MBBR在高標準污水處理廠提標改造中的應用——以縉云縣某污水處理廠為例

董蕾茜，史孟彬，齊 超，鮑俊信

(中國聯合工程有限公司，浙江杭州 310052)

隨著國家對污水處理廠出水水質要求的進一步提高，北京、浙江、江蘇等陸續出臺了城鎮污水處理廠污染物排放的地方標準，其中浙江省地方標準《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB 33/2169—2018)(以下簡稱省地標)中對新建污水廠的排放標準已經提高至地表“準Ⅳ類水”標準[COD、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)等主要指標達到Ⅳ類標準]，對現有污水廠各項排放指標的控制亦嚴于一級A標準。因此，污水廠新一輪的“提質增效”工作迫在眉睫。

在地表水“準Ⅲ類”標準(COD、氨氮和TP等主要指標達到Ⅲ類標準)下，污水廠提標改造的難點在于NH3-N、總氮(TN)和TP的穩定去除。NH3-N和TN的去除以強化生物脫氮為主，包括原生化池挖潛、增設后置反硝化脫氮工藝和碳源補充措施等。吳斯文等[1]對不同排放標準下污水廠提標改造工藝的選擇進行了歸納，認為當出水水質采用“準Ⅲ類”標準時要在二級處理硝化和反硝化深度挖潛的基礎上，更需配置強化反硝化、硝化和去除有機物的深度處理單元，以保證出水NH3-N、TN、化學需氧量(CODCr)能夠達標。劉向榮等[2]對高排放標準下城鎮污水處理廠的提標改造進行探討，根據不同工藝組合的預期效果，提出了高排放標準下污水廠提標改造重點是提高生物處理率，強化生物硝化、反硝化。很多污水廠在改造過程中往往面臨用地緊張，生化池無新建或擴建可能的問題。如何實現生化池的就地升級是實現更高排放標準的關鍵。繼2008年無錫蘆村污水廠升級改造之后[3]，移動床生物膜反應器(MBBR)工藝在國內得到了廣泛應用[4-12]并取得了較好的效果，其對生化池的改造思路多為擴大缺氧區強化TN去除、縮小好氧區、好氧區硝化不足部分通過投懸浮填料載體予以強化。TP的去除則通常采用生物除磷輔以化學除磷相結合的方法。本文以縉云縣某污水處理廠準Ⅲ類標準提標改造為例，分析了“MBBR+高效沉淀池+反硝化深床濾池”組合工藝在應對高標準出水水質上的運行效果，為類似污水廠的提標改造提供設計思路。

1 項目背景

縉云縣某污水處理廠原處理規模為2×104m3/d，設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，尾水排入新建溪。新建溪光瑤斷面是浙江省水環境自動監測斷面，位于污水廠下游1.8 km，水質要求為Ⅲ類水質，目前該斷面TP指標時有超標，NH3-N也有上升風險。隨著浙江省地標的實施，并根據浙建城發〔2019〕108號文件“2019年完成全省100座城鎮污水處理廠清潔排放技術改造”的任務和縣政府“在全省率先實現污水處理廠出水NH3-N、TP指標達到地表Ⅲ類水標準”的要求，對該污水處理廠進行提標改造是十分必要的。改造后，出水NH3-N和TP要求執行地表水Ⅲ類標準，出水CODCr和TN按省地標現有廠標準執行。

2 改造前污水廠概況

2.1 改造前處理工藝及進、出水水質

改造前污水處理主體工藝采用缺氧/好氧(AO)工藝，深度處理工藝采用砂濾池直接過濾后通過紫外消毒渠消毒后達標排放，工藝流程如圖1所示。

圖1 改造前污水處理工藝流程圖

通過對污水處理廠2018年4月—2019年3月連續12個月的進、出水水質監測數據進行統計分析，由表1可知，目前污水廠進水CODCr和SS略低于設計值，NH3-N和TP約為設計值的60%，BOD5遠低于設計值，TN與設計值相近。各項出水指標基本滿足一級A標準的設計水質。

表1 改造前設計與實際運行進、出水水質

各水質指標的出水達標率分析表明：雖然從年均值上看，TN出水指標與省地標接近，但日均值分析表明，目前出水TN仍未能穩定達到省地標現有廠的要求，而NH3-N和TP出水指標大部分均高于地表Ⅲ類水標準排放限值。因此，本次清潔排放提標改造工程主要考慮NH3-N、TN及TP的穩定去除。

2.2 原系統存在的問題

(1)本工程進水組成中工業廢水約占50%，主要為服務范圍內照明電器、廚具、模具加工、摩托車配件等五金機械加工行業廢水，其出水含有一定量的金屬或重金屬離子。盡管在工藝流程上利用初沉池加藥初沉以去除水中絕大部分金屬或重金屬離子，但未能被去除部分仍會在一定程度上抑制硝化細菌的新陳代謝，從而造成出水氨氮波動或不達標。現狀進水BOD5均值為66 mg/L，BOD5/TKN僅為1.85，屬于碳源嚴重缺乏的低強度進水水質。為滿足脫氮需要，目前污水廠采用向生化池缺氧段投加乙酸鈉作為碳源，以強化反硝化效果，后期也應維持相應的碳源投加。

(2)原系統中主體工藝為AO工藝，原設計混合液回流比為150%，污泥回流比為50%，理論脫氮效率為66.6%。受AO工藝本身特性制約，當進水TN為40 mg/L左右時，即使按最理想的條件計算，出水TN也在13 mg/L以上。

(3)缺少獨立的生物除磷單元。剩余污泥的間歇式集中排放導致污泥在二沉池中停留時間較長，造成再次釋磷，影響出水水質。現狀用于化學除磷的砂濾池運行效果較差，加藥后易板結。

(4)原系統采用紫外消毒設備，消毒效果不理想。且該污水廠經過一次提標和一次擴建后，消毒渠布置位置不合理，水力流程出現繞行。

3 改造思路

原系統改造需要充分考慮以下幾點：①污水廠用地緊張，廠區征地紅線范圍內可用建設用地面積僅為3 800 m2，無生化池擴建空間，只能就地升級；②優先考慮強化原有生化池的硝化和反硝化功能進行脫氮，延長污泥齡，確保NH3-N達標，力爭TN達標，不足部分依靠新建深度處理解決[4,13]；③提高生化池生物除磷效率，并輔以后置化學除磷保證出水達標[13]。

具體改造措施有以下幾條。

(1)原AO池僅有缺氧區和好氧區兩部分，為充分發揮生物除磷效果，在缺氧區前新增厭氧區，缺氧區不足部分由好氧區補足，好氧區不足部分則通過在好氧區投加填料，將其升級為移動床生物膜反應器(MBBR)。MBBR能實現同一反應器內不同功能微生物泥齡分離，生物膜泥齡長，有利于脫氮，活性污泥采用短泥齡，有利于除磷。考慮到寡碳源條件影響載體表面生物膜形成及生物膜內部反硝化效果，現狀生化池缺氧區的碳源投加建議保留。

(2)新建高效沉淀池進行化學除磷，原砂濾池停用。高效沉淀池集混合、絮凝和沉淀于一體，布置集約緊湊，水力負荷高，污染物去除率高。

(3)新建反硝化深床濾池作為深度脫氮的保障，以滿足尾水受納水體日益嚴格的水質標準。反硝化深床濾池可以有多種運行模式，包括砂濾模式、生物反硝化模式和生物硝化模式[14]。其中，生物反硝化模式是其主要運行模式，通過投加碳源，激活濾料表面生物膜，實現反硝化脫氮。在二級處理出水TN過高，無法滿足排放標準時啟用，最大可以去除10 mg/L的硝酸鹽氮，是穩定水質的有力保障。反硝化濾池應根據進、出水DO、COD和硝酸鹽氮指標實現碳源的精準投加，同時采用恒水位控制濾池運行液位，避免高落差跌水導致進水DO增加，減少碳源消耗[15-16]。

(4)廢除原紫外消毒渠，新建消毒接觸池，采用次氯酸鈉消毒。

(5)不停產施工設計：對生化池進行單座單格逐一改造，并待深度處理部分構筑物和管道實施完成后，短時停水進行快速切割。

4 改造方案設計

4.1 設計進、出水水質及去除率

按照浙江省生態文明建設新要求及縣政府相關會議明確，出水NH3-N和TP需執行地表Ⅲ類水標準，CODCr和TN按省地標現有廠執行，BOD5和SS按一級A標準執行。設計進、出水水質及去除率如表2所示。

表2 設計進、出水水質及去除率

4.2 改造后處理工藝流程

綜合考慮用地條件、處理效果、建設工期和運行成本等多方面因素，本次將原生化池改造成MBBR池，提升生物脫氮除磷能力，深度處理工藝采用“高效沉淀池+反硝化深床濾池+次氯酸鈉消毒”。工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后污水處理工藝流程圖

4.3 主要構筑物工藝設計

4.3.1 MBBR池

本次MBBR池的工藝設計基于原AO生化池池型構造，將其分成厭氧、缺氧和好氧3個區，根據生化池進出水水質計算各區池容。首先保證厭氧區和缺氧區容積，好氧區不足部分通過投加懸浮填料來保證。MBBR生化池池容分配及改造示意圖如表3及圖3所示。

圖3 MBBR生化池改造示意圖

表3 生化池改造前后池容分配 (單座)

原AO池總尺寸為48 m×32.25 m×5.7 m(單座)，池內有效水深為5.2 m，總停留時間約為19 h，池體分成可獨立運行的兩格。在現有池型的基礎上重新分配池容后，厭氧區池容為699 m3，停留時間為1.68 h；缺氧區池容為2 092 m3，停留時間為5.02 h；好氧區池容為5 114 m3，停留時間為12.27 h。好氧MBBR區填料的總有效生物膜面積約為2.06×105m2，有效比表面積≥450 m2/m3，填料填充率25%。從流化角度考慮，好氧池填料填充率應<67%，從運行能耗及維護管理角度考慮，一般要求填充率>15%。實際工程中，好氧池懸浮填料填充率一般為25%～60%[6]。設計污泥濃度為3.5 g/L(不包括填料上的生物膜)，DO為3～5 mg/L。混合液回流比調整至200%，污泥回流比調整至100%。主要配置攪拌機、進出水攔截網、輔助流化系統等。

4.3.2 高效沉淀池

高效沉淀池通過投加化學藥劑，進一步去除二沉池出水中的TP、COD和SS。本工程高效沉淀池設計規模為2×104m3/d，總變化系數KZ=1.49，共1座，分獨立運行的兩格，混合時間為45 s，絮凝時間為11 min，斜管沉淀區設計表面負荷為10 m3/(m2·h)。主要配置攪拌機、刮泥機、污泥回流及污泥排放泵等。混凝劑采用堿式氯化鋁(PAC)，助凝劑采用聚丙烯酰胺(PAM)，化學除磷量按1.0 mg/L計。

4.3.3 反硝化深床濾池

反硝化深床濾池設計規模為2×104m3/d，總變化系數KZ=1.49，共1座分4格，由濾池部分、反沖洗風機房、電控室、反沖洗清水儲水池、反沖洗廢水池及管廊組成。單格過濾面積為43.2 m2，采用石英砂濾料，濾料層厚度(不含承托層)為1.83 m。設計最大濾速為7.2 m/h，強制濾速為9.6 m/h。去除TN量按10 mg/L計，反硝化容積負荷為0.64 kg NO3-N/(m3·d)。采用氣/水反沖洗模式進行反沖洗，水反沖洗強度為15 m/h，空氣反沖洗強度為92 m/h，反沖洗周期為24～48 h。主要配置濾磚、石英砂、鵝卵石、反沖洗水泵、反沖洗風機系統及氣源系統等。

濾池采用恒液位控制避免濾池進水過高的跌水造成溶解氧的增加。進、出水端設置在線監測儀表，實時監測進水水質和水量，以調整碳源投加比例。采用乙酸鈉作為反硝化的碳源物質，在進水端混合池投加并混合。

此外，本次改造還新建消毒接觸池1座，新增PAC、PAM和乙酸鈉3套溶藥及加藥系統，于構筑物旁就近設置。

5 改造后運行情況

污水廠從2019年10月開始提標改造建設，于2020年4月完工。經調試試運行后，6月—12月的出水水質情況如表4和圖4所示。

表4 改造后出水水質 (2020年6月—12月)

圖4 NH3-N、TN和TP出水水質

(1)CODCr。改造后出水CODCr基本在20 mg/L以下，遠低于設計標準值。經初步推測，可能存在以下兩方面的原因：一是原生化池升級為MBBR池后所形成的泥膜復合工藝增加了系統內菌群的多樣性，延長了污泥齡，增強了難生物降解有機物的生物降解效果；二是高效沉淀池的混凝沉淀作用和反硝化深床濾池的過濾作用進一步提高了有機物的去除率。

(2)NH3-N和TN。在投加填料約2個月后，整個系統運行狀況良好，NH3-N的出水水質基本穩定維持在1 mg/L以下，尤其是在冬季水溫較低不利于硝化時，NH3-N的出水水質也能穩定達標，表現出了MBBR工藝對低溫的適應性。污水廠冬季氨氮不達標的主要原因在于冬季硝化細菌生長更為緩慢，所需泥齡長，而MBBR系統中的生物膜為生長緩慢的硝化細菌提供了非常有利的生存環境，低溫時優勢尤為明顯[3]。

本工程TN的去除可以分為生化池缺氧段的前置反硝化和反硝化深床濾池的后置反硝化兩部分[15,17]。根據進水水質碳源嚴重缺乏的特點，運行時向生化池缺氧段投加碳源約60 mg/L(折合BOD5)，使進水BOD5/TKN維持在3.5左右，盡可能發揮前置反硝化的潛能，以降低后置反硝化的負荷和碳源投加量。反硝化深床濾池的碳源投加量視進出水水質調整，據污水廠反饋，在冬季低溫月運行時，反硝化深床濾池的碳源投加量約為生化池缺氧段投加量的50%。當水質波動較大或者溫度等原因導致前置反硝化效率降低時，后置反硝化深床濾池是確保出水TN穩定達標的重要保障。

(3)TP和SS。TP通過生物和化學作用共同去除，出水穩定維持在0.2 mg/L以下，達到地表Ⅲ類水標準。本次改造用高效沉淀池替代原有砂濾池后，混凝劑的投加量較之前增加50%～60%，化學除磷作用增強。出水SS穩定在6 mg/L以下，SS的高效去除同時保證了出水TP的穩定達標。

6 技術經濟分析

本工程總投資為2 590.76萬元，其中建安工程費用為2 214.83萬元，其他費用為300.47萬元，預備費為75.46萬元，建設期貸款利息不計。污水廠原噸水處理費用約為0.6元，經提標改造后，噸水處理費用為1.1元，增加的處理費用主要包括電費、藥劑費以及污泥處置費等。

7 結論與建議

本提標改造工程工藝設計特點：(1)對原系統進、出水水質進行充分可靠的數據分析，確定重點污染物，有針對性地選擇處理工藝；(2)在用地緊張的情況下，通過原生化池MBBR改造，充分挖掘其處理能力；(3)通過高效沉淀池和反硝化深床濾池的聯用，實現同步高效除磷和脫氮，并進一步去除SS和CODCr，實現了用地少、出水水質高的目標。改造后，出水由一級A標準提高至地表水準Ⅲ類標準，深度處理部分噸水占地約為0.19 m2/(m3·d)，全廠噸水占地約為1.18 m2/(m3·d)。本項目的設計經驗對出水水質要求高、用地緊張、有不停產施工等要求的類似污水廠的提標改造提供一定的參考。

本工程屬于碳源嚴重缺乏的低強度進水水質。目前污水廠采用向生化池缺氧段和反硝化深床濾池內投加乙酸鈉作為碳源，取得了較好的脫氮效果，但碳源總體消耗量較大。污水經初沉池沉淀后會降低后續生化反應所需的碳源，建議在實際進水SS不大于200 mg/L時超越初沉池運行[18]，在保證出水水質的前提下判斷是否能減少碳源的投加量。當二沉池出水TN能穩定達到小于12 mg/L的排放標準時，反硝化深床濾池也可以改為砂濾模式運行。