MSBR工藝在污水處理廠中的應用
——以江蘇某污水處理廠為例

梁 郡

(同濟大學建筑設計研究院<集團>有限公司，上海 200092)

隨著經濟的不斷發展與人們生活水平的日益提高，用水量持續增加，相應污水處理設施的規模也在不斷擴大。截至2020年1月底，全國共有10 113個污水處理廠核發了排污許可。據住房城鄉建設部統計，2019年城市和縣城污水處理能力超過2.1億m3/d[1]。目前，全國污水處理廠中污水處理能力約1.9億m3/d，且出水標準達到一級A標準的，占比約83%。2019年，江蘇省共有污水處理廠828座，產能合計1 746萬t/d，其中，一級A及以上出水標準產能為1 555萬t/d。江蘇某5萬t/d化工園區污水處理廠提標改造后，出水水質從一級B提升至一級A[2]；無錫某5萬t/d市政污水處理廠擴建工程采用MSBR工藝，達到地表水Ⅳ類的出水標準[3]。目前，污水處理廠的核心處理工藝多采用如AAO、氧化溝等傳統工藝，往往占地面積大，噸水用地指標偏高。隨著經濟發展及人口增長，城市用地愈發緊張，集約的污水處理廠設計成為趨勢。MSBR工藝將SBR工藝與AAO工藝的優點結合，生化反應速率高，脫氮除磷效果好，運行靈活，控制方便，在處理效率、占地及運行費用方面均優于傳統工藝[4]。

1 工程概況

江蘇某縣的生活污水及工業廢水由于天然河流造成分隔、管網輸送距離較長，不適宜經收集再輸送至現有的污水處理廠進行處理，需新建與之相匹配的污水處理設施。污水處理廠的遠期設計規模為10萬m3/d，近期設計規模為5萬m3/d，其中，一階段設備安裝規模為2.5萬m3/d。

進水由生活污水和工業廢水組成，其中，工業廢水約占25%。設計進水水質分別考慮生活及工業污水各自的水質特點，通過用水量權重加權平均可得。生活污水水質以參考設計手冊中典型的生活污水水質為基準，考慮當地生活水平，適當下調。工業廢水水質按照《污水排入城鎮下水道水質標準》(CJ 343—2010)表1中最高允許值，根據水量加權平均結果，設計進水水質如表1所示。

表1 設計進水水質加權平均結果Tab.1 Weighted Average Results of Design Influent Water Quality

出水水質滿足國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準，具體設計進出水水質指標如表 2所示。外運污泥含水率指標低于60%。

表2 設計進出水水質Tab.2 Design Influent and Effluent Water Quality

2 工藝流程

根據出水水質要求，處理工藝主要以去除污水中的BOD5、CODCr、TN、TP、NH3-N、SS等污染物為目的。目前，國內城市污水處理廠大多采用二級生化污水處理工藝及深度處理工藝，一般為活性污泥法及其變型工藝。這類工藝工程實際使用歷史最長、應用最為廣泛、可靠度高、運行管理經驗最為豐富，部分變型工藝對TN、TP的去除效果較高。

2.1 核心工藝比選

本工程進水BOD5/CODCr=170/380=0.45，可生化性較好，可采用生物處理方法去除有機物。生物強化處理是整個污水處理工藝流程的核心，處理構筑物的水力停留時間最長，相應占地面積也最大。我國城市污水處理廠采用的二級處理核心工藝中，大部分仍然是傳統活性污泥法在曝氣方式、反應時間、反應池型等方面發展出的各種變型工藝，以氧化溝、AAO和SBR為主。實際工程經驗中，應用這幾種工藝的相似規模和水質的污水處理廠的噸水用地指標如表 3所示。根據用地紅線面積計算，該污水處理廠的綜合用地指標為0.611 m2/(m3·d)，低于上述幾種工藝的一般用地指標；按照《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項目建設用地指標》，也屬于城市污水處理廠建設用地控制面積的IV類低值，用地較為緊張。因此，本工程適合采用集約化、一體化程度高的生物處理工藝。

表3 各二級處理工藝用地指標Tab.3 Land Use Index of Varied Secondary Treatment Processes

目前，常用的核心生物處理工藝主要為AAO、氧化溝和SBR工藝。應用最多的AAO工藝為利用活性污泥在推流式厭氧-缺氧-好氧環境中的作用，實現有機物降解和除磷，以及混合液回流實現脫氮。推流式反應池中，底物濃度隨水流呈梯度降低，其起端的反應速率高，末端的生物因已經開始內源呼吸，反應速率低，整體反應速率不高，導致反應池停留時間偏長，占地偏大。二沉池回流污泥中的硝態氮對厭氧區中聚磷菌的碳源利用有不利影響，影響除磷效果。AAO工藝不是一體化的，其還需后接單獨的二沉池完成泥水分離，常用的圓形池型二沉池難以緊湊布置，導致AAO工藝的整體占地較不經濟。一體化工藝中較常用的是三溝式氧化溝和SBR。三溝式氧化溝屬于封閉環流式池型，利用其兩側邊溝的曝氣和沉淀周期性交替運行來實現生物反應和泥水分離的一體化。氧化溝是一種延時曝氣活性污泥法，負荷低，曝氣池的池容大，所需相關設備投資大，應用受場地、設備等限制[5]。相較于AAO工藝常用的6 m甚至7 m設計水深，氧化溝的設計水深往往不超過4.5 m，因此，占地面積更大。SBR即序批式活性污泥法，間歇進水，將調節池、好氧池、缺氧池及二沉池的功能集中在一個單元內，通過一體化池交替進行不同模式的運行來實現活性污泥法的整個過程，本質是將推流式池型從空間上改為時間上實施。MSBR是連續流序批式活性污泥法新工藝(modified sequencing batch reacto)，前半段類似傳統AAO工藝，后半段為2組交替進行循環缺氧反硝化、好氧穩定和沉淀作用的序批池。傳統SBR及其變形工藝采用潷水器排水，系統有相當一部分時間不在高水位運行，其反應體積的使用率降低，反應池容積沒有得到充分利用，而MSBR系統始終保持滿水位、恒水位運行，在較小的體積內可保持高的去除率[6]。MSBR將SBR工藝與AAO工藝的優點結合，尤其是碳源的分配利用較合理，系統的各單元為各優勢菌種的生長繁殖創造了最佳的環境條件，生化反應速率高，脫氮除磷效果好，運行靈活，控制方便，在處理效率、占地及運行費用方面均優于傳統工藝。

2.2 深度處理工藝比選

經過強化生物處理后，二級出水仍無法穩定達標的污染物主要為SS和TP。針對以上2種污染物，目前較為成熟的工藝有混凝-沉淀-過濾工藝和膜工藝[7]。對于一級A出水標準下的生活污水而言，膜工藝的設備費用偏高，運行成本偏貴，因此，深度處理工藝較常采用混凝-沉淀-過濾工藝。采用微孔過濾技術的濾布濾池出水SS穩定，設備緊湊，反洗系統簡單，水損也較砂濾池大幅減小，近年來在污水處理廠中的應用越來越多。

2.3 工藝流程

本工程的二級生物處理工藝采用MSBR，深度處理過濾工藝采用濾布濾池，工藝流程如圖1所示。

3 工藝設計

3.1 進水泵房

泵房與粗格柵井合建為1座進水泵房，廠外污水、廠區生活污水以及污水污泥處理過程中產生的污水全部進入進水泵房。土建按照遠期10萬m3/d規模(按照綜合變化系數Kz=1.3考慮峰值流量)建設，設備按照2.5萬m3/d(按照綜合變化系數Kz=1.47考慮峰值流量)配置。平面尺寸為23.95 m×13.4 m，池深約9.65 m，有效水深為1.5 m。配置反撈式格柵除污機械粗格柵、螺旋輸送柵渣壓實一體機、潛水排污泵等。

3.2 曝氣沉砂池

細格柵井與沉砂池合建為1座曝氣沉砂池，去除污水中較大的漂浮物，并攔截直徑>5 mm的固體物，以保證生物處理及污泥處理系統的正常運行。土建按照5萬m3/d規模建設，分為并列運行的2格，單格設計處理能力為2.5萬m3/d(按照綜合變化系數Kz=1.47考慮峰值流量)。平面尺寸為29.1 m×7.0 m，池高約4.10 m，高峰時停留時間為5 min。設置1臺橋式吸砂機，含對應2格的2套吸沙泵系統。近期2.5萬m3/d時可運行1格，因此，主要設備也按照5萬m3/d配置。另配置砂水分離器、羅茨風機等，砂水分離器分離出來的無機砂粒作為垃圾外運。

3.3 水解酸化池

新建水解酸化池1座，提高污水的可生化性。土建按5萬m3/d建設，設備按2.5萬m3/d配備，2格并聯運行，單格處理規模為2.5萬m3/d，停留時間為5 h。配置潛水推流器、剩余污泥泵、半固定填料等。

3.4 MSBR池

MSBR池是污水處理工藝的核心，主要功能是在提供足夠氧氣的條件下，在生物反應池中營造厭氧、缺氧、好氧環境，利用生物反應池中大量繁殖的活性污泥，降解水中污染物，以達到凈化水質的目的。新建2座MSBR池，并聯運行，單座處理規模為2.5萬m3/d。單座MSBR池分為7個處理單元，分別編號池1～7。單池各處理單元的功能、編號及設計尺寸如表4所示，系統流程如圖2、圖3所示。

表 4 MSBR各功能單元設計指標Tab.4 Design Specifications of MSBR Function Units

圖2 MSBR系統原理平面圖Fig.2 Schematic Diagram of MSBR

圖3 MSBR系統原理流程圖Fig.3 Process Flow of MSBR

污水進入MSBR反應池后，首先進入厭氧池，與回流自預缺氧池的污泥混合，富含磷的污泥在厭氧池進行釋磷反應后進入缺氧池。缺氧池在系統中的功能為反硝化，由主曝氣池至缺氧池的回流系統提供硝態氮。缺氧池出水進入主曝氣池，經曝氣反應完成有機物的去除、硝化以及吸磷后，進入序批池I或序批池II。在序批池I和序批池II中，沉淀和缺氧-好氧反應交替進行。當序批池I作為沉淀池出水時，序批池II首先進行缺氧反應，再進行好氧反應，或交替進行缺氧、好氧反應。在缺氧、好氧反應階段或預沉階段，序批池的混合液通過回流泵回流至泥水分離池，分離池也具有一定的污泥濃縮作用，其上清液進入主曝氣池，沉淀污泥進入預缺氧池。預缺氧池的功能是讓回流污泥進行一定程度的內源反硝化脫氮，以降低硝態氮對污泥中聚磷菌厭氧釋磷的影響。經內源反硝化脫氮后的回流污泥再提升進入厭氧池，與進廠污水混合釋磷，由此完成1個循環周期。1個運轉周期為4 h，分為6個時段，3個時段組成1.5個周期，相鄰的0.5個周期僅序批池的運轉方式不同。

設計總水力停留時間為16.2 h，其中，厭氧停留時間為1.2 h，缺氧停留時間為1.25 h，好氧停留時間為6.7 h，序批停留時間為6.2 h。混合液回流比為150%，污泥回流比為150%。配置可升降式微孔曝氣器、撇渣浮筒攪拌裝置、低揚程回流泵、剩余污泥泵及空氣堰等。

3.5 反應沉淀池

新建1座反應沉淀池，在反應段加入混凝藥劑使污水膠體絮凝，在沉淀段分離較大粒徑絮凝體，污水澄清后出水，減輕后續濾池的負荷。在沉淀池前端投加PAC化學除磷，保證出水TP和磷酸鹽達標排放。土建按照5萬m3/d規模建設，設備按照2.5萬m3/d配置。平面尺寸為37.35 m×26.65 m，池深為6.6 m。設計反應時間為19.5 min，設計沉淀表面負荷為4.44 m3/(m2·h)。PAC加藥量為10 mg/L，PAM加藥量為0.5 mg/L。配置濃縮刮泥機、加藥攪拌器、反應攪拌機、污泥泵等。

3.6 濾布濾池及消毒池

作為深度處理的濾布濾池，主要功能是利用壓差使懸浮物通過多孔性介質，使固體顆粒被截留，實現懸浮液中固、液的有效分離，進一步去除污水中的SS及附著在SS上的BOD5、CODCr和TP。新建1座2格濾池及消毒池，單格處理規模為2.5萬m3/d。土建按照5萬m3/d規模建設，設備按照2.5萬m3/d配置。平面總尺寸為20.8 m×8.9 m，池深為3.5 m。配置圓盤形濾布過濾裝置，設計水力負荷為2.79 L/(s·m2)濾布，固體顆粒負荷為15.87 kg TSS/(m2濾布·d)。

出水消毒采用紫外消毒。設計為渠道式消毒，設置2根并聯渠道，每格溝道各設置1套消毒成套設備，用253.7 nm波長的紫外光照射澄清的出水，通過紫外光破壞細菌細胞蛋白質達到滅活細菌的目的。

3.7 儲泥池

新建1座2格儲泥池，每座處理規模為5.0萬m3/d，用于儲存廠內排放的剩余污泥，保證濃縮裝置正常運行。單座平面尺寸為10.75 m×5.5 m，有效水深為3.5 m。濕污泥流量為381.25 m3/d，含水率為99.2%。 設計污泥存儲時間為5.5 h。配置潛水葉輪攪拌器等。

3.8 脫水機房

新建污泥脫水機房1座，用機械濃縮方式濃縮剩余污泥，用板框壓濾脫水方式降低污泥含水率至60%以下后外運處置。平面尺寸為42.0 m×18.0 m，高度為11.0 m。處理絕干污泥量為3 050 kg/d，添加PAM進行污泥調理。配置機械污泥濃縮機、機進料螺桿泵、板框壓濾機和除臭設備等。

3.9 鼓風機房及變配電間

新建鼓風機房1座，為生物反應池提供氧氣，保證生物系統正常運行。土建規模為10萬m3/d，近期配置設備2.5萬m3/d。平面尺寸為45.0 m×12.0 m，高度為7.7 m。設計氣水比為6.9∶1。配置空氣懸浮鼓風機。

4 實際運行情況

工程完成調試后,于2017年投入生產運行。2018年9月—2019年2月的進出水主要污染物月平均濃度及去除率如圖4、圖5所示。

圖4 進出水NH3-N及去除率Fig.4 Influent and Effluent Concentrations and Removal Rate of NH3-N

圖5 進出水TN及去除率Fig.5 Influent and Effluent Concentrations and Removal Rate of TN

由圖4～圖5可知，MSBR對NH3-N及TN的去除效果良好，進水NH3-N平均濃度為28.9 mg/L，出水NH3-N平均濃度為0.61 mg/L，平均去除率達到97.9%。由進水濃度曲線可知，6個月的運行中，進水NH3-N月平均濃度最高為39.16 mg/L，最低為17.79 mg/L；根據日監測數據，進水NH3-N最高濃度達到43.8 mg/L，最低濃度為4.17 mg/L，波動較大。在此情況下，出水NH3-N月平均濃度穩定低于1.0 mg/L，最低為0.43 mg/L，可見，MSBR在去除NH3-N上具有良好的抗沖擊負荷能力。進水TN平均濃度為31.80 mg/L，最高為42.43 mg/L，出水TN平均濃度為10.98 mg/L，最低為9.76 mg/L，TN的平均去除率為65.4%，平均出水TN濃度穩定低于15 mg/L。出水的NH3-N及TN濃度均達到設計出水水質標準，即一級A指標。

5 投資及成本

本工程總投資為10 507.33萬元，單位處理成本為1.28元/m3，其中，單位經營成本為0.82元/m3，單位處理可變成本為0.35元/m3。

6 結論

(1)MSBR池為各功能區合建的高度集約一體化池體，與傳統SBR相比，容積利用率更高，占地更小，泥水分離區進行脫氮后回流的污泥可減少對除磷的影響。

(2)水解酸化+MSBR+濾布濾池工藝的脫氮效果達到出水NH3-N濃度低于1.0 mg/L，出水TN濃度低于11.0 mg/L。

(3)MSBR工藝結合了AAO和SBR工藝優點，適合脫氮要求高和用地緊張的污水處理廠采用。