比r=50%，根据实际污水的TN浓度及所要求的出水TN浓度计算得到设计的TN去除率，代入到(3)式中即可估算出所需反应器的段数。然后，根据实际工程的预算、占地等因素综合考虑，并最终确定工艺的段数。实际工程中反应器段数一般取2~4段。2.3各段进水流量比各段进水的流量分配是多级A/O工艺设计中的一个极为重要也是较难确定的参数。下面列出两种主要的流量分配方法：一是等负荷流量分配法，根据系统各段硝化容量分配流量，优先保证硝化效果，用于高氨氮负荷时保证系统稳定运行有效方式；二是采用流量分配系数，根据进水C/N进行流量分配，目的是充分利用进水碳源，并保证最后一段进水量最少，该方法是提高脱氮效率乃至深度脱氮的重要方式。分段进水A/O-MBR工艺的水量平衡图见图1。在对流量分配进行理论分析时，首先假设(1)原水无硝酸盐和亚硝酸盐；(2)系统硝化、反硝化容量充足，无氨氮流入膜池，出水只含有硝酸盐氮，无亚硝酸盐氮，回流污泥中无氨氮和可生物降解物质；(3)忽略细胞同化作用消耗的氮；(4)原水碱度充足；(5)膜池不发生反硝化反应。(1)等负荷流量分配法对于脱氮工艺，硝化是影响系统脱氮效果的重要因素。分段进水A/O系统中，由于原水分散进入反应系统，系统各段MLSS呈梯度分布，不同进水流量比导致各段硝化菌的F/M(氨氮/硝化菌数量)值不同，且当后段好氧区硝化菌F/M值高于前段硝化菌F/M值时，系统硝化反应将受到负面影响。在高负荷时，这种负面影响将变得更加明显。由于污泥浓度沿流程呈递减分布，为保证较好的硝化效果，进水流量通常呈递减分布。假设系统各段进水比Q1:Q2:⋯Qi:⋯Qn=r1:r2:⋯ri:⋯rn，各好氧段硝化菌数量为M1,M2,⋯Mi,Mn，且各段好氧区体积相等，污泥回流比为r，由系统物质平衡，可得第n段硝化菌数量与第1段的比值为：𝑀𝑛𝑀1=𝑋𝑛𝑋1=𝑟+𝑟1𝑟+𝑟1+⋯𝑟𝑖+⋯+𝑟𝑛(5)为保持各段好氧区的F/M相等，有𝑟𝑛𝑟1=𝑀𝑛𝑀1=𝑟+𝑟1𝑟+𝑟1+⋯𝑟𝑖+⋯+𝑟𝑛(6)由此，可得n-1个方程，另𝑟1+𝑟2+⋯𝑟𝑖+⋯+𝑟𝑛=1，根据方程即可求出系统的流量分配比。采用等负荷流量分配法分配流量时，为降低系统出水硝酸盐氮浓度，可以提高第1、2段进水量，使第1、2段硝化菌的F/M增高，这样，即使第1、2段不能硝化完全，剩余的氨氮可以在后续好氧段硝化去除，不会影响系统整体硝化容量的充分利用。但是，这样分配的结果可能造成第1、2段缺氧区碳源浪费。若末段好氧区硝化菌F/M值高于第1、2段，虽然某些情况下可以更加充分地利用原水中的碳源，但当原水负荷较高时，会导致出水氨氮浓度增加。此外，低负荷时，若前段进水量较小，硝酸盐氮产生量不足，使得硝酸盐成为后段缺氧区反硝化的限制因素，提高后段进水流量也不再有意义。分段进水流量比显然影响着系统各段硝化、反硝化容量的充分利用。采用等负荷流量分配方法，可以优化系统硝化过程，但很难同时兼顾反硝化过程，若需对反硝化过程进行优化，还需考虑进水C/N和进水负荷等因素。(2)流量分配系数法设第1段缺氧池的TN、NO3--N和COD浓度分别为A1、N1和S1，进水TN和COD浓度分别为A0和S0，回流污泥中的NO3--N浓度为Ne，根据物料守恒，有𝑟1𝑄𝐴0=(𝑟+𝑟1)𝑄𝐴1⟹𝐴1=𝑟1𝑟+𝑟1∙𝐴0(7)𝑟𝑄𝑁𝑒=(𝑟+𝑟1)𝑄𝑁1⟹𝑁1=𝑟𝑟+𝑟1∙𝑁𝑒(8)𝑟1𝑄𝑆0=(𝑟+𝑟1)𝑄𝑆1⟹𝑆1=𝑟1𝑟+𝑟1∙𝑆0(9)当第1段反硝化完全时，有𝑆1=𝛼𝑁1(10)式(10)中𝛼为常数，它表示单位NO3--N转化成N2所需要消耗的有机物的质量，以COD来表示(mgCOD/mgNO3--N)，可以通过实验来测定，其与SRT、内源衰减系数、可生物降解生物体比例及进水水质有关。将(8)与(9)代入(10)中，得𝑟1=𝛼∙𝑁𝑒𝑆0∙𝑟(11)方程(11)定义的是原水投加到第1段缺氧区的最小比例。按此比例分配进水可保证第1段缺氧区完全去除回流污泥带来的NO3--N。同理，根据物料平衡，对第n段进行物料衡算，有𝑟𝑛=𝛼∙𝐴0𝑆0∙𝑟𝑛−1(12)根据式(12)对各段进水进行分配，即可以满足各段进入的原水恰好可以提供充足的电子供体将上一段缺氧区产生的硝酸盐氮反硝化，并使得最后一段进水最少，出水硝酸盐氮浓度最低。对同一进水水质，当各段缺氧区进水提供的电子供体恰好可以将上一段产生的硝酸盐氮反硝化去除时，𝛼∙𝐴0𝑆0为定值，则将式(12)进行变换，得𝛿opt=𝑟𝑛𝑟𝑛−1=𝛼∙𝐴0𝑆0=𝛼𝑆0𝐴0⁄(13)式中，𝑆0𝐴0⁄为进水的C/N，𝛿opt为最优流量分配系数。当进水C/N≥𝛼时，𝛿opt≤1，进水流量沿流程递减分布；反之，则沿流程递增分布。已知，回流污泥中NO3--N浓度与进入最后一段的进水TN浓度相同，则有𝑟𝑛𝑄𝐴0=(1+𝑟)𝑄𝑁𝑒⟹𝑁𝑒=𝑟𝑛1+𝑟∙𝐴0代入式(11)中，得𝑟1=𝛼∙𝐴0𝑆0∙𝑟𝑛1+𝑟∙𝑟𝑛(14)方程(14)是第1段进水完全将回流污泥中携带的硝酸盐氮反硝化去除所需的最小流量比，实际中可将计算得到的各段进水的分配数值代入式(14)中进行校核，以确保第1段缺氧区能够完全去除回流污泥携带的NO3--N。(3)分配方法选择原则高C/N污水适宜采用流量分配系数法，但氨氮负荷高时需加强对硝化反应的控制，以避免造成碳源浪费的情况，保证处理效率。而低C/N污水，碳源是TN去除的限制因素，从利于硝化菌生长，满足氨氮排放标准的角度考虑，建议采用等负荷流量法对污水进行分配。2.4缺氧池与好氧池容积分段进水多级A/O-MBR脱氮工艺的生物反应池的容积，考虑到硝化、反硝化脱氮作用，宜采用硝化、反硝化动力学计算。(1)缺氧池容积缺氧池的容积，可按下列公式计算：Vn=0.001𝑄(𝑁𝑘−𝑁𝑡𝑒)−0.12∆𝑋𝑉𝐾𝑑𝑒𝑋(15)𝐾𝑑𝑒(𝑇)=𝐾𝑑𝑒(20)∙1.08(𝑇−20)(16)∆𝑋𝑉=𝑦𝑌𝑡𝑄(𝑆0−𝑆𝑒)1000(17)式中，Vn——缺氧池容积(m3)；𝑄——生物反应池的设计流量(m3/d)；X——生物反应池内混合液悬浮固体平均浓度(gMLSS/L)；𝑁𝑘——生物反应池进水总凯氏氮浓度(mg/L)；𝑁𝑡𝑒——生物反应池出水总氮浓度(mg/L)；∆𝑋𝑉——排出生物反应池系统的微生物量(kgMLVSS/d)；𝐾𝑑𝑒——脱氮速率[(kgNO3--N)/(kgMLSS∙d)]，宜根据试验资料确定。无试验资料时，20℃的𝐾𝑑𝑒值可采用0.03~0.06(kgNO3--N)/(kgMLSS∙d)，并按规范公式(16)进行温度修正；𝐾𝑑𝑒(𝑇)、𝐾𝑑𝑒(20)分别为T℃和20℃时的脱氮速率；T——设计温度(℃)；𝑌𝑡——污泥总产率系数(kgMLSS/kgBOD5)，宜根据试验资料确定。无试验资料时，系统有初次沉淀池时取0.3，无初次沉淀池时取0.6~1.0；y——MLSS中MLVSS所占比例；𝑆0——生物反应池进水五日生化需氧量(mg/L)；𝑆𝑒——生物反应池出水五日生化需氧量(mg/L)。(2)好氧池容积好氧池容积，可按下列公式计算：V𝑂=