MBBR+曝气生物滤池工艺在北方地区污水处理厂提标改造中的应用
导语：2015年，随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》(征求意见稿)对外发布，城镇污水处理厂迎来了更为严格的排放标准。国内大部分城镇污水处理厂处理工艺主要为AAO、氧化沟和SBR及其变种工艺。然而，对于北方城镇污水处理厂来说，上述污水处理工艺在冬季低温环境下，二级处理的效果难以得到保证。为克服此类问题，乌鲁木齐某城镇污水处理厂采用两级曝气生物滤池工艺，并用甲醛作为额外碳源，解决了出水总氮(TN)不达标的问题，保证了出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A标准。赤峰市锦山污水处理厂采用三段式回流AAO+MBR组合工艺，并优化好氧池曝气量，保证冬季出水达到一级A标准。综上，北方城镇污水处理厂的提标改造大都从处理工艺上进行了优化，采用了生物膜工艺以保障出水水质。生物膜法相较于活性污泥法，微生物的密集程度更高且生存世代更长，因此，抗低温能力更强，氮、磷的去除效果也更好。此外，对于常规二级处理总磷(TP)不达标的情况，增加深度处理段以化学辅助除磷也是大多数水厂的选择。
本文以北方某城市污水处理厂提标改造工程为例，介绍了在引入生物膜工艺和深度处理后污水处理效果的提升，供其他北方地区的城镇污水处理厂参考。
01、工程概况
1.1 工程背景
北方某污水处理厂占地0.16 km，一期工程处理规模为6万m3/d，出水水质执行《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)二级B标准，出水直接排入污水处理厂南侧的小黑河。该污水处理厂主要处理生活污水，采用旋流沉砂池+AAO工艺+氯消毒工艺，于2009年5月正式投入运行。为缓解当地供水水资源不足的压力，呼和浩特市环保部门计划将该污水处理厂出水作为城市内生态景观河道补充水源使用，出水水质需满足《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921—2019)中观赏性景观环境用水(河道类)的水质标准，处理规模需提升至12万m3/d。考虑到一期工程处理水量和生化处理的处理效果不佳，污水处理厂于2015年进行了扩建并增添了深度处理工艺。
污水处理厂改造前工艺流程和具体进出水水质参数CODCr、BOD5、SS、氨氮、TN、TP如图1和表1所示。
表1 污水处理厂改造前进出水水质
图1 提标改造前污水处理厂工艺流程
1.2 污水处理厂改造前运行存在的问题
由表1可知，原工艺出水CODCr、BOD5去除率均能达到85%以上，大部分水质指标能稳定达标(二级B)，但出水氮、磷经常存在不达标现象。分析其存在问题的原因如下。
(1)实际进水水质不稳定，可生化性差。该污水处理厂进水氨氮质量浓度最低为29.25 mg/L，最高为48.3 mg/L，波动范围较大，其余进水水质指标的浓度也存在较大的变幅。总体上呈现出秋冬季水质较差，春夏季水质较好的变化规律。此外，该污水处理厂服务范围虽主要为居住区，但仍包括一部分的工业园区，园区内存在多家新材料加工企业，约占总处理水量5%的加工废水会输送至污水处理厂，进水中难生物降解的有机物含量明显提高，使得普通的生物处理工艺难以达标处理。
(2)氮、磷的处理效果较差，冬季出水水质难以达标。受外界低气温环境的影响，冬季生物反应池内水温较其他季节均低，微生物群体的活性开始下降，导致传统的活性污泥工艺处理效果下降。在较高污泥负荷下，硝化菌的新陈代谢活性低，其他异养菌成为优势菌属，使得冬季时污水厂的氨氮处理效果不佳。污水处理厂出水TP通常超出限值，说明现阶段常规的生物除磷工艺难以满足要求，需同步采用其他化学除磷的方法。
(3)BOD5结构性碳源不足，实际进水中BOD5/TN(碳氮比)仅为1.65，低于反硝化过程适宜的碳氮比(3.00～5.00)，导致反硝化菌没有充足的碳源可以利用，使得TN的去除效果不佳。如果要保证出水水质达标，需要投加额外的碳源。
1.3 污水处理厂提标改造方案
污水处理厂一期工程设计规模为6万m3/d，二期扩建工程设计规模为6万m3/d。污水处理厂提标改造工程要求出水水质由二级B提升到回用水水质标准，设计深度处理规模为12万m3/d。处理水质和水量都有较大的提升，扩建工程出水以及深度处理工程设计进出水水质如表2所示。
表2 提标改造后设计进出水水质
1.3.1 一期工程改造及扩建工程工艺选择
(1)一期工程改造
该污水处理厂一期工程采用AAO工艺，仅优化运行后，出水的TN和氨氮仍然不能稳定达标。本次提标改造工程通过向一期工程生物池内好氧区中投加悬浮填料形成移动床生物膜反应器(MBBR)生化池，并增大了缺氧区面积强化了硝化过程。MBRR工艺优化了反应器内微生物的组成和数量，进一步提高了容积负荷，能有效提高系统的生物稳定性和抗低温冲击的能力。此外，较于传统的活性污泥法，MBBR工艺抗冲击负荷的能力更强，能够适应工业废水导致的水质变化。此外，由于微生物附着滤料生长，微生物的生长世代更长，能保留更多的硝化细菌，具有更好的脱氮效果。对于北方地区由于低温导致的传统污水处理工艺不达标的情况，MBBR工艺是一种经济且实用的解决方法。
考虑到进水碳氮比较低，实际进水碳氮比仅为0.40左右，导致水中可供微生物直接利用的碳源严重不足的情况，本次提标改造工程新增初沉污泥水解酸化池。水解酸化池可以将大分子CODCr污染物降解成小分子BOD5作为生化过程中脱氮除磷的碳源，从而减少外加碳源量，降低运行费用。而对于除磷工艺，本工程考虑通过化学除磷辅助解决，根据水质的变化适当添加除磷药剂，来实现磷的达标去除。
(2)二期扩建工程
选择采用高效生物转盘+生物池工艺，生物转盘旋转过程中，盘片上附着的微生物与废水和空气交替接触，进行硝化和反硝化过程。生物池采用分段递增限氧曝气，每段控制溶解氧浓度，使其具备相应的硝化或反硝化功能。此外，本次改造工程对深度处理后的水质有着严格要求，且已为水厂远期发展留有空地，保证出水水质是此次提标改造的第一要求。扩建工程增设高密度沉淀池+纤维转盘滤池，可以将二级处理出水中绝大部分细小的悬浮固体去除，同时强化了对色度的处理。
来水经改造后的一期工程或二期扩建工程的多级处理后，基本可以到达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，符合深度处理段进水水质要求。
1.3.2 深度处理工程工艺选择
根据设计出水水质要求，深度处理段所需的工艺必须保证在低温条件下对氨氮、TN、SS的进一步去除。
(1)生物曝气滤池工艺
对于氨氮和TN，硝化/反硝化过程进行程度是直接影响其去除率的主要因素。本工程设计进水温度为8 ℃，温度较低，因此，活性污泥法难以保证冬季低温条件下氮的去除，需采用微生物稳定且生存世代较长的生物膜工艺。再综合考虑到提标改造工程应采用抗冲击负荷更强、出水更加稳定的生物处理工艺，曝气生物滤池是本工程最后得出的优选方案。曝气生物滤池作为二级处理工艺，集硝化、脱氮、除磷、除SS等功能为一体。并且依靠多孔生物滤料，实现对低温水体中SS、有机物的截留和对氨氮吸附。此外，由于滤池的结构稳定，可以自由优化水力停留时间，以便后续运行中及时调控以获得更好的出水水质。值得注意的是，本次深度处理工程设计进水中碳氮比远低于适宜水平，所以需投加甲醇作为额外碳源。
(2)浸没式超滤工艺
本次提标改造要求出水中SS质量浓度低于5 mg/L，虽然先前的生物曝气滤池工艺同样对絮凝物有着较好的处理效果，但是难以实现，为保证出水SS达标，只有采用膜过滤法才能达到预计的处理效果。而且，超滤工艺可以在进水水质较优时间歇运行,以节省运行费用，是一种经济高效的高精度过滤工艺。在综合考虑建设便利和日常运行维护等因素后，最终决定采用浸没式超滤膜。浸没式超滤膜相较于压力式超滤膜对水中大分子有机物和细菌病毒等微生物同样有很好的去除效果，能够满足再生水水质要求。同时，浸没式超滤膜在低温条件下可以通过增大膜面积的方式适应低温工作的情况，不需要额外的电力成本。
最后，考虑到水中难降解有机物的存在，在深度处理段中增添了臭氧接触氧化，强化了对此类有机物的去除，同时保障出水色度达标。改造后的工艺流程如图2所示。
图2 污水处理厂提标改造后的处理工艺流程
1.4 提标改造工艺设计
1.4.1 一期构筑物改造设计
(1)一期工程的粗、细格栅和旋流沉砂池在建设初期已考虑到未来增加的处理水量，建设均按16万m3/d规模一次性建成并安装到位。扩建工程对原处理构筑物和设备进行了水力核算，可以满足本工程所需的流量要求。
(2)对一期生化池进行改造，调节增大缺氧区容积至12 500 m3，提高了池体的反硝化和除碳能力，好氧区投加悬浮填料，新增填料有效生物膜面积为3.4×106 m2，比表面积为600 m2/m3，填充率为20%，其余设备全部利旧。
(3)原有加药间的消毒剂更换为次氯酸钠，将原有的设备全部拆除，新设加氯泵3台，单泵参数Q=500 L/h，H=40 m；为保证出水TP含量达标，采用PAC为除磷剂进行化学除磷，增设PAC投加泵3台，投加量为30 mg/L，单泵参数Q=750 L/h，H=40 m。
(4)污泥水解酸化池与初沉污泥泵房合建，其内设置初沉池污泥抽吸泵2台，经水解酸化的污泥上清液通过调节堰回流至初沉池配水井。污泥抽吸泵参数Q=80 m3/h，H=10 m。在污泥泵房内增设污泥回流泵5台(4用1备)、剩余污泥泵2台(1用1备)，均为潜水离心泵，污泥回流泵单泵参数Q=625 m3/h，H=6.5 m，剩余污泥泵单泵参数Q=100 m3/h，H=10 m。鼓风机房内已预留2台机位，扩建及提标改造工程新装单级离心鼓风机2台，单台风量为10 000 Nm3/h，风压为70 kPa。
1.4.2 扩建构筑物改造设计
(1)新建初沉池1座，设计规模为6万m3/d，中心进水、周边双堰出水，池内径为34 m，表面负荷为1.79 m3/(m2·h)。
(2)新建高效生物转盘装置间1座，包括混合配水池和高效生物转盘装置，混合配水池有效容积为720 m3，水力停留时间为6 min。污水在混合配水池内与剩余污泥、生物池第四区混合液均匀混合后，均匀分配至每套高效生物转盘装置。高效生物转盘装置共设16套，单台处理能力为5 000 m3/d，设计表面负荷为0.26 kg BOD5/(m2·d)，生物转盘表面培养以芽孢杆菌为优势菌群，具有促进其他异养菌生长、提高反硝化效率的作用。
(3)新建生物池1座，分四段式设计，有效容积为15 000 m3，总水力停留时间为6 h。生物池采用溶解氧递增方式控制每格曝气量，第1格溶解氧质量浓度为0.1 mg/L、第2格为0.1～0.5 mg/L、第3格为0.5～1.0 mg/L、第4格为1.0～1.2 mg/L，各格曝气头数量依次增加。
(4)新建二沉池2座，设计规模为6万m3/d，中心进水,周边出水，池内径为48 m，表面负荷为0.9 m3/(m2·h)，池上安装中心传动半桥式刮吸泥机，污泥经管道输送至污泥泵站。
(5)新建净水间1座，用于处理未达标的二级出水，处理量为6万m3/d。净水间配置二次提升泵5台，单泵参数Q=1 285 m3/h，H=7.5 m。净水间采用高密度沉淀池+纤维转盘滤池的工艺组合，进一步去除水中悬浮物和磷等污染物。设高密度沉淀池4组，池内径为14 m。每组前端混合池2座，采用机械混合，投加PAC质量浓度为30 mg/L，混合时间为103 s；设机械絮凝池6座，总絮凝时间为14.5 min。设纤维转盘滤池1座，分4池，每池设纤维转盘1套，设计滤速为10 m3/(m2·h)，配置自吸泵2台，单泵参数Q=50 m3/h，H=7 m。
1.4.3 新增深度处理工艺设计
(1)深度处理采用生物曝气滤池+超滤+臭氧接触池的组合工艺，确保去除污水中CODCr、SS、氮、磷等污染物。新建曝气生物滤站1座，设计规模为6万m3/d，包括硝化曝气生物滤池14组，单组滤池面积为90 m2，硝化负荷为0.18 kg NO3--N/（m3·d），后置反硝化生物滤池6组，单组滤池面积为90 m2，反硝化负荷为0.48 NO3--N/（m3·d）。滤料层高度为4 m，滤池均采用3～5 mm的球型轻质多孔生物滤料，提高曝气均匀性的同时方便挂膜。反冲洗周期为24 h，设反冲洗风机和反冲洗水泵各3台，2用1备，单风机风量为52.5 m3/min，单水泵水量为810 m3/h。改造前二级处理原水中CODCr已被大量消耗，为保证生物膜的稳定性，反硝化滤池采用甲醇作为外加碳源，设甲醇投加间1座，甲醇投加量为17 mg/L。
(2)超滤膜车间1座，设计流量为3 000 m3/h，设浸没式超滤膜池12组，膜材料为聚偏氟乙烯中空纤维膜，平均膜通量为30 L/h，反冲洗频率为每50 min一次。清洗周期为7 d，清洗药剂主要为次氯酸钠及柠檬酸。
(3)臭氧发生器间1座，设臭氧养发生器4套，3用1备，臭氧制备能力为10 kg O3/h。臭氧接触池1座，臭氧投加量为5 mg/L，接触时间为20 min。
02、工程运行效果
2.1CODCr和BOD5的去除效果
污水处理厂实施提标改造工程后对CODCr和BOD5的处理效果如图3所示，工程运行数据选自2016年12月—2017年12月。
图3 污水处理厂提标改造后对CODCr和BOD5的去除效果
由图3可知，污水处理厂冬季运行过程中进水CODCr浓度较高，且波动幅度较大，而夏季相对平稳且含量较低。全年出水CODCr平均质量浓度为(22.73±6.61)mg/L，达标率为100%，并且在进水CODCr浓度发生较大波动的运行工况下，能够保证去除率稳定在85%以上。污水处理厂旧工艺虽然能够实现对部分污水中难降解有机物的去除，但降解能力和去除效果有限。进行提标改造后，新增的臭氧接触池依靠其强氧化作用，可将硝化池出水中难生物降解的有机物完全氧化，使出水CODCr浓度符合设计标准。提标改造后污水处理厂进水BOD5全年平均质量浓度为120.00 mg/L。虽然1月—3月进水BOD5呈现较大波动，但是后续出水BOD5平均质量浓度仍可以稳定维持在(3.84±0.46)mg/L，去除率保持在90%以上。改良后的MBBR生化池能保持较高的BOD5去除率，究其原因是系统中的污泥浓度高，使得污泥能保持良好的活性，能较好地适应低温天气；另外，在微滤膜的表面形成了凝胶层，其筛滤、吸附作用可截留部分溶解性高分子物质，使得水中BOD5稳定在较低的含量，处理效果稳定。
2.2 SS和TP的去除效果
污水处理厂提标改造后对SS和TP的处理效果如图4所示。
图4 污水处理厂提标改造后对SS和TP的去除效果
由图4可知，污水处理厂全年进水中SS的浓度波动较大，SS质量浓度为60～640 mg/L。本工程改造中增设了高密度沉淀池，采用机械混合的方式，拥有良好的絮凝效果，形成的矾花密实、沉淀速度快。污水中绝大部分的SS均可被去除，浸没式超滤膜能有效地截留污水中剩余较难去除的小型悬浮颗粒、胶体等大部分颗粒物，使出水中SS含量进一步降低，处理效果稳定。污水处理厂提标改造后，SS平均质量浓度一直稳定在(3.45±2.55) mg/L。污水处理厂进水TP平均质量浓度为(6.00±2.30)mg/L，而出水中的TP平均质量浓度一直稳定在(0.31±0.14)mg/L，去除率可以达到92.5%。提标改造之前生物同化作用对磷的去除有限，只有44%左右，改造后的新工艺通过投加化学药剂的方式使得水溶性的磷酸盐形成沉淀，依靠浸没式超滤膜装置将沉淀截留，从而实现磷的去除，保证出水中的TP稳定达标。
2.2 氨氮和TN的去除效果
污水处理厂提标改造后对氨氮和TN的处理效果如图5所示。
图5 污水处理厂提标改造后对氨氮和TN的去除效果
由图5可知，提标改造后污水处理厂进水的氨氮平均质量浓度为(36.6±9.5)mg/L，呈现冬季高夏季低的趋势，提标改造工艺稳定后出水氨氮平均质量浓度为(1.24±0.94)mg/L，去除率从69%提升到95%。这是由于采用MBBR工艺后，利用悬浮填料固定并富集优势菌种，不仅增强了对波动水质的抗冲击负荷能力，且在填料上形成了密集的微生物群落，可以强化微生物的硝化作用，确保水中氨氮的稳定去除。除此之外，经硝化曝气滤池处理后，出水氨氮被进一步去除，使得出水水质符合设计标准。污水处理厂进水TN的平均质量浓度为(60.56±24.5)mg/L。新增反硝化滤池后，滤池进水中的设计碳氮比为0.58，远低于适宜的碳氮比，反硝化反应缺乏充足的碳源。新增甲醇投加间后，外加碳源满足了反硝化过程中碳源不足的情况。碳源充足情况下，反硝化滤池可有效提高反硝化细菌的微生物细胞代谢效率，从而提高反硝化作用的强度，加强氮的去除，而出水平均质量浓度仅为(10.01±2.59) mg/L。
2.4 运行成本
本次提标改造工程建设总投资为23 374万元，新增经营成本为4 012万元/a，包括药剂费1 637万元/a，电费849万/a，其余费用包括：膜更换费、液氧租赁费、工资福利等，共计1 526万元/a。其中更换消毒药剂为次氯酸钠而导致新增药剂费用占比最大，为1 064万元/a。电费的增加主要是由于二次提升泵和硝化滤池的鼓风机。提标改造工程拟处理规模为12万m3/d，单位水处理成本为1.208元/m3，新增单位经营成本为0.916元/m3。
03、工程设计结语
本次污水处理厂提标改造在不改变主体结构的条件下，通过对原有的二级处理段进行改造，增添了MBBR工艺，提高了硝化段生化处理的能力。并且新增了曝气生物滤池+超滤+臭氧氧化的深度处理工艺，提高了对氮、磷和SS的去除率，最终实现改造后污水处理厂全年出水水质达到GB/T 18921—2019中观赏性景观环境用水(河道类)的水质标准，希望可以为其他北方地区污水处理厂的提标改造项目提供参考。
推荐参考
本文原标题为《全地下式处理设施与溢流污染控制的设计与运行》，发表在《净水技术》2023年第2期“城镇给排水工程设计案例专栏”，有删减，欢迎水业学者、科研与技术人员参考引用，文献引用格式如下：
吴越，卢俊平，王怡，等. MBBR+曝气生物滤池工艺在北方地区污水处理厂提标改造中的应用[J]. 净水技术，2023，42(2)：162-168.
WU Y, LU J P, WANG Y，et al. Application of MBBR + BAF processes in upgrading and reconstruction of WWTP in northern region[J]. Water Purification Technology，2023，42(2)：162-168.
