为了解超高污泥浓度(MLSS)对膜生物反应器(MBR)工艺运行效果的影响，研究分析了南京某采用厌氧/缺氧/好氧/缺氧(AAOA)-MBR工艺的城市污水处理厂在超高MLSS浓度下的运行情况。结果表明：MBR工艺在可在较高的污泥浓度下运行，并且高污泥浓度有助于系统对有机物的去除。该污水厂的MBR膜池在20g/L左右的超污泥高浓度下运行了超过600d的时间，出水COD、氨氮、TN、TP浓度分别约为14、0.43、6.37和0.25mg/L;高污泥浓度可增强系统抵抗低温、进水负荷抗冲击的能力，并且联合后置缺氧段强化了系统的内源反硝化。MBR系统在高污泥浓度下运行，需要密切注意膜通量及跨膜压差的变化，适时进行膜清洗，以免发生膜污染。
1、工程概况
1.1、处理工艺该厂采用厌氧/缺氧/好氧/缺氧(AAOA)-MBR工艺，处理规模为10×104m3/d，现实际处理量为(6～8)×104m3/d。工艺流程如图1所示。
图1工艺流程示意
该污水厂进水为实际城市污水，其COD、BOD5、TP、TN、氨氮浓度范围为57~348、21~168、2~8、18~50、5~50mg/L,均值依次为206、75.4、4、29.7、22.7mg/L;pH值范围为7~7.6，均值为7.3;水温在13~28℃之间波动，均值为22℃。
1.2、运行参数系统的SRT为18d,厌氧段、缺氧段、好氧段、后置缺氧段、膜池的HRT分别为1.95、2.45、4.35、2.5、1.3h，好氧段DO为0.2~1mg/L，膜池的曝气强度为60～90m3/(m2˙h)，膜池至好氧池、好氧池至缺氧池、后置缺氧池至厌氧池的回流比分别为600%、500%、300%(设计值分别为400%、400%、200%)，膜池的MLSS为10~25g/L，MLVSS/MLSS值为0.3~0.6(平均为0.4)，膜通量为18～25L/(m2˙h)，温度为13~28℃。
2、运行情况与分析
2.1、高污泥浓度的产生该厂设计的污泥浓度是在8~10g/L，但由于在实际运行过程中出现污泥脱水设备故障等问题，导致系统无法正常排泥、脱泥，污泥浓度逐渐升高(见图2)，最高约为26g/L，2016年3月—2017年10月的610d内，膜系统在20g/L以上的污泥浓度下连续运行时间长达100d以上，系统的膜池MLSS浓度平均维持在18.4g/L左右，均属于超高污泥浓度(图2中相邻污泥浓度变化幅度较大的主要原因是每天混合液取自不同膜池，主要反映系统整体污泥浓度变化趋势)。然而，从膜系统跨膜压差(TMP)及膜通量的变化(见图3)可以看出系统整体并没有崩溃，跨膜压差平均为-24kPa左右，对应膜通量平均为18.4L/(㎡˙h左右)。在膜池MLSS浓度最高(超过20g/L)的一段时间，膜系统的跨膜压差较大，频繁超过了-30kPa，说明此阶段膜污染严重，膜系统有一定的运行风险，这段时间进行了频繁的化学清洗。在修复污泥脱水等设备后通过加大排泥量将污泥浓度降低，并进行维护性清洗，使得膜系统的TMP恢复至正常区间。
图2 系统污泥浓度变化
图3高污泥浓度下膜系统的通量及跨膜压差变化
综上所述，MLSS浓度在20g/L以内时，膜池通过正常的在线化学清洗及根据压差变化适当增加清水反冲洗可实现膜系统的正常运行，但当膜池MLSS增加至20g/L以上时，膜系统的运行效果会明显恶化，所以膜系统污泥浓度不宜超过20g/L。
2.2、高污泥浓度下有机物及TP的去除效果：如图4所示，在高污泥浓度下系统一直保持着良好的COD去除效果，系统的进水COD平均约为206mg/L，出水COD平均约为14mg/L;此外系统的进水BOD5较低，平均约为75.4mg/L，进水B/C约为0.36，表明生化性并不佳。然而系统对有机物的去除效果依然很好，COD平均去除率可达90%以上，出水COD浓度稳定优于地表水Ⅳ类水标准；该系统主要是通过化学除磷，除磷药剂为聚合氯化铝(PAC),尽管系统的进水TP浓度波动较大，但出水TP浓度基本稳定在0.5mg/L以下，平均为0.25mg/L。由此可见通过化学方式除磷基本不受超高污泥浓度的影响，但生物除磷能力是否收到了影响尚需进一步研究。
图4 系统进出水COD及BOD5浓度变化
图5 系统进出水TP浓度变化
2.3、高污泥浓度下系统的脱氮效果：该系统在高污泥浓度下一直保持着良好的硝化效果，氨氮平均去除率约为98.1%，出水氨氮浓度基本维持在1mg/L以下。同时，系统始终保持着良好的脱氮效果，TN平均去除率约为77.0%(第240d左右有三天进水TN较低，故TN去除率较低)，出水TN平均浓度约为6.37mg/L;这表明系统的反硝化效果极佳，但从进水BOD5浓度可以看出，进水碳氮比不足3，并不适合反硝化脱氮，推测可能发生了内源反硝化。
图6 系统进出水氨氮浓度变化
图7系统进出水总氮浓度变化
2.4、高污泥浓度下的内源反硝化：虽然进水BOD5浓度不高，但消耗的COD浓度还是远大于进水BOD5浓度(红色方格构成的区域为两者差值)，另外最终进水COD基本都被降解，由此可见进水中的COD主要为可降解但不易降解大分子有机物。
图8系统进出水碳氮比变化曲线
2.5、MBR系统在超高污泥浓度下的运行管理：污水生物处理工艺的类型决定了其处理效果的上限，日常的运行管理则保证了其处理效果的下限。为保障系统在超高污泥浓度下的运行稳定，该厂主要在以下几个方面进行了强化管理：
(1)控制膜池回流量，充分利用膜池富余溶氧，同时配合调节生化池风机风量，针对四组生化池分别进行风量精确控制，采用梯度曝气的方式，在保证NH3-N充分硝化的情况下，防止了好氧末端溶解氧过高，进入缺氧和后缺氧池后影响反硝化和内源反硝化效果。
(2)根据进出水水质水量和过程工艺参数的变化趋势及时调整曝气和回流量，处理好脱氮和除磷的关系，防止碳源在厌氧和好氧段过度消耗，从而保证碳源被充分利用于反硝化脱氮。
(3)由于污泥浓度较大，为防止污泥堆积在膜池，适当提高了回流比，如表2所示，该系统在高污泥浓度下各段的回流比均大于设计值。但考虑的节能降耗因素，需在实际运行过程中根据MLSS变化、进水水质情况适当调整使得系统运行更加经济合理。
(4)在高污泥浓度下需要加强对膜池各项参数的监测，主要包括污泥浓度、跨膜压差、过滤性、膜通量等，通过这些数据的变化和分析，及时调整运行方式，强化清洗。
(5)根据膜的污染情况灵活调整膜的清洗方式，通过调整浸泡药剂的浓度、药剂种类、清洗频次、清洗流程来满足膜清洗的需要，必要时配合离线清洗来控制膜污染。
(6)在高污泥浓度下加强及时排泥，保持污泥的活性，避免死泥的积累。 |
