摘要
介紹了純膜MBBR工藝的應(yīng)用特點(diǎn)，系統(tǒng)不設(shè)二沉池，無污泥回流，以附著態(tài)形式存在的懸浮載體生物膜完成污染物的去除，生物膜在流化的作用下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新，無需反沖洗�？偨Y(jié)了純膜工藝污染物的去除特性，描述了該工藝脫碳、硝化和反硝化過程。介紹了國(guó)外Lillehammer、Gardermoen、Sjolunda、Phillips Petroleum Borger、TAU五個(gè)污水廠純膜MBBR的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況。該工藝具備極佳的抗低溫性能，處理負(fù)荷高，停留時(shí)間短，可靈活應(yīng)用于污水廠各工藝段，從而獲得優(yōu)良的出水水質(zhì)�；仡櫫藝�(guó)內(nèi)純膜MBBR工藝應(yīng)用于微污染水、工業(yè)廢水、市政污水、高氨氮廢水的應(yīng)用情況，純膜工藝應(yīng)用領(lǐng)用廣泛。典型的純膜MBBR工藝流程包括強(qiáng)化預(yù)處理以及深度處理，結(jié)合更加緊湊的深度處理工藝，該工藝流程最大可節(jié)約80%的占地。純膜MBBR工藝具有去除負(fù)荷高、工藝流程短、占地省、投資低、運(yùn)行簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，適用于污水廠新建以及擴(kuò)容提標(biāo)，具有極大的發(fā)展空間和廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器，純膜MBBR工藝, 懸浮載體生物膜，脫氮除磷，占地，抗沖擊，國(guó)內(nèi)外，工程應(yīng)用
移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR）起源于20世紀(jì)80年代末的挪威，是一種新型的生物段強(qiáng)化處理技術(shù)。工藝基于生物膜機(jī)理，通過向反應(yīng)器中投加懸浮載體提高了系統(tǒng)生物量，豐富了微生物種群結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了污染物的高效去除。1991年，首個(gè)以MBBR為概念的專利成功申請(qǐng)，同年第一座應(yīng)用MBBR工藝的污水處理廠Lardal WWTP在挪威順利投入使用，掀開了MBBR工藝全球推廣的序幕。MBBR工藝于2000年初引入國(guó)內(nèi)，開展了一系列工藝研究及小規(guī)模的工程實(shí)踐，但受限于工程經(jīng)驗(yàn)不足，工藝落地推廣受阻。2008年，國(guó)內(nèi)首個(gè)大型MBBR項(xiàng)目在無錫蘆村污水廠成功實(shí)施，標(biāo)志著懸浮載體流化與攔截等工程難題得以解決。在此后的10余年間，MBBR工藝逐步發(fā)展并成為了污水廠新建和升級(jí)改造的主流工藝。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用MBBR工藝的市政污水處理廠數(shù)量在250座以上，總規(guī)模超過1500萬t/d，同時(shí)在工業(yè)廢水處理、給水預(yù)處理、河道水凈化、農(nóng)村點(diǎn)源治理等領(lǐng)域有著大量應(yīng)用。MBBR工藝分為泥膜復(fù)合MBBR工藝和純膜MBBR工藝兩種形式。在我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠提標(biāo)改造政策實(shí)施的大背景下，泥膜復(fù)合MBBR工藝以其與原工藝緊密結(jié)合、原池改造無需新增用地等方面的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用；而純膜MBBR工藝的大規(guī)模應(yīng)用尚處于起步階段。本文主要介紹了純膜MBBR工藝對(duì)污染物的去除特性，介紹了純膜MBBR工藝在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況，以期為我國(guó)污水廠的新建及升級(jí)改造提供技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)參考，也為純膜MBBR工藝在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展提供借鑒。
1 純膜工藝及污染物去除特性
1.1 純膜MBBR工藝簡(jiǎn)介
泥膜復(fù)合MBBR工藝中，微生物同時(shí)以懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)懸浮載體生物膜形式存在、兩者協(xié)同完成對(duì)污染物的去除。而純膜MBBR工藝不富集活性污泥，污染物的去除全部依賴于附著態(tài)生物膜，系統(tǒng)不設(shè)置污泥回流，如圖1所示。微生物存在形式上，純膜MBBR工藝更接近曝氣生物濾池（BAF）工藝，但進(jìn)水不受有機(jī)物和SS濃度影響，生物膜在流化的作用下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新，無需反沖洗，停留時(shí)間不受濾速限制。功能區(qū)域布置上，純膜MBBR工藝可應(yīng)用于好氧和缺氧系統(tǒng)，如圖2所示。好氧、缺氧純膜MBBR工藝，即可獨(dú)立使用，分別用于強(qiáng)化硝化和反硝化，也可以聯(lián)合使用，形成A/O，A/O/A/O工藝，用于污水脫氮。
圖1 泥膜復(fù)合MBBR工藝（A）和純膜MBBR工藝（B）運(yùn)行示意圖
在好氧系統(tǒng)中，曝氣具有雙重功能，一方面負(fù)責(zé)懸浮載體的流化，另一方面負(fù)責(zé)向好氧微生物提供氧氣，用于有機(jī)物的去除及硝化反應(yīng)。曝氣系統(tǒng)一般平鋪于反應(yīng)器池底，由微孔或者穿孔曝氣組成。在缺氧系統(tǒng)中，懸浮載體通過專用推流攪拌器實(shí)現(xiàn)流化。無論是在好氧區(qū)還是缺氧區(qū)，均需在出水口設(shè)置攔截篩網(wǎng)以持留懸浮載體，保障懸浮載體在專性區(qū)域內(nèi)培養(yǎng)。
圖2 好氧以及缺氧系統(tǒng)純膜MBBR的工藝應(yīng)用形式
1.2 純膜MBBR工藝用于脫碳
純膜MBBR工藝對(duì)生活污水中有機(jī)物的去除效率與傳統(tǒng)活性污泥法相似，可達(dá)95%以上。其系統(tǒng)處理能力主要與投加懸浮載體的總有效表面積相關(guān)。用于脫碳的MBBR反應(yīng)器停留時(shí)間較短，一般在15~90min。表1列舉了挪威4座采用純膜MBBR工藝污水處理廠的有機(jī)物去除效果，4座污水廠均采用兩級(jí)純膜MBBR，設(shè)計(jì)水溫為10℃。從表中可以看到，純膜MBBR工藝對(duì)于BOD7的處理能力可以達(dá)到97%以上，且系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。
表1 挪威四座污水廠的有機(jī)物去除效果
1.3 純膜MBBR工藝用于硝化
硝化菌屬于自養(yǎng)菌，生長(zhǎng)速率較慢。在以活性污泥法為核心工藝的污水廠中，其相對(duì)豐度一般不大于2%，生物量低且極易受低溫、高鹽等特殊水質(zhì)的影響。導(dǎo)致了污水廠出水氨氮難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，是污水廠運(yùn)行的核心難點(diǎn)。MBBR工藝懸浮載體生物膜泥齡較長(zhǎng)，可達(dá)30d以上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于硝化菌等長(zhǎng)泥齡菌的高效富集；通過懸浮載體的專性培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了微生物的專性富集和定向篩選，在應(yīng)對(duì)高鹽、低溫、有機(jī)物沖擊等特殊水質(zhì)及沖擊時(shí)同樣能夠獲得較好的處理效果，保障出水氨氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。表2對(duì)比了泥膜復(fù)合MBBR工藝中懸浮載體生物膜和活性污泥對(duì)于硝化菌的富集能力。從表2可以看出，懸浮載體生物膜對(duì)于硝化菌的富集能力遠(yuǎn)高于活性污泥，且優(yōu)勢(shì)硝化菌屬為硝化螺旋菌（Nitrospira）。最新研究表明，部分Nitrospira菌種兼具AOB和NOB的功能，具有全程氨氧化的能力，即一類微生物可以完成氨氮氧化成硝酸鹽的過程。Nitrospira比生長(zhǎng)速率低，對(duì)基質(zhì)的親和力更強(qiáng)，在氨氮濃度較低的環(huán)境中更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，可作為高排放標(biāo)準(zhǔn)污水廠穩(wěn)定運(yùn)行的指示性微生物。進(jìn)一步的追蹤表明，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，懸浮載體生物膜更加成熟，Nitrospira的相對(duì)豐度隨之升高，保障了系統(tǒng)氨氮在極端條件下的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
表2 懸浮載體生物膜和活性污泥系統(tǒng)微生物對(duì)比
1.4 純膜MBBR工藝用于反硝化
根據(jù)功能區(qū)的布置，純膜MBBR工藝用于反硝化可以分為前置反硝化、后置反硝化以及同步硝化反硝化三種過程。
1）前置反硝化，反硝化區(qū)位于執(zhí)行硝化功能的MBBR區(qū)的前端，通過硝化液回流至缺氧反硝化區(qū)進(jìn)行脫氮。前置反硝化區(qū)的脫氮能力有限，主要與回流比有關(guān)，一般控制在150%~250%，超過此值時(shí)會(huì)降低脫氮效率。硝化液回流會(huì)攜帶一定的溶解氧，從而抑制反硝化過程，因此通常在曝氣區(qū)后設(shè)置脫氣區(qū)以降低DO的不利影響。前置反硝化區(qū)利用的有機(jī)碳源主要是進(jìn)水中溶解性的有機(jī)物。在無外加碳源的條件下，由于廢水的特性、環(huán)境條件、運(yùn)行參數(shù)等不同，可能會(huì)造成反硝化速率具有較大的差異性，如Gardermoen污水處理廠，在內(nèi)回流比均值為111%的條件下，由于缺氧區(qū)C/N高且回流攜帶的DO低，所以反硝化速率可以達(dá)到0.295kgNO3--N/m3/d。而Frevar污水處理廠由于進(jìn)水中可溶性有機(jī)物的濃度低，所以反硝化速率只有0.033~0.109 kgNO3--N/m3/d。
2）后置反硝化，反硝化區(qū)位于執(zhí)行硝化功能的MBBR區(qū)的后端。與前置反硝化相比，采用后置反硝化需要在預(yù)處理段采用強(qiáng)化沉淀技術(shù)盡可能多的去除有機(jī)物，從而降低其對(duì)于好氧硝化過程的不利影響。后置反硝化主要通過外投碳源進(jìn)行脫氮。由于碳源性質(zhì)較原水好、利用率高，所以后置反硝化的脫氮負(fù)荷較前置反硝化更高，占地更小并且更加易于控制。唯一不足的是藥劑消耗量大，如果能將預(yù)沉池的污泥進(jìn)行碳源提取并用于反硝化，將實(shí)現(xiàn)污水廠的運(yùn)行雙贏，既節(jié)省了外投碳源，又實(shí)現(xiàn)了高效的脫氮。此外，需要注意的是，采用預(yù)沉淀工藝強(qiáng)化脫碳，需嚴(yán)格控制出水的磷酸鹽濃度，以保障后續(xù)生化過程中足夠的營(yíng)養(yǎng)物濃度。
3）同步硝化反硝化過程（Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND），SND是指在好氧區(qū)同時(shí)發(fā)生硝化和反硝化反應(yīng)，是一種效率更高的脫氮工藝。對(duì)于MBBR工藝，懸浮載體生物膜受傳質(zhì)傳氧的影響，易發(fā)生分層分布現(xiàn)象。溶解氧從懸浮載體生物膜表面向內(nèi)層傳遞的過程中存在濃度梯度，表層DO較高為好氧區(qū)，以好氧硝化細(xì)菌為主，隨著溶解氧傳遞受阻及外層DO的消耗，生物膜內(nèi)層形成缺氧區(qū)，反硝化菌占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)MBBR同步硝化反硝化脫氮。國(guó)內(nèi)有關(guān)于泥膜復(fù)合MBBR工藝的SND報(bào)道。北方某污水廠采用MBBR工藝，在好氧區(qū)內(nèi)存在穩(wěn)定的SND過程，TN去除率為15%~20%，經(jīng)過驗(yàn)證，確認(rèn)SND過程主要來自于懸浮載體生物膜。高通量測(cè)序結(jié)果表明，懸浮載體生物膜上的反硝化菌相對(duì)豐度為8.34%，硝化菌相對(duì)豐度為28.56%，保障了懸浮載體生物膜穩(wěn)定的SND過程。南方某污水廠采用MBBR工藝，在好氧區(qū)發(fā)現(xiàn)了28%~46%的TN去除，SND的加持可節(jié)約碳源費(fèi)用1343.2萬元/年，在保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用[。目前，尚未有純膜MBBR實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的工程報(bào)道。
2 純膜MBBR工藝在國(guó)外的應(yīng)用
MBBR工藝在國(guó)外應(yīng)用超過30年，工程案例超過1000項(xiàng)，應(yīng)用于不同體量、不同水質(zhì)的污水廠，處理效果穩(wěn)定。下面介紹幾個(gè)典型的采用純膜MBBR工藝的污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行效果。
2.1 Lillehammer污水處理廠
Lillehammer污水處理廠位于挪威利勒哈默爾市，原工藝為一級(jí)強(qiáng)化沉淀工藝，用于去除SS和TP，出水排入MJOSA湖。由于收納水體逐步呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，并且時(shí)值該市承辦1994年冬季奧運(yùn)會(huì)，因此，在1992年進(jìn)行提標(biāo)改造，升級(jí)為具備脫氮除磷功能的污水處理廠。因擴(kuò)建場(chǎng)地有限，且冬季最低水溫達(dá)到3.5℃，這就要求處理工藝必須高效緊湊且具備良好的抗低溫沖擊能力。經(jīng)過多種工藝對(duì)比，最終選擇純膜MBBR工藝。
Lillehammer污水處理廠設(shè)計(jì)水量2.88萬t/d，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表3。生化池采用多級(jí)A/O純膜MBBR，工藝流程見圖3。純膜MBBR池根據(jù)功能區(qū)共劃分為9格，其中前2格為缺氧區(qū)；第3格為可調(diào)區(qū)，當(dāng)冬季低溫時(shí)，第3格按好氧運(yùn)行，夏季時(shí)，按缺氧區(qū)運(yùn)行；第4、5為好氧區(qū)；第6、7、8為缺氧區(qū)，硝化液內(nèi)回流從第6格開始，減少回流所攜帶的DO，在第7格投加乙醇用于反硝化；第9格為好氧區(qū)，主要目的為充氧以及去除殘留的有機(jī)物。該項(xiàng)目不設(shè)二沉池，總HRT僅為3.2h。
表3 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)（mg/L）
圖3 Lillehammer污水處理廠工藝流程
實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，該廠出水各指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于在硝化前端有機(jī)物去除較為徹底，第4格的硝化速率較高，基本可以實(shí)現(xiàn)氨氮的去除，且運(yùn)行不受低溫的影響。缺氧區(qū)在外投碳源足夠的情況下，幾乎可以將硝態(tài)氮完全去除。2005年運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，該廠出水BOD7、COD、TN、TP分別為2.2 mg/L、35 mg/L、2.9 mg/L、0.12mg/L。碳源的消耗比率為3.3gCOD/gTN，碳源利用率高[20]。值得注意的是，該廠出水TN低于3mg/L，證明了MBBR工藝對(duì)TN的高效去除效果，為國(guó)內(nèi)嚴(yán)格的TN排放標(biāo)準(zhǔn)提供了工藝借鑒。該廠自1994年通水以來，已穩(wěn)定運(yùn)行26年，中途未補(bǔ)投懸浮載體，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
2.2 Gardermoen污水處理廠
Gardermoen污水處理廠位于挪威奧斯陸機(jī)場(chǎng)，為新建項(xiàng)目。處理水量2.21萬t/d，于1998年通水運(yùn)行，設(shè)計(jì)工藝流程見圖4。Gardermoen污水處理廠采用多級(jí)A/O純膜MBBR工藝，生化池停留時(shí)間6.3h，懸浮載體平均填充率58.5%。
圖4 Gardermoen污水處理廠工藝流程
表4 污水廠實(shí)際運(yùn)行進(jìn)出水水質(zhì)（mg/L）
污水廠實(shí)際運(yùn)行效果見表4，生化段進(jìn)水氮素升高主要是由于側(cè)流污水回流所致。在冬季水溫6~7℃的不利條件下，出水氨氮濃度0.26mg/L，TN濃度均值2.16mg/L，TN去除率達(dá)到95.5%，其中前置反硝化區(qū)可以去除85%~90%的硝酸鹽。通過化學(xué)除磷作用，出水TP濃度低至0.15mg/L。該廠的運(yùn)行結(jié)果表明，C/N是影響反硝化脫氮的重要因素，應(yīng)保持gBSCOD/gNOX--N在4~5之間。此外，還應(yīng)嚴(yán)格控制硝化液回流比。后置反硝化區(qū)通過外投碳源，使gBSCOD/gNOX--N達(dá)到3.8，此時(shí)TN的平均去除率可以達(dá)到98%，反應(yīng)器硝態(tài)氮平均出水濃度為0.33mg/L。在運(yùn)行費(fèi)用方面，通過優(yōu)化處理流程，減少了化學(xué)藥劑和能源消耗，預(yù)計(jì)每年為污水廠節(jié)約12.5萬~13.0萬美元的運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)能降耗效果顯著。
2.3 Sjolunda污水處理廠
Sjolunda污水處理廠位于瑞典，處理規(guī)模15萬t/d。該廠原有兩條生化處理路線：其中一條路線為活性污泥工藝，另一條路線為生物濾池工藝，三級(jí)處理工藝為氣浮。1996年，該廠要求執(zhí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中BOD7<12mg/L，TN<10mg/L，TP<0.3mg/L。為達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)需要對(duì)原工藝進(jìn)行升級(jí)改造，要求能夠充分利用現(xiàn)有的構(gòu)筑物，采用緊湊型污水處理工藝并降低投資成本。最終改造實(shí)施路線為：1）升級(jí)原活性污泥工藝，并接納全部的進(jìn)水；2）將原生物濾池改為硝化池，接納活性污泥工藝出水；3）增加純膜MBBR工藝用于后置反硝化脫氮。改造后工藝流程見圖5。
圖5 Sjolunda污水處理廠工藝流程
MBBR區(qū)設(shè)計(jì)水溫10℃，設(shè)兩級(jí)反硝化區(qū)，填充率50%，采用甲醇為碳源，基于對(duì)MBBR進(jìn)水硝酸鹽濃度的在線監(jiān)測(cè)控制碳源的投加量。長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果顯示，MBBR區(qū)進(jìn)水硝態(tài)氮濃度在17~22mg/L，由于MBBR池的進(jìn)水含氧量高（8~9mg/L），因此碳源的投加比例高于理論值，在3.5~4.0之間。在1.6h的停留時(shí)間內(nèi)，TN的去除率>80%[27]。需要注意的是，如果進(jìn)水中的磷酸鹽濃度較低，會(huì)降低系統(tǒng)的反硝化性能，導(dǎo)致出水硝酸鹽濃度升高，外投碳源得不到充分利用使得出水BOD7濃度增加，所以需要不定時(shí)根據(jù)水質(zhì)投加磷酸鹽。Sjolunda污水處理廠經(jīng)過11年的運(yùn)行，未置換或補(bǔ)充懸浮載體，運(yùn)行效果良好。
2.4 Phillips Petroleum Borger 污水處理廠
Phillips Petroleum Borger 污水處理廠在運(yùn)行過程中遇到的最大的問題是在滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，出水氨氮始終難以達(dá)標(biāo)。經(jīng)過論證發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較高，影響了硝化過程。項(xiàng)目最終采用純膜MBBR工藝，并置于活性污泥系統(tǒng)之前，提高系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除能力，從而發(fā)揮活性污泥系統(tǒng)硝化的性能，保障氨氮的達(dá)標(biāo)。污水廠設(shè)計(jì)參數(shù)見表5，工藝流程見圖6。
表5 Phillips Petroleum Borger 污水處理廠設(shè)計(jì)參數(shù)
該污水廠于1999年3月開始啟動(dòng)MBBR工藝。在有機(jī)物方面，進(jìn)水COD為300~450mg/L的情況下，出水由原來的60~110mg/L降低至40~60mg/L。并且改造后實(shí)際進(jìn)水流量超出設(shè)計(jì)值10%，而系統(tǒng)抗沖擊性能良好，出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。在氨氮方面，改造前系統(tǒng)的出水氨氮和進(jìn)水氨氮呈正相關(guān)性，極不穩(wěn)定，出水氨氮在1~9mg/L之間。而自運(yùn)行MBBR工藝后，出水氨氮濃度就呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1個(gè)月之后系統(tǒng)出水氨氮即穩(wěn)定低于1mg/L，效果明顯。
圖6 Phillips Petroleum Borger污水處理廠工藝流程
2.5 TAU污水處理廠
挪威Tonsberg的TAU污水處理廠在升級(jí)改造過程中主要面臨二級(jí)工藝擴(kuò)建的問題。如果采用傳統(tǒng)的活性污泥法，就需要新建大型的生化池以及二沉池，占地較大且工程量大；如果采用純膜MBBR工藝，則通過現(xiàn)有池體的改造即可滿足要求。此外，在8℃的低溫條件下，純膜MBBR的有機(jī)負(fù)荷高，通過提高填充率，也能滿足遠(yuǎn)期進(jìn)一步提標(biāo)的要求，所以最終采用純膜MBBR工藝實(shí)施改造。表6對(duì)比了采用純膜MBBR工藝和常規(guī)活性污泥法進(jìn)行升級(jí)改造的投資和運(yùn)行成本。從表中可以看到，純膜MBBR工藝的投資成本僅為活性污泥法的26.4%，管理和運(yùn)行成本僅為活性污泥法22.5%，投資和運(yùn)行管理費(fèi)用極低。
表6 TAU污水處理廠MBBR工藝與活性污泥工藝相對(duì)成本（設(shè)定MBBR工藝的投資成本為100）
總結(jié)國(guó)外純膜MBBR應(yīng)用情況，具有以下特征：
1）耐低溫能力強(qiáng)，典型案例中在生化池水溫低至3.5℃的情況下，純膜MBBR仍然維持了較好的脫氮性能；
2）出水效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物質(zhì)的生化極限去除，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)如氨氮優(yōu)于國(guó)內(nèi)地表IV類水標(biāo)準(zhǔn)；
3）停留時(shí)間低，負(fù)荷高，屬于節(jié)地集約型技術(shù)；生化池的停留時(shí)間可以基本在3~6h之間，與常規(guī)工藝相比，停留時(shí)間大范圍縮短，大大節(jié)省了占地；
4）工藝應(yīng)用靈活，既可作為主體生化功能實(shí)現(xiàn)脫氮，也可作為生化段的前預(yù)處理脫碳，或在生化段之后替代反硝化濾池強(qiáng)化總氮去除。純膜MBBR工藝，雖然相比BAF工藝，不需反沖洗進(jìn)行生物膜更新，但并不具備泥水分離功能，后端仍需要泥水分離工藝。一般情況下，純膜MBBR工藝出水SS在300mg/L以下，且腐殖生物膜特性與活性污泥有一定差別，采用二沉池的設(shè)置方式并不適宜，可直接進(jìn)行化學(xué)沉淀。純膜MBBR工藝的泥水分離工藝，可采用混凝沉淀、氣浮、濾池，單獨(dú)使用或組合應(yīng)用。雖然泥水分離工藝選擇較多，但均借鑒了活性污泥法的泥水分離技術(shù)，并未針對(duì)腐殖生物膜特點(diǎn)開發(fā)針對(duì)性處理技術(shù)。
3 純膜MBBR工藝國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況
國(guó)內(nèi)純膜MBBR工藝的大規(guī)模應(yīng)用尚處于起步階段，表7列舉了國(guó)內(nèi)部分采用純膜MBBR工藝的污水廠。
圖7 國(guó)內(nèi)純膜MBBR工程應(yīng)用
3.1 江蘇某原水預(yù)處理廠
江蘇某凈水廠設(shè)計(jì)水量30萬t/d，自運(yùn)行以來，其水源地長(zhǎng)期面臨沿線農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展帶來的污染，水質(zhì)惡化嚴(yán)重，難以達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其是高錳酸鹽指數(shù)和氨氮等污染指標(biāo)在7~9月份高達(dá)9.1mg/L和1.8mg/L，給水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)帶來了很大的難度。因此本項(xiàng)目采用新建預(yù)處理廠來提升原水水質(zhì)，設(shè)計(jì)規(guī)模30萬t/d。綜合進(jìn)出水水質(zhì)、投資占地等因素分析，經(jīng)充分技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和方案比選，采用“高錳酸鉀預(yù)氧化+純膜MBBR工藝+中置式高密度沉淀池”組合工藝進(jìn)行處理。核心MBBR生化段保障進(jìn)水氨氮由1.8mg/L降低至1.0mg/L。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，穩(wěn)定運(yùn)行期間出水CODMn和氨氮均值分別為4.5mg/L和0.2mg/L，穩(wěn)定達(dá)到地表III類水體要求，其中氨氮最低可低于0.1mg/L，氨氮的去除率最高可達(dá)到85%以上。MBBR區(qū)實(shí)際氣水比為1.0~1.3。全廠電耗平均值為0.052kw·h/t，以0.74元/kw·h核算，運(yùn)行成本為0.038元/t。
圖7 江蘇某原水預(yù)處理廠運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)
3.2 山東某石化污水處理站
山東某石化污水處理站設(shè)計(jì)規(guī)模5000t/d，采用氧化溝工藝，原出水執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著收納水體的逐步惡化，要求提高處理站的排放標(biāo)準(zhǔn)。所以對(duì)該污水處理站進(jìn)行中水回用升級(jí)改造，使出水水質(zhì)達(dá)到《山東省半島流域水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37/676-2007）要求，并進(jìn)一步處理達(dá)到回用水質(zhì)要求，實(shí)現(xiàn)“零排放”。石化廢水含鹽、含油、含硫及堿渣等，可生化性較差，屬于難降解廢水。中水回用工程采用純膜MBBR工藝對(duì)原氧化溝工藝出水進(jìn)行深度生化處理，并在后續(xù)增加核桃殼過濾器、碳床+砂濾、UF+RO雙膜工藝。其中MBBR工藝作為雙膜法的預(yù)處理，要求實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的深度生化處理，解決膜系統(tǒng)的有機(jī)污染問題，以保護(hù)后續(xù)雙膜法的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和降低膜維保成本。MBBR池設(shè)計(jì)進(jìn)水COD為120mg/L，氨氮40mg/L，實(shí)際運(yùn)行效果顯示，MBBR區(qū)氨氮去除率達(dá)到90%以上，出水穩(wěn)定低于4mg/L，基本在2mg/L以下，出水COD保持在40mg/L以下。該系統(tǒng)抗沖擊能力強(qiáng)，即使在進(jìn)水水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)的情況下，出水依然保持穩(wěn)定，有效保障了后續(xù)雙膜系統(tǒng)的運(yùn)行。
圖8 山東某石化污水處理站運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)
3.3 廣東某水質(zhì)凈化廠
廣東某水質(zhì)凈化廠設(shè)計(jì)水量1.8萬t/d，其中含氟廢水4115t/d。2017年對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)建，要求出水達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)，原生化段采用多級(jí)AO工藝不變，在深度處理段加入純膜MBBR，進(jìn)一步去除有機(jī)物和氨氮，MBBR段設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表8。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，該系統(tǒng)抗沖擊能力強(qiáng)，處理效果穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
表8 廣東某水質(zhì)凈化廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)（mg/L）
圖9 廣東某水質(zhì)凈化廠運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)
3.4 廣東省某應(yīng)急污水處理廠
廣東省某應(yīng)急污水處理廠設(shè)計(jì)水量3萬t/d。此為新建項(xiàng)目，面臨的主要問題為所提供的占地較少、工期緊張，需要40d完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)與調(diào)試達(dá)標(biāo)。綜合考慮投資、占地、運(yùn)行、工藝先進(jìn)性等方面，最終采用了“預(yù)處理+純膜MBBR工藝+超效分離”的組合工藝進(jìn)行處理，項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表9。核心純膜MBBR工藝停留時(shí)間僅1.99h，生化池占地為0.015m2/m3。深度處理采用超效分離工藝，通過磁加載沉淀技術(shù)，強(qiáng)化TP\SS的去除，保障出水各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目全廠噸水占地0.067m2/m3，僅用時(shí)1周時(shí)間，出水穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。純膜MBBR工藝的引入有效的解決了污水廠占地少、工期緊的問題。
表9 廣東省某應(yīng)急污水處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)（mg/L）
圖10 廣東省某應(yīng)急污水處理項(xiàng)目運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)
3.5 山東省某制藥廢水污水廠
將厭氧氨氧化工藝與MBBR相結(jié)合，形成基于MBBR的全程自養(yǎng)脫氮工藝，是純膜MBBR工藝工程應(yīng)用的一大創(chuàng)新。通過懸浮載體生物膜可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硝化菌以及厭氧氨氧化菌的高效富集，從而實(shí)現(xiàn)單一反應(yīng)器內(nèi)的全程自養(yǎng)脫氮。山東省某制藥廢水處理廠進(jìn)水氨氮濃度高達(dá)950mg/L，C/N較低，日常運(yùn)行有機(jī)碳源消耗極大，所以急需運(yùn)行控制簡(jiǎn)便、出水水質(zhì)穩(wěn)定且具備節(jié)能降耗功能的新工藝。通過升級(jí)改造，原池嵌入基于純膜MBBR的全程自養(yǎng)脫氮工藝，保障出水氨氮氨氮低于50mg/L。該項(xiàng)目無新建工程、無有機(jī)碳源的投加、無厭氧氨氧化菌種的補(bǔ)投。采用自養(yǎng)脫氮工藝極大的削減了氮負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
圖11 山東省某制藥廢水污水廠CANON填料
國(guó)內(nèi)純膜MBBR工藝應(yīng)用較為廣泛。在微污染水處理上，利用生物膜法能夠在低基質(zhì)條件下高效去除污染物的特性，可用于給水的預(yù)處理、河道旁位處理等；在工業(yè)廢水處理上，利用純膜MBBR工藝高負(fù)荷占地省的優(yōu)勢(shì)，在石化、制藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；在特殊菌種富集上，利用載體選擇性富集的特點(diǎn)，可作為厭氧氨氧化菌的培育載體，形成了基于純膜MBBR的厭氧氨氧化技術(shù)，如ANITATM Mox ， Nauto®等，用于高氨氮廢水處理；在生活污水處理領(lǐng)域，純膜MBBR高效集約的特點(diǎn)，適用于污水廠，尤其是全地下污水處理廠新建、污水廠大規(guī)模提量提標(biāo)改造等情形。
4 純膜MBBR工藝流程
在純膜MBBR的工藝流程上，從工程應(yīng)用情況分析，其預(yù)處理與常規(guī)處理流程相同，包括格柵、沉砂池；同時(shí)，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)，可設(shè)置初沉強(qiáng)化沉淀工藝；強(qiáng)化沉淀的作用主要是去除顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)。懸浮載體生物膜在動(dòng)態(tài)更新過程中會(huì)脫落一部分生物膜流入后段工藝，所以深度處理的作用是針對(duì)純膜工藝出水進(jìn)行泥水分離，去除SS以及強(qiáng)化除磷；核心工藝應(yīng)采用磁混凝或者溶氣氣�。―AF）等效率較高、布置緊湊的工藝。典型的純膜工藝路線如圖12所示。
圖12 典型的純膜MBBR工藝路線
純膜MBBR工藝最核心的優(yōu)勢(shì)即去除負(fù)荷高、工藝流程短、占地省。表10列舉了目前常用的純膜MBBR工藝、泥膜復(fù)合MBBR工藝、MBR工藝和普通活性污泥法AAO工藝在進(jìn)水基本相同情況下的實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)和HRT。從表10可以看出，四種工藝都可以使出水達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn)，但在占地方面，純膜MBBR工藝遠(yuǎn)低于其他三種工藝，僅生化池就比普通活性污泥法節(jié)省50%以上。由于純膜MBBR工藝不需要二沉池，故實(shí)際此比例將進(jìn)一步提高。純膜MBBR工藝后續(xù)泥水分離一般采用氣浮工藝、磁混凝工藝等，整體占地更加緊湊，與傳統(tǒng)工藝相比，最大可以節(jié)省80%的占地。需要說明的是，節(jié)省占地意味著高填充率，而在高填充率條件下如何保障懸浮載體流化是該工藝能否成功應(yīng)用的前提，需要輔助水力模擬等手段進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。
表10 不同污水廠生化段HRT對(duì)比[15,20,31,32]
5 結(jié)論
縱觀國(guó)內(nèi)污水廠提標(biāo)改造或新建，所面臨的共有問題即用地受限。在土地資源越來越稀缺的今天，急需集約、高效、穩(wěn)定的污水處理工藝。純膜MBBR工藝與活性污泥法相比，布置緊湊，無需污泥回流，無需二沉池，工藝流程短；與其他生物膜工藝相比，無需反沖洗，對(duì)于進(jìn)水水質(zhì)容忍度高；與MBR工藝相比，運(yùn)行能耗低。對(duì)于新建污水廠，可以達(dá)到極簡(jiǎn)的工藝流程，運(yùn)行控制簡(jiǎn)便。而對(duì)于改建工藝，則可以實(shí)現(xiàn)原池的提標(biāo)提量，尤其是對(duì)于SBR類無二沉池工藝的污水廠的改建，將無需新增二沉池，工藝實(shí)施簡(jiǎn)單，投資成本低。在未來污水廠的實(shí)施過程中，純膜MBBR工藝將會(huì)有更大的發(fā)展空間和更廣泛的應(yīng)用前景。
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