某污水處理廠MSBR工藝升級改造為MBBR工藝的工程應用

張申旺,楊 碩,張向陽,*,張彥浩

(1.濟寧市城市水務服務中心,山東濟寧 272000;2.山東建筑大學市政與環境工程學院,山東濟南 250101)

氮、磷一直是污水處理領域最受關注的元素,脫氮除磷是污水處理廠的重要任務。為了應對我國更高的環保要求,近年來對氮、磷的排放限值更為嚴格。出水排入敏感水域的排放標準在一級A標準基礎上進一步提高,氮、磷等營養元素指標向地表Ⅳ類、Ⅲ類水靠攏[1]。因此,很多污水處理廠的提標改造勢在必行。某北方市政污水處理廠已投產運行多年,原主體工藝為改良式序列間歇反應器(modified sequencing batch reactor,MSBR),總處理規模為20萬m3/d,原設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。主要存在的問題是當進水水質波動或冬季低溫時,出水TN有時達不到一級A標準,難以達到更嚴格排放標準的要求。而且,隨著城市的發展,污水量也有所增加,需要進行擴容。通過將MSBR生化池升級改造為移動床生物膜反應器(moving bed biofilm reactor,MBBR)生化池,污水處理廠解決了原工藝不能穩定達到更嚴格標準的問題,取得了很好的效果。

1 MSBR工藝與MBBR工藝

1.1 MSBR工藝

MSBR是Yang等[2]根據序批式活性污泥法(SBR)技術特點結合厭氧-缺氧-好氧(AAO)工藝研究開發的一種污水處理系統,其綜合了AAO、SBR等工藝的特點,脫氮除磷能力較傳統AAO工藝更強。該工藝采用單池多格設計,可連續進水、連續出水,具有占地面積小、運行成本低、脫氮除磷效果較好、空間構型和周期變化設置靈活等優點[3],其集約化、一體式的設計理念符合我國國情,在國內很多污水處理廠中一度發揮了非常重要的作用。

常規MSBR工藝流程如圖1所示,采用單池多方格形式布置,系統在恒定水位下連續運行。MSBR工藝是同時進行生物除磷及生物脫氮的污水處理工藝,碳利用率高,因此,脫氮除磷效果較好[4]。然而,由于該系統各格互聯、交替操作,且通過選擇、組合與取舍操作步驟,調整各工序時間來控制運行,其運行控制和AAO工藝的運行控制相比,更為復雜[5]。此外,受到進水沖擊及同步脫氮除磷固有矛盾的影響,厭氧池、缺氧池、曝氣池之間容積比不合理、氣水比過高等問題,都會限制同步脫氮除磷過程,從而造成在實際運行過程氮、磷去除效率偏低,最終導致污水處理廠出水中的氮、磷指標難以同時達到一級A標準[6]。當進水水質出現波動變化時,需要建立較為復雜的控制系統,才能得到理想的脫氮除磷效果。對于進水水質波動但出水又必須穩定達標的污水處理廠來說,MSBR的短板較為明顯。

圖1 MSBR工藝流程

1.2 MBBR工藝

在進水水質水量波動和冬季低溫的情況下,常規MSBR生化池不能穩定保證出水TN和TP達標,因此,在MSBR基礎上對污水處理廠進行升級改造一時成為非常迫切的需要。然而,城市的快速發展導致污水處理廠用地矛盾尖銳突出,大多數新建污水處理廠都面臨著用地窘境,污水處理廠擴建與改造更是存在缺地的困難。MBBR以其微生物濃度更高、脫氮效率更高的特點,特別適用于在不增加占地的前提下對現有污水處理廠進行擴容和提高出水水質的升級改造[7]。

MBBR實質上是一種基于特殊結構填料的生物流化床技術,該技術在同一個生物處理單元中將生物膜法與活性污泥法有機結合,有利于提高生物膜與氧氣的接觸和傳質效率,提升反應池的處理能力和處理效果,增強系統耐沖擊負荷的能力(包括有毒化合物濃度變化)[8-9]。懸浮載體是MBBR工藝的核心部分,其性能對于生物膜的形成、生長及對污染物的去除效果有著關鍵作用[10-11],國內市場上大多數MBBR懸浮填料可供生物膜附著的有效比表面積在500 m2/m3以上[12]。填料內部生長著大量厭氧菌或兼氧菌,而其外部為好氧菌,使填料及其周邊同時存在硝化反應和反硝化反應,因此,大大提高了脫氮效率。MBBR還可以通過對核心微生物進行專性富集、固定培養,從而強化脫氮除磷效果,提高污水處理廠生化處理穩定性與抗沖擊性[13]。

MBBR可滿足不同微生物的生長環境,實現不同功能微生物的污泥齡分離,有利于世代時間長的微生物和特殊降解微生物的生長和富集。載體上的生物膜污泥齡長,適宜硝化菌的生長并維持高濃度的硝化菌,因此,硝化脫氮能力顯著。25 ℃下的硝化效率達720～1 000 g 氨氮/(m3·d),而傳統的活性污泥法在污泥質量濃度為3 g/L的情況下,硝化效率低于100～200 g 氨氮/(m3·d)[12]。

2 污水處理廠的升級改造

2.1 升級改造難點

污水處理廠原主體工藝為MSBR,共有MSBR生化池共4座,單池設計規模為5.0萬m3/d,總處理規模為20萬m3/d,原設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準,原工藝流程如圖2所示。新執行的主要水質指標限值如表1所示,最終排放標準達到國標一級A標準,并且對氨氮、TN和TP的限值更加嚴格。

表1 MSBR池升級改造前后出水主要水質指標限值

圖2 污水處理廠原工藝流程

污水處理廠長期運行結果顯示,原有工藝主要存在的問題是當進水水質波動以及冬季低溫時出水中TN時有超標。另外,隨著城市人口的增加,進入污水處理廠的污水量也有所增加,污水處理廠規模需要從20萬m3/d提升到25萬m3/d,水量增加也是造成出水水質下降的原因之一。如果增加深度處理工藝,理論上出水可以達標排放,但這就意味著必須增建(構)筑物并增設處理設備,會受到污水處理廠占地面積的限制。

2.2 升級改造思路

通過對幾種改造方案的比選(表2),鑒于該污水處理廠的升級改造必須在原址基礎上進行,既要做到不增加占地,又要保證水質達到更高的水質標準,最終選擇MBBR工藝作為污水處理廠主體工藝。

表2 提升脫氮效果的污水處理方案比選

在不增加占地面積的前提下,盡量保持原有MSBR池的基本結構,重新設置其內部構造,并向生化池中投加大量懸浮載體,將現有MSBR改造成MSBR-MBBR生化泥膜混合活性污泥系統,提高單位生化池容積的處理水量與氮、磷負荷,改善其處理效果,同時間接滿足擴容的需要。對原有MSBR池來說,升級改造后的MBBR單池的設計規模需提高至6.25萬m3/d,4座MSBR池總設計規模達到25萬m3/d。該處理系統必須確保生物處理系統運行穩定,出水水質穩定達標。

3 現有生化池升級為MBBR的工藝設計

將原有MBSR升級改造為MBBR生化池,需要通過新增加的污染物負荷確定所需填料的體積,同時確定泥膜好氧池與厭氧池的池容。執行新排放標準以后,系統新增CODCr負荷為19 000 kg CODCr/d,新增BOD5負荷為7 000 kg BOD5/d,新增氨氮負荷為2 425 kg 氨氮/d,新增TN負荷為2 900 kg TN/d。

3.1 MSBR池內新分割出的MBBR泥膜好氧池容積

系統新分割出的MBBR泥膜好氧池需要去除CODCr量為19 000 kg/d,去除氨氮量為2 425 kg/d;好氧池BOD5負荷為0.073 kg BOD5/(kg MLSS·d),活性污泥可以完全去除BOD5,不需要增加填料。實際水溫下懸浮填料的氨氮容積負荷為0.254 kg TKN/(m3·d),去除TN所需的填料體積為9 558 m3,按9 600 m3計算,以懸浮填料填充率為45%計,則需要池容21 328 m3。

3.2 MSBR池內新分割出的缺氧池容積

4 改造方案

4.1 方案簡介

現場共4組MSBR生化池,單組MSBR改造成MSBR-MBBR生化泥膜混合活性污泥系統后的平面布置如圖3所示。根據計算結果,對原MSBR池進行如下改造。

圖3 MSBR改成MSBR-MBBR生化泥膜混合污泥系統

(1)原MSBR池的單元2、單元3和單元4維持原有形式。經過計算,本項目的單元2～單元4的池容不變,有效水深及平面尺寸不做調整。

(3)將MSBR單元6剩余池體改造為MBBR+好氧池組合。單元6改造為:單元6=單元5′+MBBR+好氧池。分割出的MBBR池單組有效容積為5 331.9 m3,MBBR池數量為4組,水力停留時間為2.05 h,懸浮填料填充率為45%。好氧池單組有效容積為1 538.2 m3。活性污泥好氧池數量為4組,好氧池水力停留時間為0.6 h。主要新增設備為進水閘門、填料、篩網。單組所需風量為430 m3/min。

單組所需增加有效比表面積為500 m2/m3的填料體積2 400 m3,4組池體填料增加體積總共9 600 m3。

(4)其他構造與管路設計

原單元5進入單元6的分配進水管縮短,位于單元5內。單元5為上部出水,通過過水洞與單元6連接。單元6設置進水閘門,避免在沒有進水的情況下,填料逆流回到單元5。改造后單元6容積減小。單元6分割出單元5后,再分割為MBBR池+好氧池,MBBR與好氧池中間用隔墻隔開,MBBR出水處設置攔截篩網。

增加了MBBR出水篩網,MBBR進水處設置閘門。MBBR池的進水處不設置進水篩網和在篩網的入水段設置篩網沖洗曝氣系統,以免設置的進水篩網會被進水帶入的纖維狀物逐漸堵塞。但是,為了保證停止進水時的MBBR系統的懸浮填料逆流到其前端的缺氧區,在新建(分割)墻一側上部入水孔處新增進水閘門。閘門是常開的,只有MBBR池停止進水時關閉,防止懸浮填料的倒流到單元5。另外,為了便于安裝閘門和方便開啟,新建(分割)墻上搭建設置一走道平臺和護欄。

4.2 升級改造方案的特點

(1)針對來水的波動大可能造成生化系統存在水質、水量沖擊下出水CODCr、TN超標的問題,將原有MSBR生化池系統的好氧區(單元6)進行重新分割,并增加好氧區容積,在好氧區內增加了填料,升級改造為MBBR,可不增加污水處理廠占地面積,投資較省。

(2)增加了缺氧池停留時間,且好氧區填料表面生長的微生物量大、硝化菌多,能夠耐受較高的CODCr負荷和氨氮負荷,脫落的生物膜能夠補充活性污泥內的硝化菌,總體上有利于提高TN去除率。

(3)單元5可以在好氧和缺氧之間靈活轉換,保留了底部曝氣系統,并新增攪拌器,可以應對進水水質的波動,保證出水效果。

5 運行效果與運行費用

污水處理廠改造完成后,經過調試后穩定運行,出水達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準,氨氮和TN達到了更嚴格的排放要求。主要水質檢測指標如表3所示。

表3 改造后的污水處理廠進出水水質

升級改造后的污水處理運行費用為1.23元/m3,其中包括人工費、動力費、藥劑費、維修費、折舊攤銷成本等。

6 結論

(1)近年來,各地環保要求提高,對污水處理廠出水的排放要求也更加嚴格,尤其是敏感水域對氮、磷的排放限值,比國標一級A更加嚴格。當污水處理廠進水水質發生波動、水量偏高或冬季水溫降低時,常規MSBR工藝出水TN穩定達到更嚴格標準比較困難,因此,采用MBBR工藝在盡量不增加占地面積的前提下對污水處理廠進行擴容和提標改造成為首選手段。

(2)MBBR工藝處理系統包括填料、進出水攔截系統、輔助穿孔曝氣系統、填料專用推流器等,通過在好氧池增加懸浮填料,提高優勢菌種濃度,并形成良好的硝化反應與反硝化反應環境,可有效提高脫氮負荷和脫氮效率,尤其適合于污水處理廠的提標改造。

(3)在實際工程應用中,將現有MSBR改造成MSBR-MBBR生化泥膜混合活性污泥系統,通過計算確定填料體積以及好氧池與厭氧池池容,對MSBR池體構造進行重新布置,配合設備的改造,完全可以達到預期效果。該污水處理廠升級改造后,處理規模由原來的20萬m3/d擴容到25萬m3/d,出水氨氮、TN由原來的5(8)、15 mg/L提高到1.5(3)、10 mg/L。