MBBR+曝氣生物濾池工藝在北方地區(qū)污水處理廠提標改造中的應用

吳 越，盧俊平,*，王 怡，王秀英，代 博，任洪波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；3.呼和浩特首創(chuàng)春華水務有限責任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000)

2015年，隨著《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(征求意見稿)對外發(fā)布，城鎮(zhèn)污水處理廠迎來了更為嚴格的排放標準。但據(jù)統(tǒng)計，西北地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠排放達標率較低，其中處理達標率最低的指標主要為氮和磷，內(nèi)蒙古地區(qū)污水處理廠氨氮處理達標率更是僅有44%[1]。國內(nèi)大部分城鎮(zhèn)污水處理廠處理工藝主要為AAO、氧化溝和SBR及其變種工藝[2]。然而，對于北方城鎮(zhèn)污水處理廠來說，上述污水處理工藝在冬季低溫環(huán)境下，二級處理的效果難以得到保證[3]。為克服此類問題，烏魯木齊某城鎮(zhèn)污水處理廠采用兩級曝氣生物濾池工藝，并用甲醛作為額外碳源，解決了出水總氮(TN)不達標的問題，保證了出水達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準[4]。赤峰市錦山污水處理廠采用三段式回流AAO+MBR組合工藝，并優(yōu)化好氧池曝氣量，保證冬季出水達到一級A標準[3]。綜上，北方城鎮(zhèn)污水處理廠的提標改造大都從處理工藝上進行了優(yōu)化，采用了生物膜工藝以保障出水水質(zhì)。生物膜法相較于活性污泥法，微生物的密集程度更高且生存世代更長，因此，抗低溫能力更強，氮、磷的去除效果也更好。此外，對于常規(guī)二級處理總磷(TP)不達標的情況，增加深度處理段以化學輔助除磷也是大多數(shù)水廠的選擇。本文以北方某城市污水處理廠提標改造工程為例，介紹了在引入生物膜工藝和深度處理后污水處理效果的提升，供其他北方地區(qū)的城鎮(zhèn)污水處理廠參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

北方某污水處理廠占地0.16 km2，一期工程處理規(guī)模為6萬m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)二級B標準，出水直接排入污水處理廠南側(cè)的小黑河。該污水處理廠主要處理生活污水，采用旋流沉砂池+AAO工藝+氯消毒工藝，于2009年5月正式投入運行。為緩解當?shù)毓┧Y源不足的壓力，呼和浩特市環(huán)保部門計劃將該污水處理廠出水作為城市內(nèi)生態(tài)景觀河道補充水源使用，出水水質(zhì)需滿足《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921—2019)中觀賞性景觀環(huán)境用水(河道類)的水質(zhì)標準，處理規(guī)模需提升至12萬m3/d?？紤]到一期工程處理水量和生化處理的處理效果不佳，污水處理廠于2015年進行了擴建并增添了深度處理工藝。

污水處理廠改造前工藝流程和具體進出水水質(zhì)參數(shù)CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP如圖1和表1所示。

表1 污水處理廠改造前進出水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Influent and Effluent before Upgrading of WWTP

圖1 提標改造前污水處理廠工藝流程Fig.1 Flow Chart of Process in WWTP before Upgrating

1.2 污水處理廠改造前運行存在的問題

由表1可知，原工藝出水CODCr、BOD5去除率均能達到85%以上，大部分水質(zhì)指標能穩(wěn)定達標(二級B)，但出水氮、磷經(jīng)常存在不達標現(xiàn)象。分析其存在問題的原因如下。

(1)實際進水水質(zhì)不穩(wěn)定，可生化性差。該污水處理廠進水氨氮質(zhì)量濃度最低為29.25 mg/L，最高為48.3 mg/L，波動范圍較大，其余進水水質(zhì)指標的濃度也存在較大的變幅。總體上呈現(xiàn)出秋冬季水質(zhì)較差，春夏季水質(zhì)較好的變化規(guī)律。此外，該污水處理廠服務范圍雖主要為居住區(qū)，但仍包括一部分的工業(yè)園區(qū)，園區(qū)內(nèi)存在多家新材料加工企業(yè)，約占總處理水量5%的加工廢水會輸送至污水處理廠，進水中難生物降解的有機物含量明顯提高，使得普通的生物處理工藝難以達標處理。

(2)氮、磷的處理效果較差，冬季出水水質(zhì)難以達標。受外界低氣溫環(huán)境的影響，冬季生物反應池內(nèi)水溫較其他季節(jié)均低，微生物群體的活性開始下降，導致傳統(tǒng)的活性污泥工藝處理效果下降。在較高污泥負荷下，硝化菌的新陳代謝活性低，其他異養(yǎng)菌成為優(yōu)勢菌屬，使得冬季時污水廠的氨氮處理效果不佳。污水處理廠出水TP通常超出限值，說明現(xiàn)階段常規(guī)的生物除磷工藝難以滿足要求，需同步采用其他化學除磷的方法。

(3)BOD5結(jié)構性碳源不足，實際進水中BOD5/TN(碳氮比)僅為1.65，低于反硝化過程適宜的碳氮比(3.00～5.00)，導致反硝化菌沒有充足的碳源可以利用，使得TN的去除效果不佳。如果要保證出水水質(zhì)達標，需要投加額外的碳源。

1.3 污水處理廠提標改造方案

污水處理廠一期工程設計規(guī)模為6萬m3/d，二期擴建工程設計規(guī)模為6萬m3/d。污水處理廠提標改造工程要求出水水質(zhì)由二級B提升到回用水水質(zhì)標準，設計深度處理規(guī)模為12萬m3/d。處理水質(zhì)和水量都有較大的提升，擴建工程出水以及深度處理工程設計進出水水質(zhì)如表2所示。

表2 提標改造后設計進出水水質(zhì)Tab.2 Designed Water Quality of Influent and Effluent after Upgrading

1.3.1 一期工程改造及擴建工程工藝選擇

(1)一期工程改造

該污水處理廠一期工程采用AAO工藝，僅優(yōu)化運行后，出水的TN和氨氮仍然不能穩(wěn)定達標。本次提標改造工程通過向一期工程生物池內(nèi)好氧區(qū)中投加懸浮填料形成移動床生物膜反應器(MBBR)生化池，并增大了缺氧區(qū)面積強化了硝化過程。MBRR工藝優(yōu)化了反應器內(nèi)微生物的組成和數(shù)量，進一步提高了容積負荷，能有效提高系統(tǒng)的生物穩(wěn)定性和抗低溫沖擊的能力。此外，較于傳統(tǒng)的活性污泥法，MBBR工藝抗沖擊負荷的能力更強，能夠適應工業(yè)廢水導致的水質(zhì)變化。此外，由于微生物附著濾料生長，微生物的生長世代更長，能保留更多的硝化細菌，具有更好的脫氮效果[3]。對于北方地區(qū)由于低溫導致的傳統(tǒng)污水處理工藝不達標的情況，MBBR工藝是一種經(jīng)濟且實用的解決方法。

考慮到進水碳氮比較低，實際進水碳氮比僅為0.40左右，導致水中可供微生物直接利用的碳源嚴重不足的情況，本次提標改造工程新增初沉污泥水解酸化池。水解酸化池可以將大分子CODCr污染物降解成小分子BOD5作為生化過程中脫氮除磷的碳源，從而減少外加碳源量，降低運行費用[5]。而對于除磷工藝，本工程考慮通過化學除磷輔助解決，根據(jù)水質(zhì)的變化適當添加除磷藥劑，來實現(xiàn)磷的達標去除。

(2)二期擴建工程

選擇采用高效生物轉(zhuǎn)盤+生物池工藝，生物轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中，盤片上附著的微生物與廢水和空氣交替接觸，進行硝化和反硝化過程。生物池采用分段遞增限氧曝氣，每段控制溶解氧濃度，使其具備相應的硝化或反硝化功能。此外，本次改造工程對深度處理后的水質(zhì)有著嚴格要求，且已為水廠遠期發(fā)展留有空地，保證出水水質(zhì)是此次提標改造的第一要求。擴建工程增設高密度沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池，可以將二級處理出水中絕大部分細小的懸浮固體去除，同時強化了對色度的處理。

來水經(jīng)改造后的一期工程或二期擴建工程的多級處理后，基本可以到達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，符合深度處理段進水水質(zhì)要求。

1.3.2 深度處理工程工藝選擇

根據(jù)設計出水水質(zhì)要求，深度處理段所需的工藝必須保證在低溫條件下對氨氮、TN、SS的進一步去除。

(1)生物曝氣濾池工藝

對于氨氮和TN，硝化/反硝化過程進行程度是直接影響其去除率的主要因素。本工程設計進水溫度為8 ℃，溫度較低，因此，活性污泥法難以保證冬季低溫條件下氮的去除，需采用微生物穩(wěn)定且生存世代較長的生物膜工藝。再綜合考慮到提標改造工程應采用抗沖擊負荷更強、出水更加穩(wěn)定的生物處理工藝，曝氣生物濾池是本工程最后得出的優(yōu)選方案。曝氣生物濾池作為二級處理工藝，集硝化、脫氮、除磷、除SS等功能為一體。并且依靠多孔生物濾料，實現(xiàn)對低溫水體中SS、有機物的截留和對氨氮吸附。此外，由于濾池的結(jié)構穩(wěn)定，可以自由優(yōu)化水力停留時間，以便后續(xù)運行中及時調(diào)控以獲得更好的出水水質(zhì)。值得注意的是，本次深度處理工程設計進水中碳氮比遠低于適宜水平，所以需投加甲醇作為額外碳源。

(2)浸沒式超濾工藝

本次提標改造要求出水中SS質(zhì)量濃度低于5 mg/L，雖然先前的生物曝氣濾池工藝同樣對絮凝物有著較好的處理效果，但是難以實現(xiàn)，為保證出水SS達標，只有采用膜過濾法才能達到預計的處理效果。而且，超濾工藝可以在進水水質(zhì)較優(yōu)時間歇運行,以節(jié)省運行費用，是一種經(jīng)濟高效的高精度過濾工藝。在綜合考慮建設便利和日常運行維護等因素后，最終決定采用浸沒式超濾膜。浸沒式超濾膜相較于壓力式超濾膜對水中大分子有機物和細菌病毒等微生物同樣有很好的去除效果，能夠滿足再生水水質(zhì)要求。同時，浸沒式超濾膜在低溫條件下可以通過增大膜面積的方式適應低溫工作的情況，不需要額外的電力成本。

最后，考慮到水中難降解有機物的存在，在深度處理段中增添了臭氧接觸氧化，強化了對此類有機物的去除，同時保障出水色度達標。改造后的工藝流程如圖2所示。

圖2 污水處理廠提標改造后的處理工藝流程Fig.2 Flow Chart of Process in WWTP after Upgrating

1.4 提標改造工藝設計

1.4.1 一期構筑物改造設計

(1)一期工程的粗、細格柵和旋流沉砂池在建設初期已考慮到未來增加的處理水量，建設均按16萬m3/d規(guī)模一次性建成并安裝到位。擴建工程對原處理構筑物和設備進行了水力核算，可以滿足本工程所需的流量要求。

(2)對一期生化池進行改造，調(diào)節(jié)增大缺氧區(qū)容積至12 500 m3，提高了池體的反硝化和除碳能力，好氧區(qū)投加懸浮填料，新增填料有效生物膜面積為3.4×106m2，比表面積為600 m2/m3，填充率為20%，其余設備全部利舊。

(3)原有加藥間的消毒劑更換為次氯酸鈉，將原有的設備全部拆除，新設加氯泵3臺，單泵參數(shù)Q=500 L/h，H=40 m；為保證出水TP含量達標，采用PAC為除磷劑進行化學除磷，增設PAC投加泵3臺，投加量為30 mg/L，單泵參數(shù)Q=750 L/h，H=40 m。

(4)污泥水解酸化池與初沉污泥泵房合建，其內(nèi)設置初沉池污泥抽吸泵2臺，經(jīng)水解酸化的污泥上清液通過調(diào)節(jié)堰回流至初沉池配水井。污泥抽吸泵參數(shù)Q=80 m3/h，H=10 m。在污泥泵房內(nèi)增設污泥回流泵5臺(4用1備)、剩余污泥泵2臺(1用1備)，均為潛水離心泵，污泥回流泵單泵參數(shù)Q=625 m3/h，H=6.5 m，剩余污泥泵單泵參數(shù)Q=100 m3/h，H=10 m。鼓風機房內(nèi)已預留2臺機位，擴建及提標改造工程新裝單級離心鼓風機2臺，單臺風量為10 000 Nm3/h，風壓為70 kPa。

1.4.2 擴建構筑物改造設計

(1)新建初沉池1座，設計規(guī)模為6萬m3/d，中心進水、周邊雙堰出水，池內(nèi)徑為34 m，表面負荷為1.79 m3/(m2·h)。

(2)新建高效生物轉(zhuǎn)盤裝置間1座，包括混合配水池和高效生物轉(zhuǎn)盤裝置，混合配水池有效容積為720 m3，水力停留時間為6 min。污水在混合配水池內(nèi)與剩余污泥、生物池第四區(qū)混合液均勻混合后，均勻分配至每套高效生物轉(zhuǎn)盤裝置。高效生物轉(zhuǎn)盤裝置共設16套，單臺處理能力為5 000 m3/d，設計表面負荷為0.26 kg BOD5/(m2·d)，生物轉(zhuǎn)盤表面培養(yǎng)以芽孢桿菌為優(yōu)勢菌群，具有促進其他異養(yǎng)菌生長、提高反硝化效率的作用。

(3)新建生物池1座，分四段式設計，有效容積為15 000 m3，總水力停留時間為6 h。生物池采用溶解氧遞增方式控制每格曝氣量，第1格溶解氧質(zhì)量濃度為0.1 mg/L、第2格為0.1～0.5 mg/L、第3格為0.5～1.0 mg/L、第4格為1.0～1.2 mg/L，各格曝氣頭數(shù)量依次增加。

(4)新建二沉池2座，設計規(guī)模為6萬m3/d，中心進水,周邊出水，池內(nèi)徑為48 m，表面負荷為0.9 m3/(m2·h)，池上安裝中心傳動半橋式刮吸泥機，污泥經(jīng)管道輸送至污泥泵站。

(5)新建凈水間1座，用于處理未達標的二級出水，處理量為6萬m3/d。凈水間配置二次提升泵5臺，單泵參數(shù)Q=1 285 m3/h，H=7.5 m。凈水間采用高密度沉淀池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池的工藝組合，進一步去除水中懸浮物和磷等污染物。設高密度沉淀池4組，池內(nèi)徑為14 m。每組前端混合池2座，采用機械混合，投加PAC質(zhì)量濃度為30 mg/L，混合時間為103 s；設機械絮凝池6座，總絮凝時間為14.5 min。設纖維轉(zhuǎn)盤濾池1座，分4池，每池設纖維轉(zhuǎn)盤1套，設計濾速為10 m3/(m2·h)，配置自吸泵2臺，單泵參數(shù)Q=50 m3/h，H=7 m。

1.4.3 新增深度處理工藝設計

(2)超濾膜車間1座，設計流量為3 000 m3/h，設浸沒式超濾膜池12組，膜材料為聚偏氟乙烯中空纖維膜，平均膜通量為30 L/h，反沖洗頻率為每50 min一次。清洗周期為7 d，清洗藥劑主要為次氯酸鈉及檸檬酸。

(3)臭氧發(fā)生器間1座，設臭氧養(yǎng)發(fā)生器4套，3用1備，臭氧制備能力為10 kg O3/h。臭氧接觸池1座，臭氧投加量為5 mg/L，接觸時間為20 min。

2 工程運行效果

2.1 CODCr和BOD5的去除效果

污水處理廠實施提標改造工程后對CODCr和BOD5的處理效果如圖3所示，工程運行數(shù)據(jù)選自2016年12月—2017年12月。

圖3 污水處理廠提標改造后對CODCr和BOD5的去除效果Fig.3 Removal Effect of CODCr and BOD5 after Upgrading of WWTP

由圖3可知，污水處理廠冬季運行過程中進水CODCr濃度較高，且波動幅度較大，而夏季相對平穩(wěn)且含量較低。全年出水CODCr平均質(zhì)量濃度為(22.73±6.61)mg/L，達標率為100%，并且在進水CODCr濃度發(fā)生較大波動的運行工況下，能夠保證去除率穩(wěn)定在85%以上。污水處理廠舊工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對部分污水中難降解有機物的去除，但降解能力和去除效果有限。進行提標改造后，新增的臭氧接觸池依靠其強氧化作用，可將硝化池出水中難生物降解的有機物完全氧化，使出水CODCr濃度符合設計標準。提標改造后污水處理廠進水BOD5全年平均質(zhì)量濃度為120.00 mg/L。雖然1月—3月進水BOD5呈現(xiàn)較大波動，但是后續(xù)出水BOD5平均質(zhì)量濃度仍可以穩(wěn)定維持在(3.84±0.46)mg/L，去除率保持在90%以上。改良后的MBBR生化池能保持較高的BOD5去除率，究其原因是系統(tǒng)中的污泥濃度高，使得污泥能保持良好的活性，能較好地適應低溫天氣；另外，在微濾膜的表面形成了凝膠層，其篩濾、吸附作用可截留部分溶解性高分子物質(zhì)，使得水中BOD5穩(wěn)定在較低的含量，處理效果穩(wěn)定[6-7]。

2.2 SS和TP的去除效果

污水處理廠提標改造后對SS和TP的處理效果如圖4所示。

圖4 污水處理廠提標改造后對SS和TP的去除效果Fig.4 Removal Effect of SS and TP after Upgrading of WWTP

由圖4可知，污水處理廠全年進水中SS的濃度波動較大，SS質(zhì)量濃度為60～640 mg/L。本工程改造中增設了高密度沉淀池，采用機械混合的方式，擁有良好的絮凝效果，形成的礬花密實、沉淀速度快。污水中絕大部分的SS均可被去除，浸沒式超濾膜能有效地截留污水中剩余較難去除的小型懸浮顆粒、膠體等大部分顆粒物，使出水中SS含量進一步降低，處理效果穩(wěn)定。污水處理廠提標改造后，SS平均質(zhì)量濃度一直穩(wěn)定在(3.45±2.55) mg/L。污水處理廠進水TP平均質(zhì)量濃度為(6.00±2.30)mg/L，而出水中的TP平均質(zhì)量濃度一直穩(wěn)定在(0.31±0.14)mg/L，去除率可以達到92.5%。提標改造之前生物同化作用對磷的去除有限，只有44%左右，改造后的新工藝通過投加化學藥劑的方式使得水溶性的磷酸鹽形成沉淀，依靠浸沒式超濾膜裝置將沉淀截留，從而實現(xiàn)磷的去除，保證出水中的TP穩(wěn)定達標[7]。

2.3 氨氮和TN的去除效果

污水處理廠提標改造后對氨氮和TN的處理效果如圖5所示。

圖5 污水處理廠提標改造后對氨氮和TN的去除效果Fig.5 Removal Effect of Ammonia Nitrogen and TN after Upgrading of WWTP

由圖5可知，提標改造后污水處理廠進水的氨氮平均質(zhì)量濃度為(36.6±9.5)mg/L，呈現(xiàn)冬季高夏季低的趨勢，提標改造工藝穩(wěn)定后出水氨氮平均質(zhì)量濃度為(1.24±0.94)mg/L，去除率從69%提升到95%。這是由于采用MBBR工藝后，利用懸浮填料固定并富集優(yōu)勢菌種，不僅增強了對波動水質(zhì)的抗沖擊負荷能力，且在填料上形成了密集的微生物群落，可以強化微生物的硝化作用，確保水中氨氮的穩(wěn)定去除[8]。除此之外，經(jīng)硝化曝氣濾池處理后，出水氨氮被進一步去除，使得出水水質(zhì)符合設計標準。污水處理廠進水TN的平均質(zhì)量濃度為(60.56±24.5)mg/L。新增反硝化濾池后，濾池進水中的設計碳氮比為0.58，遠低于適宜的碳氮比，反硝化反應缺乏充足的碳源。新增甲醇投加間后，外加碳源滿足了反硝化過程中碳源不足的情況。碳源充足情況下，反硝化濾池可有效提高反硝化細菌的微生物細胞代謝效率，從而提高反硝化作用的強度，加強氮的去除[8]，而出水平均質(zhì)量濃度僅為(10.01±2.59) mg/L[9]。

2.4 運行成本

本次提標改造工程建設總投資為23 374萬元，新增經(jīng)營成本為4 012萬元/a，包括藥劑費1 637萬元/a，電費849萬/a，其余費用包括：膜更換費、液氧租賃費、工資福利等，共計1 526萬元/a。其中更換消毒藥劑為次氯酸鈉而導致新增藥劑費用占比最大，為1 064萬元/a。電費的增加主要是由于二次提升泵和硝化濾池的鼓風機。提標改造工程擬處理規(guī)模為12萬m3/d，單位水處理成本為1.208元/m3，新增單位經(jīng)營成本為0.916元/m3。

3 結(jié)語

本次污水處理廠提標改造在不改變主體結(jié)構的條件下，通過對原有的二級處理段進行改造，增添了MBBR工藝，提高了硝化段生化處理的能力。并且新增了曝氣生物濾池+超濾+臭氧氧化的深度處理工藝，提高了對氮、磷和SS的去除率，最終實現(xiàn)改造后污水處理廠全年出水水質(zhì)達到GB/T 18921—2019中觀賞性景觀環(huán)境用水(河道類)的水質(zhì)標準，希望可以為其他北方地區(qū)污水處理廠的提標改造項目提供參考。