改良ICEAS+MBBR工艺如何挖掘处理能力
随着污水处理厂出水水质的要求不断提高，特部分重点流域和区域已经将污水处理厂出水由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准提升至《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)准IV类甚至准III类排放标准（部分指标达IV类或III类标准）。如北京市2012年要求新建污水厂A标准中将总氮（TN）出水限值由15 mg/L提升至10 mg/L，总磷（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、太湖流域也分别将TN出水限值提升至10 mg/L，同时TP出水限值提升至0.3 mg/L。显然，污水处理厂高标准排放已成为大势所趋。老旧城镇污水处理厂处理水量不断增加，远超出设计水量，成为污水处理厂实际提标改造过程中所遇到的常态问题。由于规划及设计等原因，厂内预留用地面积有限，且近期征地困难，导致短期内难以对污水处理厂进行扩容等。
云南某污水处理厂设计处理规模为3.00万m3/d，其生化处理工艺采用间歇式循环延时曝气活性污泥法(ICEAS)，深度处理采用高效沉淀池和V型滤池工艺。根据环保要求需要进行提标改造，出水部分水质指标由现状一级A排放标准提标至IV类排放标准。同时，现状污水处理厂实际进水量远超设计水量，污水无法及时处理，需要同时提高污水处理厂的处理规模。但由于现状用地有限，无法新建大量建构筑物，只能在原有工艺基础上进行挖潜改造，实现水质水量双提升，实现高标准排放。改造后的工艺处理日均水量可提高17%，部分出水水质可由一级A标准提高至IV类标准，提标工程仅新增占地面积为84 m2的碳源加药间，新增运营成本为0.22元/m3，改造后单位经营成本为1.05元/m3。
01、污水处理厂运行现状
云南某污水处理厂工艺流程如图1所示，现状设计进出水标准如表1所示。
2019年—2020年，该污水处理厂日均进水量为2.71万m3/d，雨季最大日处理量为4.54万m3/d，旱季时达到3.40万m3/d。同时，污水厂实际平均进水水质部分指标已超过设计值，其实际进水水质如表2所示，进水B/N曲线如图所示。污水厂长期处于满负荷甚至超负荷运行状态。
现状厂区内共有ICEAS反应池4座，每座尺寸为50.0 m×20.0 m×5.0 m，有效水深为4.5 m。其中预反应区和主反应区池容为675 m3和3 825 m3。实际运行周期为4.0 h，其中曝气2.0 h，沉淀1.0 h，滗水1.0 h。MLSS含量为3 000~5 000 mg/L，水力停留时间（HRT）为14.10 h，污泥停留时间（SRT）为24.3 d，设计气水比为7.68:1，污泥负荷为0.22 kg BOD5/(kg MLSS·d)。
现状出水水质基本能达到一级A排放标准，出水水质如表3所示，但出水TN仍存在超标风险，主要原因为：①原设计进水水质较实际进水水质低，例如85%累积频率下，进水BOD5浓度超过设计水质的46.7%，氨氮和TN超标更为严重，但进水B/N平均值为3.5，碳源不足；②原ICEAS工艺主要针对CODCr和氨氮的去除，无单独缺氧区，反硝化效果有限，无法有效去除TN；③现状曝气器及鼓风机老化严重，故障频发，无法稳定满足污水厂正常运行需要。部分指标执行IV类排放标准后（即CODCr限值为30 mg/L，BOD5限值为6 mg/L，氨氮限值为1.5 mg/L，TN限值为15 mg/L，SS限值为10 mg/L，TP限值为0.3 mg/L），CODCr、TN、氨氮及TP等指标超标风险严重。
由于现状厂区占地面积紧张，基本无预留用地进行提标及扩容工程建设。其TP可以通过增大除磷剂加药量、强化深度处理达到新排放标准[7]，但TN和氨氮只能通过生化工艺挖潜改造进行处理，方可实现处理水量和出水水质双提升，实现高标准排放。
02、改造方案
2.1ICEAS工艺改造方案
传统ICEAS工艺主要在SBR反应器的进水端增加一个预反应区，可以实现在一个反应池中连续进水、生物氧化、硝化、反硝化、固液分离等过程。ICEAS由于其占地面积小、控制方便、不受水质和水量大范围波动带来的影响，在城镇污水厂、食品生产废水处理以及制药废水处理中取得广泛应用。但由于其运行模式及工艺特性所限，其处理效果较差，仅能满足一级A排放标准，对于高标准排放要求，需要对其进行挖潜改造。
目前，对ICEAS工艺进行挖潜改造的路线包括投加生物填料从而提高其处理能力，如朱云鹏等通过在主反应区中投加MBBR填料，其出水可以达到一级A排放标准。段存礼等也采用类似的方法在实践中取得成功。在好氧区增加MBBR填料可以提高CODCr和氨氮等的去除效果，但对TN去除效果有限。主要是因为ICEAS只能通过沉淀阶段进行反硝化脱氮，无硝化液回流和污泥回流，脱氮效果有限。其余改造路线则是通过调控各阶段的停留时间等工艺参数进行ICEAS工艺优化，脱氮能力同样有限。
为提高现状生化池碳化、硝化以及脱氮能力，马华敏等采用缺氧-好氧两级MBBR处理工艺对低温生活污水进行处理，在提高CODCr和氨氮等处理效果的同时取得了较好的脱氮效果。Husham等研究也发现两级MBBR处理工艺其好氧区氨氮去除率可达到97.89%，缺氧区反硝化率可达到66.76%，甚至发现在缺氧区出现了缺氧氨氮氧化反应，去除率为45.74%。缺氧-好氧两级MBBR工艺主要适用于对现有污水厂进行挖潜改造，目前处于小试及中试研究较多，工程案例报道较少。
按照进水水质（CODCr含量为400 mg/L，BOD5含量为180.0 mg/L，TN含量为60.00 mg/L，氨氮含量为55.00 mg/L）和超设计规模20%的水量，对现状生化池进行复核，为达到去除BOD5的目标，所需曝气区池容为27 700 m3，远大于现状主反应区池容（15 300 m3），氨氮能够达到1.5 mg/L的排放标准，但总氮去除效果有限。本工程结合上述研究成果，将现状ICEAS改造为“改良ICEAS+MBBR”工艺，将ICEAS分割为缺氧段和主反应区，分别投加MBBR填料，充分挖潜现状生化池的处理能力，同时提高其出水水质。
2.2中试试验效果
实际工程改造前，采用中试试验验证技术可行性。中试采用按现状生化池同比缩小后的一体化中试试验装置进行试验，设备尺寸为长×宽×高为6.5 m×2.0 m×3.0 m，有效水深为2.5 m，有效池容为32.5 m3，处理量为72 m3/d。将生化池分为预反应区、缺氧区和主反应区，各区池容比为0.125:0.400:1.000。
中试分为两阶段进行，第一阶段为污泥的接种及填料挂膜阶段。中试试验采用实际污水厂生化池污泥进行接种，减少污泥培养周期，在缺氧区和主反应区均投加MBBR填料。挂膜阶段，进水采用间歇进水，随挂膜情况逐渐提高进水比例。结果表明，中试15 d后MBBR填料可以初步挂膜，填料表面出现少量轮虫和钟虫，30 d后MBBR填料表面出现大量微生物，镜检发现大量累枝虫，生物相较好。其镜检照片如图4所示。
第二阶段验证改造工艺处理能力，中试设备运行参数如下：HRT为11.00 h，进水流量为3 m3/h，连续进水间歇出水，反应周期为4.0 h，即曝气、搅拌及回流共130 min，沉淀50 min，出水60 min。污泥质量浓度为3~5 g/L，内回流比为100%~300%，外回流比为50%~100%，缺氧区和主反应区MBBR填料投加量分别为相应反应区池容的0.25和0.30。
中试进出水水质如表4所示。结果表明，在最高进水水质条件下（CODCr含量为500 mg/L，TN含量为60.00 mg/L，氨氮含量为50.00 mg/L，TP含量为6.00 mg/L），部分出水水质指标仍然可以稳定达到IV类水标准（TP、SS除外）。中试试验验证了通过投加悬浮填料可显著提高单位池容的处理负荷，MBBR工艺可解决现有污水处理厂池容不足的实际问题。通过增设回流比及内回流比可提高脱氮除磷效率，出水部分指标稳定达到Ⅳ类水标准，工艺可行。
03、工程设计
本工程改造中保留现有预反应池；在缺氧区进水端设置碳源投加点，池内设置搅拌器，投加缺氧MBBR填料，强化反硝化效果；在主反应区投加好氧MBBR填料，强化有机物氧化和氨的硝化作用；在主反应区末端设置混合液回流系统，促进缺氧区反硝化脱氮；在主反应区前端设置PAC加药点，加强化学除磷；同步更换曝气器和鼓风机等设备。具体ICEAS改造平面及剖面如图4和图5所示。
设计将主反应池划分为缺氧区和主反应区，池容比取0.400:1.000。根据设计进水水量和水质（CODCr含量为400 mg/L，BOD5含量为180.0 mg/L，TN含量为60.00 mg/L，氨氮含量为55.00 mg/L），反算各区分别被活性污泥和填料去除的污染物的量。
生化池单池TN去除量为405 kg TN/d，按照划分后的缺氧区容积和利用率，理论缺氧区TN去除量为203 kg TN/d，剩余需要填料去除TN的量为202 kg TN/d。缺氧填料反硝化速率取0.72 g NO3--N/(m2·d)，填料有效比表面积取800 m2/m3，则所需缺氧填料量为351 m3，占整个缺氧区池容的32%，考虑一定余量，取缺氧区填料填充比为0.36。
主反应区主要进行碳化反应和硝化反应，好氧阶段先进行碳化反应后进行硝化反应。扣除碳化反应所需容积以及出水中携带的氨氮量、同化作用去除的氨氮量等，实际单池需要硝化的氨氮为397 kg氨氮/d。其中主反应区能够硝化的氨氮为99 kg氨氮/d，需要填料硝化的氨氮量为298 kg氨氮/d，设计填料的硝化速率为0.5 g氨氮/(m2·d)，填料有效比表面积为800 m2/m3，则好氧填料量为743 m3，占整个主反应区容积的27.3%，考虑一定余量，取好氧区填料填充比为0.31。
同时调整ICEAS各阶段运行参数，具体运行参数为如下：运行周期、时间与中试一致，污泥负荷为0.19 kg BOD5/(kg MLSS·d)，设计污泥质量浓度为5 g/L，硝化液内回流比为100%~300%，外回流比为50%~100%。HRT为12.73 h，SRT为15.0~24.0 d，充水比为0.32，平均供氧量为225 m3/min。PAC采用成品液体PAC溶液，投加量为30 mg/L，在现状加药间内改造。新建碳源加药间，平面尺寸为14.0 m×6.0 m，碳源采用固体乙酸钠，设计投加量为92 mg/L。
04、实际效果
4.1实际进出水效果
2021年3月改造完成，截至2021年7月，经过5个月运行时间，结果表明，改造后的污水厂平均日处理量可达到3.51万m3/d，较设计值提高了17%。在进水水质超过设计水质情况，出水部分指标能稳定达到IV类标准，实际进出水水质如表5所示，有效达到了处理水量和水质双提升效果。
4.2技术经济指标
本项目工程总投资为3 084万元，其中工程费约为2 505万元，水处理经营成本为1.05元/m3。
本项目对主体处理工艺仅进行挖潜改造，不新增主工艺流程，仅增加一座占地面积为84 m2的碳源加药间，折合新增用地面积为23.93 m2/(104 m3·d)。
本项目全年新增电耗为22.23万kW·h，新增吨水电耗为0.12 kW·h，电价为1.0元/( kW·h)，吨水电费成本为0.12元，新增运营成本为0.22元/m3，单位总成本为1.38元/m3，单位经营成本为1.05元/m3。
05、结论
（1）针对高标准排放需求的污水处理厂，本工程占地面积有限，将现状ICEAS工艺挖潜改造为“改良ICEAS+MBBR”工艺，仅增加碳源加药间等辅助用房，大大节省土建费用、占地面积小、投资少、改造周期短、操作管理方便，对类似项目具有一定的参考意义。
（2）缺氧区和主反应区MBBR填料培养15 d可初步挂膜，30 d可达到设计处理效果。通过辅助投加碳源和除磷剂，能够实现步出水部分水质指标由一级A标准提升至IV类标准，处理水量提升17%，对同类型项目产生良好的示范作用。
（3）提标改造工程全年新增电费成本为0.12元/m3，新增运营成本为0.22元/m3，单位总成本为1.38元/m3，单位经营成本为1.05元/m3。
