基于移動床生物膜工藝的污水處理廠改造應用

〔摘 要〕基于某污水處理廠的改造工程，探討了移動床生物膜（MBBR）工藝在實際應用中的效果。針對該廠面臨的水質波動、設備老化及處理能力不足等問題，研究提出實施原位改造策略，通過更換細格柵、采用AAO+MBBR工藝、優化主要構筑物設計參數的方式對該污水處理廠進行了升級改造。其中，MBBR工藝通過投加懸浮載體，利用載體表面生物膜強化生化處理，顯著提高了系統的抗沖擊負荷能力和處理效率。改造后，污水廠出水水質滿足一級A標準，且占地面積和運營成本得到有效控制。

〔關鍵詞〕污水處理；生化處理；移動床生物膜；原位改造；細格柵

中圖分類號：X703 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0080-0４

Renovation and Application of Sewage Plant Based on Moving Bed Biofilm Reactor Process

WEI Wei

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" Based on the renovation project of a certain sewage treatment plant， the paper discusses the effectiveness of the Moving Bed Biofilm Reactor （MBBR） process in practical application. In response to the problems faced by the plant， such as water quality fluctuations， equipment aging， and insufficient treatment capacity， a in-situ renovation strategy was proposed in the study. The sewage treatment plant was upgraded and renovated by replacing the fine grille， adopting the AAO+MBBR process， and optimizing the design parameters of the main structures. Among them， the MBBR process significantly improved the system's ability to withstand impact loads and processing efficiency by adding suspended carriers and utilizing biofilm on the carrier surface to enhance biochemical treatment. After the renovation， the quality of water treated from the sewage treatment plant meets the class-1 A standard， and the land area and operating costs are effectively controlled.

Keywords" sewage treatment; biochemical treatment; moving bed biofilm reactor （MBBR）; In-situ renovation; fine grille

某污水處理廠始建于2008年，設計處理能力為1萬 m3/d。該廠建設初期采用“改良型氧化溝+二沉池”工藝，已于2009年竣工并投入運營。當時國家污水排放標準相對寬松，該廠日常運營中的出水水質能夠實現合規、達標排放。然而，隨著近年來城市化進程的加速推進，城市管網系統不斷完善，同時國家對污水排放的環保要求越來越嚴格。在此背景下，該污水處理廠面臨著多重挑戰：一方面，部分設備、設施因長期運行已出現老化現象，影響了處理效率與出水的穩定性；另一方面，隨著更多高濃度污水被納入處理范疇，該廠現有的處理能力顯得力不從心，已難以持續滿足足量且穩定達標的排放要求。因此，對該廠進行必要的改造與升級顯得尤為迫切。

1" "工程概況

2014年，該污水處理廠啟動第二階段擴容工程，新增處理規模1萬m3/d。隨著國家對污水處理廠排放標準要求的提高，2020年5月，該廠再次啟動污水處理廠提標改造工程，在進水水質保持不變的情況下，將該廠出水的排放標準從原來的一級B提升到一級A。污水處理工藝采用“改良型氧化溝+二沉池”工藝，曝氣方式采用倒傘形曝氣機曝氣；污水處理提標工藝采用“高效沉淀池+連續流砂濾池”工藝；消毒工藝采用次氯酸鈉投加消毒，次氯酸鈉由現場電解食鹽制備；污泥處理采用板框壓濾，污泥含水率要求低于60%。該廠設計進出水水質指標見表1。

根據該污水處理廠提供的運行情況資料和現場調查結果，可以發現該廠主要存在以下問題：

1）進水水量、水質不穩定，部分時段出水不能達標。非雨季時，大量高濃度工業污水進入污水管道，一些進水指標高于設計標準，給污水處理廠運行帶來了較大壓力。此時，該廠只能降低自身的污水處理能力，導致不能滿流量運行。雨季時，大量雨水和地下水進入城市污水管道，又會導致污水處理廠進水量較大，進水濃度較低。這也給污水處理廠運行帶來了較大的困難。這種情況下，出水中的CODcr、BOD5和SS等指標能達標，但部分時段會存在氨氮和總氮不達標的情況。此時，如果增大曝氣量，尾水中氨氮濃度能有所下降，但活性污泥被打散，進入二沉池分離效果變差。

2）進水中垃圾和毛發較多，對細格柵設備構成了較大的壓力，進而影響了后續構筑物的運行。在污水處理流程中，細格柵作為預處理階段的核心組件，承擔著去除進水中雜質的重要任務。本項目采用的細格柵柵隙為5 mm，這一規格導致許多細小垃圾及毛發無法得到有效攔截，得以穿越細格柵并進入高效沉淀池。高效沉淀池的設計旨在通過回流泵實現泥水的有效分離與排放。然而如果垃圾和毛發進入高效沉淀池，會使池中的回流泵因堵塞而失效，直接導致高效沉淀池排泥功能受阻，進而影響整個污水處理系統的效能。為解決這一問題，該廠目前采取的措施是定期或根據實際需求對回流泵進行拆解、檢查與清理，以清除堵塞物并恢復其正常運轉狀態。這一操作不僅增加了運維工作量，還可能導致高效沉淀池在清理期間處理能力下降，進而影響整體污水處理效率與出水水質標準。

3）該污水處理廠承擔著當地龐大的污水處理任務，其處理量極為可觀。為了保證污水處理服務的持續性和穩定性，提標改造過程中，污水處理廠不能長時間停產。且由于該廠廠內既無預留地，也無規劃新增用地，提標改造只能在原污水處理廠內進行。

根據上述問題，技術人員提出以下改造思路：

1）提高氧化溝生化處理能力，可采用擴建氧化溝或在氧化溝中投加填料進行原位改造。2）由于進水中毛發較多，可以考慮將現有細格柵更換為進水網板格柵（柵隙3 mm），盡可能去除毛發，改善后續處理構筑物運行情況。綜合考慮用地大小、實施難度、建設及改造成本、運營成本等因素，該項目最終采用移動床生物膜工藝對現有氧化溝進行改造，以強化生化處理。

2" "移動床生物膜工藝的特點

移動床生物膜工藝（Moving-Bed Biofilm Reactor，以下簡稱“MBBR工藝”）起源于北歐，兼具傳統流化床和生物接觸氧化法兩者的優點，是一種新型的污水生物處理技術[1-4]。該工藝通過向反應池內投加圓柱多孔狀的懸浮載體，使微生物牢牢吸附于懸浮載體表面，形成一層薄薄的生物膜，以提高系統中的生物量及生物種類，從而實現污水凈化。投加生物膜載體具有比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運動、有效表面積大，適合微生物附著生長等特點。移動床生物膜工藝原理如圖1所示。

如圖１所示，在好氧區，通過底部曝氣，利用空氣泡上升浮力推動懸浮載體和水體流動起來，懸浮載體被充分地攪拌并與水流混合，而空氣被載體充分分割成細小的氣泡，增加了生物膜與氧氣的接觸和傳氧效率。在厭（缺）氧區通過潛水攪拌器攪拌來推動水體和懸浮載體流化起來，達到生物膜與污染物充分接觸降解的目的。

好氧區采用穿孔管曝氣，確保懸浮載體進行上下的流化運動，促進懸浮載體的脫膜、掛膜過程。懸浮載體比重選擇在0.94～0.97之間，在培菌期間，懸浮載體表面會慢慢附著大量的生物膜，導致比重逐漸增加。當載體上生物膜累積到一定厚度時，其比重大于1，載體從非曝氣區下沉到水池底部。在好氧區底部，受到曝氣沖擊力的沖刷，載體上的殘余生物膜迅速被洗掉。脫膜后的載體比重降低到1以下，并在曝氣區上升。根據掛膜前后的比重變化，懸浮載體可以隨水流在曝氣區和非曝氣區內翻騰，從而交替完成生物膜的生長和脫落過程，保證生物膜的數量穩定性和活性，使工藝運行較穩定。在好氧區內適當位置設計采用篩網進行簡單攔截和分隔，防止流化懸浮載體隨混合液進入下一個環節。

綜上，移動床生物膜的工藝機理具有以下特點：

1）微生物存在狀態為懸浮態+固定態，且生物填料上的微生物環境始終處于其優勢條件的專性區域內，全部停留時間均表達活性。

2）對基質及水量波動具有良好的適應性。這主要得益于其內部富含的大量生物膜結構。相較于活性污泥法，移動床生物膜工藝的抗沖擊負荷能力顯著增強，對有毒物質的抵抗力也較強。事故后，系統能夠在1～2周內快速恢復，且在3～5 ℃的低溫下仍可取得較好的處理效果。

3）生物膜部分折算后，污泥濃度受填充率、填料比表面積的影響顯著。隨著填充率的增加，料比表面積的擴大，污泥質量濃度最高可達到10～40 g/L，污泥中揮發性懸浮固體（VSS）含量較高，且活性較好。

4）容積負荷為4.5～8 kg/（m3·d），遠高于傳統活性污泥工藝的0.28～0.36 kg/（m3·d），可減少生化池容積，節約占地，占地可較活性污泥法節約30%～50%用地。

5）污泥齡較長，且具有選擇性。長泥齡菌群附著于懸浮填料上生長，可靈活控制懸浮態污泥的污泥齡，實現同一反應池內不同功能種群微生物泥齡上的分離，同步強化脫氮除磷；且存在好氧/缺氧微環境，有利于對于難降解有機物的水解及降解。

6）系統壽命長。懸浮載體耐磨耐用，攪拌器采用香蕉形的攪拌葉片，外形輪廓線條柔和，不損壞懸浮載體；采用底部曝氣系統，通過填料對氣泡的切割，可達到微孔曝氣的氧轉移效率。整個攪拌和曝氣系統很容易維護管理，延長檢修周期。

7）適用于污水處理廠新建、升級改造及立體擴容。升級靈活性好，可根據水質特點靈活設置前置或后置反硝化以提高碳源利用率，可通過改變填料投加區域和填料投加量靈活擴容或提標，并可進一步升級。

3" "工藝優化方案

因用地條件限制，本工程對核心生化池（氧化溝）采用原位改造方案，不改變主體結構，僅進行內部分隔，將表面曝氣改為底部曝氣；充分利用現狀空隙和空閑場地，將鼓風機房設置在二沉池旁邊的空地上。由于氧化溝是原位改造，沒有增加新的水頭損失，原有的水力流程也不會發生改變。具體改造方案如下。

3.1" 更換細格柵

污水處理廠現有細格柵采用循環式齒耙清污機，可滿足污水處理廠一般情況下的運行需要。但考慮到污水管網中排入了大量屠宰廢水，含有很多動物毛皮碎屑和細小組織。這些動物毛屑隨著格柵旋轉到格柵背面，進入后續處理單元，不能有效刮除，易堵塞水泵。改為采用MBBR工藝后，出水格網網眼堵塞問題依舊存在，嚴重影響污水處理廠的正常運行。因此，必須更換細格柵，改為采用內進水孔板式細格柵。

3.2" AAO+MBBR工藝改造

將現有氧化溝工藝改造為AAO（厭氧—缺氧—好氧）+MBBR復合工藝。在改造過程中，保留現狀厭氧區、缺氧區、氧化溝區，且這3個區域的池容保持不變；將好氧區、缺氧區改造為MBBR區。廢除氧化溝的倒傘形表曝系統，替換為節能高效的底部曝氣系統；在好氧區、缺氧區中投加懸浮生物膜載體，設置專用推流器、輔助曝氣系統以及進出水攔截系統，保證懸浮生物膜載體良好流化且不會隨水流失。改造后系統依靠懸浮載體表面富集的微生物膜對進水中COD、BOD、NH3-N、TN進行有效去除，實現穩定達標。然后再依靠高效沉淀池、連續流砂濾池系統，進一步去除TP、SS，確保污水處理廠出水水質全指標達標。

4" "主要構筑物及設計參數

4.1" 主要構筑物的拆除與利舊

此次改造項目需拆除的原有設備有原有旋轉式格柵除污機、無軸螺旋輸送壓榨一體機、螺旋壓榨機；改為采用網板式格柵除污機，格柵間隙為3 mm，并配套高排水螺旋壓榨機。

利用現有氧化溝池體2座。原有氧化溝設計參數：1）單座氧化溝設計規模為2萬 m3/d，兩座均能獨立運行，4廊道，溝寬6 m，有效水深4 m。2）污泥負荷為0.07 kg/（kg·d），污泥濃度為4 g/L，總污齡為15 d。3）單池有效總容積約為5 200 m3，其中厭氧區容積為621 m3，缺氧區容積為1 250 m3，好氧區容積為3 332 m3，標準供氧量為3 969 kg/d。

4.2" 改造用設備、材料相關參數

本次改造是將原有2座氧化溝改造為MBBR池。改造后2座MBBR池用到的主要設備和材料有網板式格柵除污機、高排水螺旋壓榨機、懸浮載體填料、進出水攔截系統、輔助曝氣系統、MBBR區專用推流器、內回流泵以及磁懸浮風機。相關設備、材料參數見表2。

5" "結論

本文依托某污水處理廠的改造工程，針對其面臨的水質波動、設備老化及處理能力不足等問題，成功應用了移動床生物膜（MBBR）工藝進行升級改造。MBBR工藝通過向反應池內投加比重接近于水、易于隨水自由運動的懸浮載體，利用其有效表面積大、適合微生物附著生長等特點，強化生化處理效果。懸浮載體填料壽命一般大于15 a以上，無需補充，無追加投資，折舊率低；填料、篩網、曝氣管等無需維保；運行電耗在0.2～0.3 kWh/m3，經營成本1.0～1.5元/m3。

研究結果顯示，MBBR工藝不僅能顯著提高系統的抗基質及水量波動能力，還增強了抗沖擊負荷能力和對有毒物質的抵抗力。在事故后，系統能夠在較短時間內快速恢復，且在低溫條件下仍能保持較好的處理效果。此外，MBBR工藝還具備污泥濃度高、容積負荷高及污泥齡長等特點，使得生化池容積得以減少，占地面積節約30%～50%。

在具體改造方案中，技術人員采用了原位改造策略，在不改變氧化溝主體結構的前提下，僅進行了內部分隔與曝氣方式的調整。通過更換細格柵、采用“AAO+MBBR”工藝改造及優化主要構筑物設計參數等措施，實現了對進水COD、BOD、NH3-N、TN等污染物的有效去除，確保了出水水質全指標達標。

綜上所述，MBBR工藝在污水處理廠升級改造中展現出顯著優勢，不僅提高了污水處理效率與出水水質的穩定性，還節約了占地面積與運營成本。本研究成果為類似污水處理廠的改造提供了有益的參考與借鑒，具有廣泛的應用前景與推廣價值。

參考文獻

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