某海岛位于北方某滨海城市，为国家级海岛森林公园。全岛无集中生活污水处理厂，污水处理站设备老化，出水水质较差。根据2017年当地环境监测站提供的数据，污水处理站出水中COD为49~129 mg/L，氨氮为13.4~49 mg/L，SS为14~36mg/L，较难达到《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B出水水质要求。因此，该岛急需新建集中式污水处理厂对生活污水进行收集处理，以满足GB 18918-2002一级A出水水质的要求。

由于当地居民习惯食用海产品，导致生活污水中的总氮含量较高，采用常规生活污水一体化处理装置难以保证出水水质。周元等^[1]为提高生活污水的脱氮效果，在传统A²O工艺基础上增加后置缺氧段，并与膜生物反应器相结合，构建了AAOA-MBR污水处理中试装置，取得较好的脱氮效果。刘纪成等^[2]研究表明，在高污泥浓度情况下，AAOA-MBR处理工艺可增强内源反硝化脱氮效果。以上研究在TN＜50 mg/L、碳氮比＞3的水质情况下具有较好的脱氮效果，但对于该海岛TN高达150 mg/L、碳氮比＜3的水质特点，尚无相关研究和实践考证。鉴于此，笔者采用AAOA-MBR工艺对该地区生活污水进行处理，介绍了该污水处理系统的详细设计参数，对同类水质特点的海岛类生活污水处理工程及相关研究有一定借鉴意义。

根据该岛环境监测站实测某小区1、2、3号污水处理站进水的污水水质，按90%保证率确定设计进水水质。出水水质根据《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准确定。具体进出水水质如表 1所示。

该工程进水B/C为0.50，可生化性较好，因此采用常规生物处理工艺能去除有机物。进水BOD₅/TP为39，设计出水TP要求很高（0.5 mg/L），为保证除磷效果，需考虑辅助化学除磷措施。进水Cl^-为400~800 mg/L，原因在于海岛生活污水中海产品较多，含盐量较高，根据《工业建筑防腐蚀设计标准》GB 50046-2018，对应为轻级别^[3]。参照周边污水厂的实际运行经验，构筑物不考虑额外防腐措施，但工业管道需考虑防腐，如尽可能采用316L高防腐等级材质管道。

该工程位于海岛类乡镇，因居民生活饮食关系，设计进水TN很高（150 mg/L），进水BOD₅/TN为2.33。反硝化细菌在分解有机物过程中同步进行反硝化^[2]，生物脱氮能力主要通过BOD₅/TN进行鉴别。判断污水生物脱氮性能所需碳源是否足够（即BOD₅），主要依据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）中规定的“污水的5日生活需氧量与总凯氏氮之比＞4，即可认为污水有足够的碳源供反硝化细菌利用”^[4]。由于进水BOD₅/TN为2.33，可分析出反硝化脱氮所需有机碳严重不足^[5]，必要时应考虑外加有机碳源以保证脱氮效果。

考虑到海岛具有季节性旅游的特点^[6]，污水水量水质波动较大，在进水前端设置调节池，以调节水量及水质。对于预处理段，在生化处理前设置粗细格栅池及混凝沉淀池，以满足去除较大颗粒杂质及磷的要求。针对进水TN高、碳氮比低的特点，选择生化处理段时着重考虑脱氮效果好的处理工艺。根据工程实践经验，对MBR工艺及曝气生物滤池工艺进行对比分析，见表 2。

从表 2可以看出，相比于曝气生物滤池工艺，MBR工艺可维持很高的MLSS，产泥率较低，占地面积较小，耐水质水量冲击能力较强^[6]，尤其适合水质水量波动较大的小型污水处理厂。从占地面积、进水水质、出水中水回用要求、一次性投资成本等方面考虑，优先选择MBR处理工艺。结合改良AAO处理生活污水较稳定成熟的工程经验，最终选定污水处理工艺为预处理-AAOA-MBR-次氯酸钠消毒。具体工艺流程如图 1所示。

目前针对AAO-MBR脱氮除磷的研究较多，但其仍有缺陷，主要表现为反硝化不彻底、硝态氮含量较高^[7]，通过好氧池回流液携带进入缺氧池的溶解氧不利于反硝化反应的缺氧环境，同时膜池回流液还会携带硝酸盐进入厌氧池，与聚磷菌厌氧释磷争夺碳源，影响生物除磷效果，总氮去除率不理想^[7]。

针对上述问题，在传统AAO-MBR基础上增设1个后置缺氧池，形成AAOA-MBR组合处理工艺，充分利用污水自带的碳源，减少外部碳源投加量。

该工程生物池分为2组矩形钢筋混凝土池，由厌氧池（A）、前缺氧池（A）、好氧池（O）、后缺氧池（A）组成。池体尺寸27.4 m×14.35 m×6.0 m，有效水深5.0 m，其中厌氧区有效池容100 m³，前缺氧区有效池容430 m³，好氧区有效池容730 m³，后缺氧区有效池容200 m³，总有效池容为1 460 m³。生物池主要设计参数见表 3。

MBR系统采用分组式系统，设置独立的膜池。膜池分为2组，单组尺寸为2.0 m×4.7 m×5.0 m，有效水深3.6 m，有效容积34 m³，单池设2组膜组器。根据《膜生物法污水处理工程技术规范》HJ 2010-2011的要求^[8]，膜池超高为0.5 m，膜池采用射流曝气与穿孔管曝气相结合的曝气方式。该工程膜池设计污泥质量浓度为8 g/L，膜箱溶解氧质量浓度为2.0 mg/L，污泥回流比R1为400%。按规范及工程经验，膜池其他设计参数：（1）膜面流速为3~5 m/s；（2）考虑到长期运行膜通量会下降^[9]，以及冬季运行的影响，最不利膜通量设计为10 L/（m²·h）；（3）操作压力为0.2~0.4 MPa；（4）系统膜总面积为2 083 m²。

主要工艺设备、材料及清洗系统的设计参数：（1）膜组件采用中空纤维膜，材质为PVDF，膜孔径为0.01~0.04 μm。（2）产水泵/反洗泵/剩余污泥泵近期设置2台（1用1备），远期增加1台，Q为20 m³/h，H为10 m，P为2.2 kW。（3）罗茨鼓风机近期设置2台（1用1备），远期增加1台，Q为1.35 m³/min，H为5.0 m，P为3.5 kW。（4）在线清洗系统包括加药泵、加药罐及配套的管路系统、计量系统，在线清洗药剂采用质量分数为0.2%的NaClO，药剂用量按2.0 L/（m²·次）配制。（5）离心清洗系统包括清洗槽、吊装设备、曝气系统，清洗频次为半年1次，清洗药剂采用质量分数为0.3%的柠檬酸、0.2%的NaClO，废液进入周边废液收集系统。

AAOA-MBR处理工艺实际上的氮平衡十分复杂。为便于计算，将氮平衡看成一个封闭系统。根据质量守恒，进入系统的氮等于排出系统的氮，系统内部污泥回流及消化液回流等不涉及整个系统进出问题，故不做考虑，简化计算^[10]。

生物池进水总氮主要包括有机氮和氨氮，出水总氮主要包括有机氮和硝态氮。进水总氮在生化池内部分反硝化产生的氮气被排走，部分总氮经微生物同化作用进入污泥，其余出水总氮需满足《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A标准要求。

具体氮平衡见图 2。

微生物同化作用的脱氮量按BOD₅消耗量计算为0.05·（S_i-S_e），其中S_i、S_e分别为进、出水的BOD₅；反硝化去除的氮与缺氧池容积和进水BOD₅浓度，具体表示为K_de·S_i（K_de为反硝化的硝态氮与进水BOD₅的比值），系统进水及出水总氮分别为N_i和N_e。将上述各项代入图 2可得氮平衡方程，如式（1）所示，需补充碳源的BOD₅量为4·N。

(1)

理论上反硝化脱除1 kg硝态氮需消耗2.86 kg BOD₅^[5]，即K_de为0.35 kgNO₃^--N/kgBOD₅，但在工程实际中进入缺氧池的BOD₅不会完全被反硝化菌利用，根据德国标准ATV-A131E计算，该工程K_de计算值为0.25 kgNO₃^--N/kgBOD₅。

该工程不考虑一级处理对BOD₅的去除，因此生物池进水BOD₅为350 mg/L，出水BOD₅为10 mg/L，代入式（1）可得到外加碳源投加总氮量：N=150-0.25×350-0.05×（350-10）-15=30.5 mg/L，则需补充碳源的BOD₅量为4×30.5=122 mg/L。

根据巩有奎等^[11]的研究，乙酸钠、乙醇、甲醇3种碳源的反硝化速度从大到小依次为乙酸钠＞乙醇＞甲醇，因此选择乙酸钠作为碳源。BOD₅与乙酸钠的当量系数为0.52^[11]，因此乙酸钠溶液（质量分数60%）投加量为122/1 000×500/0.52/0.6=196 kg/d。

该工程乙酸钠投加系统主要包括乙酸钠加药罐和乙酸钠加药泵。其中加药罐考虑3 d以上的储药量，考虑防腐问题选择PE材质；由于加药罐内药剂需要搅拌，因此选择上部敞口带有搅拌机的配药储罐。

（1）乙酸钠配药储罐（带搅拌机，上部敞口），数量1个，V=3 m³（10 d以上储药量），P=1.5 kW，设备材质PE。

（2）乙酸钠加药泵（至前缺氧池和后缺氧池），机械隔膜泵；数量2台，1用1备，Q=150 L/h，H=50 m，P=0.25 kW，设备主体材质SUS316。

该工程总投资2 397.91万元，其中建设投资2 044.82万元。因项目由政府投资并运营，故只测算经营成本。经测算，年经营成本为90.59万元，年处理污水量18.25万t，单位经营成本4.96元/t。由于该项目所属区域的特殊性，单位经营成本较常规水厂经营成本偏高，其原因在于：（1）进水水质较差，尤其TN高达150 mg/L、TP为9 mg/L、BOD₅为350 mg/L，反硝化碳源严重不足，需外加大量碳源；除磷时PAC投加量较常规水厂大很多，导致经营成本偏高。（2）该工程地处沿海海岛地区，所需原料、燃料等多需内陆运至现场，成本偏高。（3）工程处理水量较小，不能形成规模，导致吨水电耗偏大。（4）污水处理厂结构为全地下，土建按1 000 m³/d设计，设备按500 m³/d配置，厂址处于滨海周边，因此结构桩基础部分费用占一定比例，土建费用偏大，增加固定折旧费用。

该工程于2018年6月竣工，经4个月调试运行，出水基本稳定达标。图 3为污水处理厂2019年2月~9月的平均出水数据。

由图 3可以看出，出水COD基本稳定在9~14 mg/L，BOD₅为4~6.1 mg/L，SS为1.05~2.88 mg/L，NH₃-N为1.32~2.56 mg/L，TN为3.37~5.90 mg/L，TP为0.20~0.39 mg/L，均满足《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准要求，且出水水质较为稳定。

（1）分析了该海岛的水质特点，确定预处理-AAOA-MBR为该海岛生活污水的主要处理工艺。根据氮平衡关系计算碳源投加量，结果表明，该水厂每天需补充196 kg乙酸钠。

（2）分析了工程总投资造价及单位经营成本，因全地下结构投资较大、水厂规模小、加药成本高、运输费用高等，导致最终运行成本较高。

（3）工程实际运行出水水质表明，预处理-AAOA-MBR处理工艺能够使该海岛生活污水出水稳定达到《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准要求。