AAO-MBR工艺将AAO工艺中的二沉池用MBR池替代，具有占地小、出水水质好等优点，但存在运行管理难度大、碳排放量高及生物除磷效果不佳等问题。近年来，学者们通过应用活性污泥数学模型成功实现了MBR强化生物除磷过程的仿真，并将其应用到对AAO-MBR工艺的运行优化中。笔者以武汉市某污水处理厂AAO-MBR工艺为研究对象，针对该工艺生物除磷效果不佳的现状，基于BioWin6.0建立AAO-MBR工艺模型，并根据STOWA协议校准模型，对好氧区溶解氧（DO）浓度、系统排泥量、各级回流量等不同工况分别进行模拟优化，以期获得生物除磷的最佳运行参数，提升污水处理效果。
1、项目概况
武汉市某污水处理厂采用AAO-MBR工艺，设计规模为20×104m3/d，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级A标准。生物池设2座，每座分两组，单组生物池的处理水量为5×104m3/d。厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的水力停留时间（HRT）分别为1.38、3.01、4.10和1.33h。与传统AAO+二沉池工艺采用污泥和混合液分别回流的方式不同，AAO-MBR工艺采用由膜池到好氧池、再由好氧池到缺氧池，最后由缺氧池到厌氧池的混合液逐级回流方式，具体见图1。
该污水厂进水COD、BOD5、TN、氨氮、TP、TSS分别为63~260（127）、24~126（59）、8.1~28.4（18）、4~24（14.68）、1.12~7.94（2.12）、44~288（123）mg/L（括号内为均值），进水pH为6.84~7.49、均值为7.15，进水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP分别在0.4~0.6、2~5、20~40之间。监测数据表明，进水属于较易生物降解的污水，虽然BOD5/TN低于3的占比为39%，对冬季生物脱氮影响较大，但BOD5/TP均值为28.93，表明进水具有较好的生物除磷基础。但在实际运行过程中，系统整体生物除磷效率较低，主要依靠化学除磷控制出水TP浓度。
2、模型构建
2.1 模型构建
对生物池各段的DO浓度进行现场实测发现，膜池DO均值为6mg/L，好氧池DO均值为2mg/L，好氧池回流至缺氧池过渡廊道（缺氧池4）的DO均值为0.7mg/L，其余构筑物的DO均为0mg/L。按DO浓度及循环控制将生物池进行细分，各部分尺寸及DO浓度设置如表1所示。
采用BioWin6.0建立污水处理厂全流程水质动力学模型，如图2所示。
2.2 进水水质表征
对10种进水水质组分，即快速降解型COD（Fbs）、乙酸（Fac）、溶解态不可生物降解型COD（Fus）、颗粒状不可生物降解型COD（Fup）、氨（Fna）、颗粒态有机氮（Fnox）、溶解性不可生物降解型凯氏氮（Fnus）、颗粒状不可生物降解型COD中氮（FupN）、磷酸盐（Fpo4）和颗粒状不可生物降解型COD中磷（FupP），进行多次检测，根据平均值对污水处理厂进水水质进行表征，设定相关模型参数如表2所示（TCOD表示总COD，TKN表示总凯氏氮，KN表示凯氏氮，ON表示有机氮）。
2.3 模型校准及验证
进水水质数据采用2020年—2021年的历史数据进行设置，污泥排放量按787m3/d设置，PAC投加量按月平均投加量设置。采用2020年出水水质数据作为模型校准数据，采用2021年出水水质数据作为模型验证数据。采用纳什效率系数（NSE）和相对平均偏差（RMD）表征模型质量，调参前后模型动态模拟结果对比见表3。所有出水水质指标实测值与模拟值的相对误差均在20%以内，且纳什效率系数大于-5，说明模型预测准确度较高。
2.4 AAO-MBR工艺生物除磷模拟
采用校准与验证后的模型，模拟AAO-MBR工艺在不投加化学药剂时的出水TP浓度，实测值与模拟值如图3所示。可知，出水TP浓度模拟值略低于实测值，这可能是因为残留在生物池中的铝盐和铁盐对生物除磷有抑制作用，但总体误差较小，表明模型对AAO-MBR工艺生物除磷具有良好的预测性。
曹斌等人研究表明，AAO-MBR工艺的生物除磷率最高可达到88.4%。根据图3数据计算得到的平均生物除磷率仅为42%，对比之下生物除磷率较低。与该污水厂A/O工艺相比，AAO-MBR工艺的实际投药量也明显偏大。
3、生物除磷优化模拟
在污水处理中，温度、碳源、污泥龄等因素对生物除磷过程影响较大，生产运行过程中可通过控制曝气强度、调整剩余污泥排放量和混合液回流量等措施改善工艺的生物除磷效果。
3.1 整体降低好氧区DO控制值
溶解氧在好氧阶段作为聚磷菌（PAOs）的电子受体参与好氧吸磷过程，主要影响PAOs细胞内聚磷的生成速率。充足的溶解氧有利于PAOs在好氧段超量吸磷，但是过量曝气会导致PAOs细胞内的聚羟基丁酸酯（PHB）消耗过快，使得PAOs生长缓慢，在与聚糖菌（GAOs）的竞争中失去优势。在AAO-MBR工艺中，膜池由于需要过量曝气维持膜通量，DO浓度通常较高。优化中将好氧区的DO浓度分别设置为6、5、4、3、2、1、0.5、0.25、0.1、0.05和0.01mg/L，分别对应GP-1~GP-11共11种工况。以2020年全年进水水质数据为动态模拟的输入数据，计算各工况下全年出水TP及氨氮平均值，模拟结果如图4所示。当DO>2mg/L时，DO控制值的减少对出水水质影响较小；当DO从2mg/L降至0.5mg/L时，出水TP平均值随着DO的减少而呈下降趋势；当DO降至0.5mg/L以下时，出水TP平均值迅速下降。出水TP平均值下降的同时，由于硝化不充分，出水硝态氮平均值大幅下降，而氨氮平均值大幅上升。当DO降至0.5mg/L时，出水TP平均值从1.26mg/L降至1.24mg/L，降低了1.58%，此时刚刚能够满足出水氨氮全年达标。
3.2 分段控制好氧区DO浓度
如果将该AAO-MBR工艺中的MBR池视作好氧区，则厌氧区、缺氧区、好氧区的HRT分别为1.38、3.01和5.43h，满足设计规范对AAO工艺水力停留时间的规定。但研究发现，在某些污水处理厂的AAO工艺中，减少好氧区域、增加缺氧和厌氧停留时间，有助于出水氮、磷浓度的降低。朱星等人也发现，延长缺氧区水力停留时间可以提高倒置AAO-MBR工艺的脱氮除磷效果。因此，考虑通过控制好氧区6条廊道的曝气管阀门，并在廊道中设置推流器，来控制好氧区廊道的DO浓度，以优化工艺运行。按照廊道的实际尺寸对模型进行重新建模，具体如图5所示。
模拟中，处于曝气状态的好氧池DO设置为2mg/L，处于不曝气状态的好氧池DO设置为0mg/L，如图6所示，设置GPG-1~GPG-64共64种工况，其中GPG-64为6条廊道均曝气，即现状工况。对这64种工况分别进行模拟，模拟结果如图7所示。可以看出，随着关闭曝气的生物池数量增加，出水TP平均值呈下降趋势，但全年的氨氮达标率也逐渐下降。GPG-43~GPG-64这22种工况2020年全年出水氨氮的达标率均可以达到100%。其中，GPG-43工况的不投药出水TP平均值为1.01mg/L，相比现状工况降低了19.8%，但出水氨氮平均值相比现状工况升高了150%。
3.3 调整排泥量
生物除磷系统排出的剩余污泥量会影响污泥龄，研究发现，反应器的污泥龄越长，活性污泥的最大释磷和吸磷速率、消耗单位乙酸所释放的磷酸盐量以及污泥含磷量就越小。现状工艺条件下，污水处理厂2020年全年日均污泥排放量为787m3/d，污泥龄为11.13d，排泥泵最大排泥量为1200m3/d，因此设置排泥量为100~1200m3/d的GS-1~GS-12共12种不同工况，对应不同的污泥龄、排泥质量和模拟出水水质结果，具体如表4所示。可知，随着排泥量逐渐增大，排出系统的富磷污泥也相应增加，系统污泥龄下降。模拟结果表明，随着排泥量逐渐增大，不投药出水TP平均值逐渐减小，GS-12为最佳工况，此时出水TP平均值为1.14mg/L，相比现状工况降低了9.5%，此时系统污泥龄为7.32d，在文献通常认为的合理控制范围下限。但是排泥量增大会导致生物池的MLSS降低，同时缩短了污泥龄，从而降低了硝化菌和反硝化菌的数量。模拟结果显示，增大排泥量会导致出水氨氮浓度升高，但仍能保证全年达标。
3.4 调整回流量
该AAO-MBR工艺无单独的污泥回流，仅有混合液逐级回流方式。减少好氧池至缺氧池的回流量，可以减少硝态氮的回流，为前端厌氧释磷提供环境基础。同时混合液回流还会对与生物除磷有竞争关系的生物脱氮造成影响，从而间接影响生物除磷。该工艺中，膜池至好氧池（M-O）设置了4台穿墙泵（单台Q=85680m3/d，3用1备），现状运行仅开启1台；好氧池至缺氧池（O-A）设置了3台穿墙泵，缺氧池至厌氧池（A-A）设置了2台穿墙泵，标称流量均为100008m3/d，现状运行分别开启2台和1台。根据每级回流开启的泵数量，共设置24种不同的硝化液回流工况，具体如表5所示。这24种工况的模拟结果如图8所示。可知，在不同回流工况下，模型预测的出水TP平均值在1.24~1.31mg/L之间小范围波动。其中，GN-23工况（每一级回流泵均只开启1台）出水TP平均值为1.247mg/L，比现状工况GN-21的出水TP平均值低1.0%，而出水总氮平均值仅上升了2.3%。模拟结果表明，虽然各工况的出水总氮与氨氮达标率均能达到100%，但回流量的调整对提高生化除磷效果并不显著，从节能角度出发，维持回流量即可。
3.5 根据水温调整工艺参数
生物除磷与脱氮存在对碳源的竞争，研究表明，当水温控制在20℃以下时，PAOs增殖速度最快，有利于生物除磷；随着水温从5℃上升到25℃时，PAOs的聚磷能力呈下降趋势；当水温从20℃上升到35℃时，强化生物除磷系统中的优势菌群会由PAOs转化为GAOs，生物除磷效果下降；而当水温介于21~33.2℃时，缺氧池的反硝化率稳定在36%~40%，远高于水温为12.5~20℃时的12.1%。该AAO-MBR工艺的实际运行数据也表明，当水温>20℃时生物脱氮效果更好，而当水温<20℃时生物除磷效果更好，具体如图9所示。
为了保证出水氨氮达标的前提下提高系统生物除磷效率，按照进水温度是否大于20℃进行分时段调控。低温时段，维持现状工况，以确保脱氮效果。当水温>20℃时，针对DO、污泥排放量和混合液回流量3个不同因素进行工况的排列组合，模拟共计64×12×24=18432种工况，选择全年出水氨氮和总氮达标时生物除磷的组合工况。结果表明，GPG18+GS7+GN23为生物除磷率最高的组合工况，即关闭好氧区的第1、2、4、6廊道曝气，排泥量设置为700m3/d，污泥回流泵开启台数为1、1、1。好氧区的曝气关闭，形成了好氧-缺氧的间隔，有利于反硝化反应的进行，同时降低了回流液中的硝态氮浓度，有利于厌氧释磷。不投药情况下，出水TP平均值从1.26mg/L降至0.89mg/L，生物除磷率从42%提高至59%。
4、结论与建议
①按水温分时段调整污水处理厂运行参数，当水温在20℃以上时，关闭好氧区的第1、2、4、6廊道曝气，排泥量设置为700m3/d，各级污泥回流泵开启台数均为1；当水温在20℃以下时，维持现状工况。在此优化策略下，AAO-MBR工艺的生物除磷率从42%提高至59%。
②在AAO-MBR工艺中，可适当降低好氧池的HRT，提高缺氧池的HRT，同时设置曝气头和推流搅拌器实现部分区域的灵活曝气。
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