改良ICEAS+MBBR工藝在高標準污水廠提標改造中的應用

封匯川，陳 良,*，周 波，倪方坤

(1.中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，江蘇南京 210000；2.湖南省水處理過程與裝備工程技術研究中心，湖南長沙 410007；3.長沙市水處理過程與裝備技術創新中心，湖南長沙 410007；4.云南新聯環境科技有限公司，云南昆明 650000)

隨著環境保護愈加嚴格，對污水處理廠出水水質要求也在不斷提高，特別是部分重點流域和區域已經將污水處理廠出水由《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準提升至《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)準IV類甚至準III類排放標準(部分指標達IV類或III類標準)[1-5]。如北京市2012年要求新建污水廠一級A標準中將總氮(TN)出水限值由15 mg/L提升至10 mg/L，總磷(TP)提升至0.2 mg/L。2015年—2018年，天津市、巢湖流域、四川省、浙江省、太湖流域也分別將TN出水限值提升至10 mg/L，同時TP出水限值提升至0.3 mg/L。顯然，污水處理廠高標準排放已成為大勢所趨。老舊城鎮污水處理廠處理水量不斷增加，遠超出設計水量，成為污水處理廠實際提標改造過程中所遇到的常態問題。由于規劃及設計等原因，廠內預留用地面積有限，且近期征地困難，短期內難以對污水處理廠進行擴容等[6]。

云南某污水處理廠設計處理規模為3.00萬m3/d，其生化處理工藝采用間歇式循環延時曝氣活性污泥法(ICEAS)，深度處理采用高效沉淀池和V型濾池工藝。根據環保要求需要進行提標改造，出水部分水質指標由現狀一級A排放標準提標至IV類排放標準。同時，現狀污水處理廠實際進水量遠超設計水量，污水無法及時處理，需要同時提高污水處理廠的處理規模。但由于現狀用地有限，無法新建大量建構筑物，只能在原有工藝基礎上進行挖潛改造，實現水質水量雙提升以及高標準排放。

1 污水處理廠運行現狀

云南某污水處理廠工藝流程如圖1所示，現狀設計進出水標準如表1所示。

圖1 現狀工藝流程圖Fig.1 Current Process Flow Chart

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Influent and Effluent Water Quality

2019年—2020年，該污水處理廠日均進水量為2.71萬m3/d，雨季最大日處理量為4.54萬m3/d，旱季時達到3.40萬m3/d，進水量如圖2所示。同時，污水廠實際平均進水水質部分指標已超過設計值，其實際進水水質如表2所示，進水B/N曲線如圖3所示。污水廠長期處于滿負荷甚至超負荷運行狀態。

現狀廠區內共有ICEAS反應池4座，每座尺寸為50.0 m×20.0 m×5.0 m，有效水深為4.5 m。其中預反應區和主反應區池容為675 m3和3 825 m3。實際運行周期為4.0 h，其中曝氣2.0 h，沉淀1.0 h，潷水1.0 h。混合液懸浮固體(MLSS)含量為3 000～5 000 mg/L，水力停留時間(HRT)為14.10 h，污泥停留時間(SRT)為24.3 d，設計氣水比為7.68∶1，污泥負荷為0.22 kg BOD5/(kg MLSS·d)。

圖2 改造前進水量曲線Fig.2 Influent Quantity Curve before Reconstruction

表2 實際進水水質Tab.2 Actual Influent Quality

圖3 改造前進水B/N曲線Fig.3 Influent B/N Curve before Reconstruction

現狀出水水質基本能達到一級A排放標準，出水水質如表3所示，但出水TN仍存在超標風險。主要原因為：①原設計進水水質較實際進水水質低，例如85%累積頻率下，進水BOD5濃度超過設計水質的35.4%，氨氮和TN超標更為嚴重，但進水B/N平均值為3.5，碳源不足；②原ICEAS工藝主要針對CODCr和氨氮的去除，無單獨缺氧區，反硝化效果有限，無法有效去除TN；③現狀曝氣器及鼓風機老化嚴重，故障頻發，無法穩定滿足污水廠正常運行需要。部分指標執行IV類排放標準后(即CODCr限值為30 mg/L，BOD5限值為6 mg/L，氨氮限值為1.5 mg/L，TN限值為15 mg/L，SS限值為10 mg/L，TP限值為0.3 mg/L)，CODCr、TN、氨氮及TP等指標超標風險嚴重。

表3 實際出水水質Tab.3 Actual Effluent Quality

由于現狀廠區占地面積緊張，基本無預留用地進行提標及擴容工程建設。其TP可以通過增大除磷劑加藥量、強化深度處理達到新排放標準[7]，但TN和氨氮只能通過生化工藝挖潛改造進行處理，方可實現處理水量和出水水質雙提升，實現高標準排放。

2 改造方案

2.1 ICEAS工藝改造方案

傳統ICEAS工藝主要在SBR反應器的進水端增加一個預反應區，可以實現在一個反應池中連續進水、生物氧化、硝化、反硝化、固液分離等過程[8]。ICEAS由于其占地面積小、控制方便、不受水質和水量大范圍波動帶來的影響，在城鎮污水廠、食品生產廢水處理以及制藥廢水處理中取得廣泛應用[9-10]。但由于其運行模式及工藝特性所限，其處理效果較差，僅能滿足一級A排放標準，對于高標準排放要求，需要對其進行挖潛改造。

目前，對ICEAS工藝進行挖潛改造的路線包括投加生物填料從而提高其處理能力。如朱云鵬等[11]通過在主反應區中投加MBBR填料，其出水可以達到一級A排放標準。段存禮等[12]也采用類似的方法在實踐中取得成功。在好氧區增加MBBR填料可以提高CODCr和氨氮等的去除效果，但對TN去除效果有限。主要是因為ICEAS只能通過沉淀階段進行反硝化脫氮，無硝化液回流和污泥回流，脫氮效果有限。其余改造路線則是通過調控各階段的停留時間等工藝參數進行ICEAS工藝優化，脫氮能力同樣有限[13]。

為提高現狀生化池碳化、硝化以及脫氮能力，馬華敏等[14]采用缺氧-好氧兩級MBBR處理工藝對低溫生活污水進行處理，在提高CODCr和氨氮等處理效果的同時取得了較好的脫氮效果。Husham[15]研究也發現兩級MBBR處理工藝其好氧區氨氮去除率可達到97.89%，缺氧區反硝化率可達到66.76%，甚至發現在缺氧區出現了缺氧氨氮氧化反應，去除率為45.74%。缺氧-好氧兩級MBBR工藝主要適用于對現有污水廠進行挖潛改造的工程，目前處于小試及中試研究較多，工程案例報道較少。

按照進水水質(CODCr含量為400 mg/L，BOD5含量為180.0 mg/L，TN含量為60.00 mg/L，氨氮含量為55.00 mg/L)和超設計規模20%的水量，對現狀生化池進行復核，為達到去除BOD5的目標，所需曝氣區池容為27 700 m3，遠大于現狀主反應區池容(15 300 m3)，氨氮能夠達到1.5 mg/L的排放標準，但TN去除效果有限。本工程結合上述研究成果，將現狀ICEAS改造為“改良ICEAS+MBBR”工藝，將ICEAS分割為缺氧段和主反應區，分別投加MBBR填料，充分挖潛現狀生化池的處理能力，同時提高其出水水質。

2.2 中試試驗效果

實際工程改造前，采用中試試驗驗證技術可行性。中試采用按現狀生化池同比縮小后的一體化中試試驗裝置進行試驗，設備尺寸為長×寬×高=6.5 m×2.0 m×3.0 m，有效水深為2.5 m，有效池容為32.5 m3，處理量為72 m3/d。將生化池分為預反應區、缺氧區和主反應區，各區池容比為0.125∶0.400∶1.000。

表4 中試試驗進出水水質Tab.4 Influent and Effluent Water Quality of Pilot-Scale Test

中試分為兩階段進行，第一階段為污泥的接種及填料掛膜階段。中試試驗采用實際污水廠生化池污泥進行接種，減少污泥培養周期，在缺氧區和主反應區均投加MBBR填料。掛膜階段，進水采用間歇進水，隨掛膜情況逐漸提高進水比例。結果表明，接種15 d后MBBR填料可以初步掛膜，填料表面出現少量輪蟲和鐘蟲，30 d后MBBR填料表面出現大量微生物，鏡檢發現大量累枝蟲，生物相較好。其鏡檢照片如圖4所示。

圖4 中試試驗鏡檢結果Fig.4 Schematic Diagram of Microscopic Results of Pilot Test

第二階段驗證改造工藝處理能力，中試設備運行參數如下：HRT為11.00 h，進水流量為3 m3/h，連續進水間歇出水，反應周期為4.0 h，即曝氣、攪拌及回流共130 min，沉淀50 min，出水60 min。污泥質量濃度為3～5 g/L，內回流比為100%～300%，外回流比為50%～100%，缺氧區和主反應區MBBR填料投加量分別為相應反應區池容的25%和30%。

中試進出水水質如表4所示。結果表明，在最高進水水質條件下(CODCr含量為500 mg/L，TN含量為60.00 mg/L，氨氮含量為50.00 mg/L，TP含量為6.00 mg/L)，部分出水水質指標仍然可以穩定達到IV類水標準(TP、SS除外)。中試試驗驗證了通過投加懸浮填料可顯著提高單位池容的處理負荷，MBBR工藝可解決現有污水處理廠池容不足的實際問題。通過增設回流比及內回流比可提高脫氮除磷效率，出水部分指標穩定達到Ⅳ類水標準，工藝可行。

3 工程設計

本工程改造中保留現有預反應池；在缺氧區進水端設置碳源投加點，池內設置攪拌器，投加缺氧MBBR填料，強化反硝化效果；在主反應區投加好氧MBBR填料，強化有機物氧化和氨的硝化作用；在主反應區末端設置混合液回流系統，促進缺氧區反硝化脫氮；在主反應區前端設置PAC加藥點，加強化學除磷；同步更換曝氣器和鼓風機等設備。具體ICEAS改造平面及剖面如圖5和圖6所示。

圖5 ICEAS改造平面示意圖Fig.5 Schematic Plan Diagram of Reconstruction ICEAS Process

圖6 ICEAS改造剖面示意圖Fig.6 Schematic Section Diagram of Reconstruction ICEAS Process

設計將主反應池劃分為缺氧區和主反應區，池容比取0.400∶1.000。根據設計進水水量和水質(CODCr含量為400 mg/L，BOD5含量為180.0 mg/L，TN含量為60.00 mg/L，氨氮含量為55.00 mg/L)，反推各區分別被活性污泥和填料去除的污染物的量。

主反應區主要進行碳化反應和硝化反應，好氧階段先進行碳化反應后進行硝化反應。扣除碳化反應所需容積以及出水中攜帶的氨氮量、同化作用去除的氨氮量等，實際單池需要硝化的氨氮為397 kg氨氮/d。其中主反應區能夠硝化的氨氮為99 kg氨氮/d，需要填料硝化的氨氮量為298 kg氨氮/d，設計填料的硝化速率為0.5 g氨氮/(m2·d)，填料有效比表面積為800 m2/m3，則好氧填料量為743 m3，占整個主反應區容積的27.3%，考慮一定余量，取好氧區填料填充比為0.31。

同時調整ICEAS各階段運行參數，具體運行參數為如下。運行周期、時間與中試一致，污泥負荷為0.19 kg BOD5/(kg MLSS·d)，設計污泥質量濃度為5 g/L，硝化液內回流比為100%～300%，外回流比為50%～100%。HRT為12.73 h，SRT為15.0～24.0 d，充水比為0.32，平均供氧量為225 m3/min。PAC采用成品液體PAC溶液，投加量為30 mg/L，在現狀加藥間內改造。新建碳源加藥間，平面尺寸為14.0 m×6.0 m，碳源采用固體乙酸鈉，設計投加量為92 mg/L。

4 實際效果

4.1 實際進出水效果

2021年3月改造完成，截至2021年7月，經過5個月運行時間，結果表明，改造后的污水廠平均日處理量可達到3.51萬m3/d，較設計值提高了17%。在進水水質超過設計水質情況，出水部分指標能穩定達到IV類標準，實際進出水水質如表5所示，有效達到了處理水量和水質雙提升效果。

4.2 技術經濟指標

本項目工程總投資為3 084萬元，其中工程費約為2 505萬元，水處理經營成本為1.05元/m3。

本項目對主體處理工藝僅進行挖潛改造，不新增主工藝流程，僅增加一座占地面積為84 m2的碳源加藥間，折合新增用地面積為23.93 m2/(104m3·d)。

本項目全年新增電耗為22.23萬kW·h，新增噸水電耗為0.12 kW·h，電價為1.0元/( kW·h)，新增噸水電費成本為0.12元，新增運營成本為0.22元/m3，單位總成本為1.38元/m3，單位經營成本為1.05元/m3。

表5 改造后2021年3月—7月實際進出水水質Tab.5 Actual Influent and Effluent Water Quality during March to July in 2021 after Reconstruction

5 結論

(1)針對高標準排放需求的污水處理廠，本工程占地面積有限，將現狀ICEAS工藝挖潛改造為“改良ICEAS+MBBR”工藝，僅增加碳源加藥間等輔助用房，大大節省土建費用、占地面積小、投資少、改造周期短、操作管理方便，對類似項目具有一定的參考意義。

(2)缺氧區和主反應區MBBR填料培養15 d可初步掛膜，30 d可達到設計處理效果。通過輔助投加碳源和除磷劑，能夠實現出水部分水質指標由一級A標準提升至IV類標準，處理水量提升17%，對同類型項目產生良好的示范作用。

(3)提標改造工程全年新增電費成本為0.12元/m3，新增運營成本為0.22元/m3，單位總成本為1.38元/m3，單位經營成本為1.05元/m3。