大型水質凈化廠純膜MBBR工藝條件優化及運行分析

賈旭超,盛德洋,賀珊珊,*,萬年紅,余 軍,簡思鳳

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.東莞市水務集團有限公司,廣東東莞 523000)

隨著我國社會經濟的發展,人民對美好生活的愿望越來越迫切。2015年,我國發布《水污染防治行動計劃》,要求到2030年,全國七大重點流域水質優良比例總體達到75%以上,城市建成區黑臭水體總體得到消除。廣東省于2018年發布《關于全面攻堅劣V類國考斷面行動的命令》,要求在2020年基本消除劣V類水體。保護地表水體,對微污染水體進行治理,符合我國國家政策需求。

地表水體主要污染物為氨氮、總磷(TP)等,而氨氮是常規工藝難以去除的污染物[1]。針對氨氮處理,目前采用的工藝有曝氣生物濾池、生物接觸氧化法、移動床生物膜反應器(moving bed bio-film reactor,MBBR)等[2]。其中MBBR工藝作為近年來新興的工藝廣受關注[3]。周正興等[4]采用MBBR工藝對水源水中化學需氧量(COD)和氨氮進行處理,氨氮、CODMn去除率分別為57.43%、20.27%。熊水應等[5]討論了MBBR工藝處理微污染原水的影響因素,結果表明,去除率與溫度呈線性正相關關系,并總結設計中應注意懸浮填料粒徑和密度、曝氣系統的選擇、空氣管路的布置等因素的影響。周家中等[6]介紹了國內外共10個工程案例的純膜MBBR工藝在微污染水、工業廢水、市政污水、高氨氮廢水處理中的應用情況。但MBBR工藝用于河道水質處理的案例還較少,其在大型水質凈化廠運行經驗也缺乏總結。

本研究針對廣東某大型水質凈化廠降氨氮項目(規模為260萬m3/d),討論了MBBR工藝對河道微污染原水的處理效果,通過中試研究分析影響該工藝氨氮去除性能的因素,提出調試及運行的改進措施,為類似微污染水處理項目的工藝選擇和調試運行提供參考。

1 項目概況

1.1 項目背景

廣東某水質凈化廠于2002年建成并投入運行,處理規模為260萬m3/d,實際運行規模可達280萬m3/d,主要定位于解決東莞運河河道黑臭問題。將污染河水抽取后,采用一級混凝沉淀工藝,削減水體懸浮物(SS)、有機物和TP等污染物。隨著環保要求提高,該廠下游的運河國考斷面面臨不達標問題,因此,擬利用該廠進一步提標處理河水。2018年—2019年的斷面水質檢測數據顯示,主要超標污染物為氨氮(長期超標2倍有余),故本次提標改造工程的重點為去除河水中的氨氮,以滿足河道斷面考核要求。

1.2 工藝設計

該水質凈化廠原處理工藝為“粗/細格柵+平流沉砂池+絮凝反應池+平流沉淀池”。本項目將原平流沉淀池末端45 m范圍改造為純膜MBBR工藝段,并新增進出水攔截系統、曝氣系統、懸浮填料及配套在線監測系統等。根據課題組前期研究成果[7],選取符合要求的懸浮填料進行改造。根據廠區情況,純膜MBBR區停留時間僅為0.9 h。懸浮填料為高密度聚乙烯(HDPE)材質,其密度為0.94～0.97 g/cm3,填充率均為40%。純膜MBBR區設計硝化負荷大于0.174 kg氨氮/(m3·d),末端有效水深為3.5 m,采用側進側出微動力混合池型,有利于降低水平流速,使懸浮填料流化均勻[8]。曝氣方式采用微孔與穿孔管聯用曝氣,為懸浮填料提供流化動力并實現充氧。改造后的工藝流程如圖1所示。

圖1 改造后的工藝流程Fig.1 Process Flow after Reconstruction

2 純膜MBBR工藝硝化性能的影響因素

本研究首先通過中試考察了水溫、氣水比、水力停留時間及填料填充率等運行條件對去除效果的影響。中試規模為1 m3/h,每格平面尺寸L×B×X=2 000 mm×600 mm×1 800 mm,有效水深為1.5 m,采用不銹鋼制成,進出水設置隔網,底部布置穿孔曝氣管。中試進水采用工程MBBR池進水,采用工程同樣的懸浮填料,材質為聚乙烯(PE),單位尺寸為φ20 mm×10 mm,比表面積為800 m2/m3。試驗裝置如圖2所示。

注:尺寸單位為mm,標高單位為m。圖2 試驗裝置Fig.2 Experiment Device

2.1 水溫

圖3是不同水溫情況下填料對氨氮的去除效果。2020年9月—2021年1月試驗平均水溫分別為31.3、26.9、24.6、19.7、17.1 ℃。當溫度從31.3 ℃降低到24.6 ℃時,出水氨氮平均質量濃度由0.17 mg/L降低至0.03 mg/L,去除率從93.86%升高至99.02%,主要是溫度過高會導致硝化細菌的酶蛋白部分失活,影響硝化作用;隨著溫度從24.6 ℃持續降低至17.1 ℃,出水氨氮平均質量濃度升高至0.34 mg/L,去除率下降約9.77%,這是因為水溫降低,硝化細菌的酶活性降低,生物降解受到一定的抑制[9]。試驗結果表明,硝化細菌處在25 ℃左右水溫時,其對氨氮的去除效果最佳。

圖3 溫度對氨氮去除效果的影響Fig.3 Effect of Temperatures on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

2.2 氣水比

由圖4可知,當氣水比從0.75∶1升高至1.50∶1時,出水氨氮平均質量濃度由0.75 mg/L降低至0.08 mg/L,平均去除率由79.53%增加至94.56%;當氣水比從1.50∶1增加至2.00∶1時,出水氨氮平均質量濃度從0.08 mg/L升高至0.29 mg/L,平均去除率從94.56%降低至91.76%。可以看出,隨著氣水比的提高,純膜MBBR池對氨氮的去除率先增加后減少,最優氣水比為1.50∶1。但當氣水比為0.75∶1時,出水氨氮質量濃度多數在0.30～0.63 mg/L,且懸浮填料的流化效果穩定。這說明在保證溶解氧充足的情況下,低氣水比也可滿足純膜MBBR池對氨氮去除的要求。結合氨氮去除效果、水體擾動程度及節能降耗等因素,可以考慮在氨氮進水濃度較低時適當減少氣水比,此時依然能滿足出水要求。

圖4 氣水比對氨氮去除效果的影響Fig.4 Effect of Air-Water Ratios on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

2.3 水力停留時間

如圖5所示,當水力停留時間從81 min降低到54 min時,平均出水質量濃度從0.07 mg/L升高至0.17 mg/L,平均去除率從97.24%降低到94.00%,出水均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅲ類水質標準。這是因為水力停留時間越長,水力負荷越小,污染物與生物膜接觸就越充分,有利于氨氮被硝化。根據試驗結果及工程水量要求,水力停留時間選取54 min較為適合,但其水力負荷為66.67 m3/(m3·d),是凈化廠實際值的6倍,且出水氨氮濃度遠低于設計標準,因此,可繼續適當縮短水力停留時間。

圖5 水力停留時間對氨氮去除效果的影響Fig.5 Effect of Hydraulic Retention Time on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

2.4 填料填充率

由圖6可知,當填充率從30%增加到40%時,出水氨氮平均質量濃度從0.28 mg/L降低至0.07 mg/L,平均去除率由91.00%增加至97.79%;當填充率從40%增加到50%時,出水氨氮質量濃度由0.07 mg/L升高至0.34 mg/L,去除率降低了8.56%。可以看出,隨著填充率的增加,氨氮的去除效果先提高后降低。主要原因是填料為微生物提供生長的載體,填充率增加,附著在填料表面的硝化菌數量也相應增加,從而能更好地進行硝化作用。但增加懸浮填料填充率的同時,還應保證具有良好的流化狀態,當填充率過大時,流化程度降低,處理效果也會受到影響。試驗結果表明,填料的最佳填充率為40%。

圖6 填充率對氨氮去除效果的影響Fig.6 Effect of Filling Ratios on Ammonia Nitrogen Removal Efficiency

3 調試及運行經驗總結

(1)水質凈化廠進水氨氮濃度偏高時,出水氨氮濃度也隨之升高,這導致出水有超標的風險,可在一定的范圍內通過增加曝氣量進行調節,規避該風險。同時,建議MBBR工藝建立自動水質檢測系統及曝氣系統,對進水氨氮數據進行精確把控,每日定時進行水質巡查,當進水氨氮濃度增大時,及時通過曝氣量的調節以確保出水達標。

(2)廠區停水檢修7 d,恢復通水后MBBR系統對氨氮的去除效果顯著降低,且恢復周期較長(一般為8～10 d),主要是因為部分生物膜在停水狀況下死亡脫落,填料上新附著的生物膜抗沖擊負荷能力較弱,高水量不利于其生長成熟[10]。停水檢修時,可采取每日對填料進行適當的噴淋以保持微生物活性。此外,恢復通水時,應先采取低負荷水量進水,促進生物掛膜,再根據出水水質情況逐步增大進水閘門開啟度,直至系統正常運行。

(3)純膜MBBR生物池在運行過程中,維持流化性能,保證懸浮填料不在末端堆積尤為重要。且大型水質凈化廠沉淀池與生物膜池共建,堆積后易形成填料在整個沉淀池漂浮,影響沉淀性能同時影響系統的硝化性能。在運行時,尤其需要加強對MBBR生物池水位的巡視和觀測,當攔網液位差為30～60 mm以上時,應及時提高曝氣量促進填料流化;當液位差大于60 mm以上時,應迅速開啟末端攔網處的應急吹掃管進行沖刷,提高填料的流化程度,促進液位恢復正常。按照水池排布單組逐個進行檢修,保證水量均勻分配,減少水流沖擊填料。定期使用高壓水槍清洗篩網,并適當增加篩網高度。

(4)該水質凈化廠自全面投產運行1年后,發現MBBR生物池的進出水渠、攔截網及填料中出現淡水殼菜滋生現象,對填料的流化狀態和廠區的最優運行工況造成一定的影響。經現場調研、查閱相關文獻及進行小試試驗后,可采取一些解決措施:投加次氯酸鈉、高錳酸鉀等藥劑對淡水殼菜進行殺滅或通過加大曝氣量沖刷淡水殼菜使其脫落,并進一步提高對氨氮的去除效果。但是,對于這些措施是否適用于工程實際運行情況,仍需進一步探究。

(5)當含油廢水排入運河后,油層覆蓋水面,阻礙空氣向水中擴散,導致溶解氧減少,使水體變臭,水生生物死亡。應在前端設置隔油池或在沉淀池進水處安裝撇油裝置,將含油廢水截流、收集處理,減少環境危害,保證后續生物膜法的去除效率;并通過加大曝氣量,有效提升水體的溶解氧水平,加強MBBR區域水體的流動性。

4 改造后工程運行效果

廣東某水質凈化廠通水調試后,向MBBR生物池分批投加懸浮填料,5 d后表面已附著生物膜,30 d后生物膜已完全覆蓋,3個月后系統基本處于穩定狀態,生物膜厚度均勻,微生物以后生動物為主,懸浮填料流化狀態良好,氨氮去除率達到84%以上。

本次研究收集并整理了該廠的運行數據,統計出純膜MBBR生物池每月的進出水質情況(月平均值),考察進出水CODMn、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮、TP、SS的情況。該廠純膜MBBR工藝段運行參數如下:水溫為17～29 ℃、氣水比為1.30∶1～1.70∶1、水力停留時間為0.8～0.9 h、填料填充率為40%、pH值為6.7～7.4。

4.1 CODMn和BOD5的去除效果

由圖7可知,MBBR系統進水CODMn質量濃度為14～48 mg/L,平均值為25 mg/L,出水CODMn質量濃度為11～30 mg/L,平均值為19 mg/L,去除率為0.00～63.33%,平均值為24.11%。MBBR系統進水BOD5質量濃度為1.0～9.9 mg/L,平均值為4.2 mg/L,出水BOD5質量濃度為0.8～7.5 mg/L,平均值為2.7 mg/L,去除率為0.00～70.49%,平均值為35.03%。與國內報道[4-6]相比,本研究去除率相對較高。

4.2 氨氮和TP的去除效果

改造前(2020年1月—7月)的進水氨氮平均質量濃度為3.39 mg/L,出水氨氮平均質量濃度為2.98 mg/L,平均去除率僅為12.09%,系統對氨氮幾乎沒有去除能力;進水TP平均質量濃度為0.286 mg/L,出水TP平均質量濃度為0.196 mg/L,平均去除率為31.47%。從8月開始對沉淀池進行改造,投加懸浮填料后其表面迅速生長、富集硝化菌生物膜,使系統的硝化性能得到明顯提升,經3個月的運行調試后系統趨于穩定。改造后(2020年11月—12月)的進水氨氮平均質量濃度為3.17 mg/L,出水氨氮平均質量濃度為0.47 mg/L,平均去除率達到85.17%(圖8),與中試結果相比較低。但氨氮去除率較改造前提高了73.08%,出水氨氮滿足GB 3838—2002的Ⅲ類水質標準。經改造后系統進出水TP平均質量濃度分別為0.238 mg/L和0.104 mg/L,平均去除率從31.47%增加至56.30%,出水TP質量濃度保持在0.100 mg/L左右,優于設計要求。本工程主要聚焦于氨氮的去除效果,通過分析2021年及2022年的運行數據,得出進水氨氮平均質量濃度分別為2.49 mg/L和1.92 mg/L,出水氨氮平均質量濃度分別為0.30 mg/L和0.34 mg/L,平均去除率分別為87.95%和82.29%,對氨氮的去除效果趨于穩定。

4.3 系統對SS的去除效果

改造前(2020年1月—7月)系統對SS的平均去除率為43%。由圖9可知,改造后(2020年11月—12月),SS出水平均質量濃度為8 mg/L,平均去除率為57.15%,說明MBBR工藝對SS有一定的攔截作用,使得SS的去除效果得到一定的提高。

圖9 SS的去除效果(2020年)Fig.9 Removal Efficiency of SS (2020)

5 結論

(1)穩定運行期間,廠區出水CODMn、BOD5、氨氮、TP和SS的平均質量濃度分別為19、2.7、0.47、0.104 mg/L和8 mg/L,平均去除率分別為24.11%、35.03%、85.17%、56.30%和57.15%,滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質標準。

(2)由試驗結果分析得出,MBBR最佳運行條件如下:水溫為25 ℃、氣水比為1.50∶1、水力停留時間為54 min、懸浮填料填充率為40%。該條件下,氨氮去除率可達97.79%,綜合考慮去除效果、水體擾動程度及節能降耗等因素,在進水濃度較低時,可采用低氣水比運行。

(3)該廠純膜MBBR工藝段運行參數如下:水溫為17～29 ℃、氣水比為1.30∶1～1.70∶1、水力停留時間為0.8～0.9 h、填料填充率為40%、pH值為6.7～7.4,與試驗結果基本吻合。

(4)水質凈化廠出水氨氮濃度偏高時,可在一定的范圍內通過增加曝氣量進行調節,規避該風險;停水檢修后恢復通水時,應先采取低負荷水量進水,促進生物掛膜,再根據出水水質情況逐步增大進水閘門開啟度,直至系統正常運行。

為解決系統運行過程中出現的填料堆積、篩網堵塞及填料流失等問題,可通過加大曝氣量、啟用應急吹掃管、保證配水均勻和使用高壓水槍清洗篩網等措施,保障系統硝化性能穩定發揮,使出水氨氮滿足設計標準;可通過投加次氯酸鈉、高錳酸鉀等藥劑對淡水殼菜進行殺滅或通過加大曝氣量沖刷淡水殼菜使其脫落,進一步提高對氨氮的去除效果;通過加大曝氣量,有效提升水體的溶解氧水平,加強MBBR區域水體的流動性,并將含油廢水截流、收集處理,減少環境危害。