浙江某污水廠準(zhǔn)Ⅳ類水Bardenpho-MBBR提標(biāo)改造分析
來源：中國給水排水作者：吳迪等
摘要
浙江某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模16萬m3/d，采用Bardenpho-MBBR工藝進(jìn)行改造，出水由一級(jí)B提標(biāo)至準(zhǔn)IV類水。生化部分，總?cè)莘e不變且未改變厭氧及缺氧段，通過對好氧段功能重新劃分，增加后置缺氧和后置好氧，并在好氧區(qū)投加懸浮載體，原池實(shí)現(xiàn)Bardenpho-MBBR，強(qiáng)化脫氮除磷效果；MBBR區(qū)采用微動(dòng)力混合池型，無需使用推流器，節(jié)約投資和運(yùn)行成本，利于系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)。改造后，生化段COD、NH4+-N、TN出水均值分別為18.80mg/L、0.27mg/L、8.43mg/L，在未投加碳源的情況下穩(wěn)定達(dá)到地表準(zhǔn)IV類水標(biāo)準(zhǔn)，生化段出水TP均值0.48mg/L，大大減輕后深度處理負(fù)荷；TN去除率較改造前提高一倍，得益于前置缺氧脫氮效率的提高、填料區(qū)SND現(xiàn)象及后置缺氧區(qū)的脫氮能力；通過對系統(tǒng)微生物進(jìn)行高通量測序，結(jié)果表明，填料對系統(tǒng)的硝化貢獻(xiàn)率達(dá)到85%，并且填料上附著的反硝化菌占比達(dá)到6.46%，證明了好氧區(qū)懸浮載體上存在同步硝化反硝化過程。MBBR與Bardenpho工藝相結(jié)合技術(shù)能耗低、容積效率高、運(yùn)行效果穩(wěn)定，突破了常規(guī)工藝對TN去除的限制，適用于對TN要求嚴(yán)格的準(zhǔn)IV類等高標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)要求的污水處理廠新建及改造工程。
作者：吳迪鄭志佳周家中孫慶花
（青島思普潤水處理股份有限公司，山東青島266555）
隨著水環(huán)境質(zhì)量要求的提高，部分地區(qū)提出了準(zhǔn)IV類水概念，即在一級(jí)A基礎(chǔ)上，對污染物排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步限定，一般典型的準(zhǔn)IV類水要求氨氮≤1.5mg/L，TN≤10mg/L，TP≤0.3mg/L，SS≤6mg/L，COD≤30mg/L。多數(shù)污水廠在進(jìn)行一級(jí)A升級(jí)改造中已增加了深度處理以強(qiáng)化TP和SS的去除，通過增加投藥量或降低運(yùn)行負(fù)荷可能以優(yōu)化運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)出水TP和SS達(dá)到準(zhǔn)IV類水標(biāo)準(zhǔn)，但對于氨氮和TN缺乏明確的升級(jí)改造路線。污水廠歷經(jīng)幾次提標(biāo)，整體工藝流程基本定型，難有擴(kuò)建用地，也難以改換工藝。生化池是污水廠池容最大的構(gòu)筑物，自然也是潛力最多的構(gòu)筑物；從污水處理的整體布局上，應(yīng)當(dāng)建立科學(xué)的改造觀，氮磷處理也應(yīng)當(dāng)回歸生化。生化工藝的強(qiáng)化本質(zhì)上多是增加生物量，途徑上區(qū)分為強(qiáng)化泥水分離以富集更高污泥濃度的膜工藝(MBR)，增加懸浮載體以提高污泥性能的生物膜工藝(MBBR)。由于MBBR可直接與已有活性污泥法鑲嵌，改造靈活，能最大化利用現(xiàn)有池容和工藝流程，受到了廣泛關(guān)注。自2008年無錫蘆村污水處理廠成功進(jìn)行了MBBR升級(jí)改造以來，近10年，國內(nèi)采用MBBR工藝的市政污水廠已超過800萬噸/天，涵蓋各類廢水、工藝、池型、標(biāo)準(zhǔn)的改造[1-6]。本文以浙江省某污水廠準(zhǔn)IV類水升級(jí)改造工程為例，分析MBBR工藝改造方案的應(yīng)用效果，為污水廠準(zhǔn)IV類水提標(biāo)改造項(xiàng)目提供技術(shù)參考。
1項(xiàng)目概況
浙江省某污水處理廠，設(shè)計(jì)規(guī)模為16萬m3/d，原生化段采用A/A/O工藝，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。2016年該污水廠進(jìn)行提標(biāo)改造，要求在設(shè)計(jì)進(jìn)水水量不變的情況下，尾水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（2015年征求意見稿）的特別排放限值，即準(zhǔn)IV類水標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。
表1污水廠升級(jí)改造設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)表
2技術(shù)路線與設(shè)計(jì)方案
2.1改造難點(diǎn)
提標(biāo)改造所面臨的主要問題有：
1）升級(jí)改造難度大，出水水質(zhì)由一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)直接升級(jí)至準(zhǔn)Ⅳ類，跨度較大；
2）出水標(biāo)準(zhǔn)高，出水總氮、總磷和SS等指標(biāo)都需大幅提升，對改造工藝要求更高；
3）原池改造，廠內(nèi)用地有限，無生化池?cái)U(kuò)建用地，需充分挖潛現(xiàn)有生物池的處理能力；
4）施工難度大，生物池為全封閉結(jié)構(gòu)，施工難度較大。
2.2技術(shù)路線選擇
綜合考慮進(jìn)、出水水質(zhì)及預(yù)留用地等情況先后提出兩條技術(shù)路線：
技術(shù)路線I，A/A/O+高效沉淀池+反硝化深床濾池。
技術(shù)路線II，Bardenpho-MBBR+高效沉淀池+反硝化深床濾池。
技術(shù)路線I，生物池保持不變，深度處理新增高效沉淀池、反硝化深床濾池和加氯接觸池，前者可以強(qiáng)化TP的去除，而后者可強(qiáng)化TN和有機(jī)物的去除，保證各項(xiàng)出水指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但是該路線存在一系列問題：
1）升級(jí)改造僅通過新建“高效沉淀池+反硝化深床濾池”完成，將所有出水指標(biāo)壓力放在了深度處理構(gòu)筑物上；
2）高效沉淀池僅用于化學(xué)除磷和過濾，去除TP和SS，而反硝化濾池則需承擔(dān)剩余指標(biāo)的去除，導(dǎo)致反硝化深床濾池承擔(dān)負(fù)荷高，并且去除指標(biāo)多，工藝控制復(fù)雜；
3）深度處理對氨氮沒有降解作用，如果前端生物處理的氨氮降解不完全則會(huì)導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)；此外，硝化不足也會(huì)影響反硝化效果，導(dǎo)致TN出水不達(dá)標(biāo)；
4）反硝化深床濾池的外加碳源利用率、需要脫除的硝態(tài)氮濃度、進(jìn)水COD、出水COD指標(biāo)，四者相互制約，工程上反硝化濾池一般可去除3-5mg/L硝氮，若去除更多，則面臨COD超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，且易產(chǎn)生較多的污泥，出水SS較高，需要反洗頻繁，而頻繁反洗又不利于反硝化菌群富集，最終將導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定；
5）在設(shè)計(jì)過程中，反硝化深床濾池承擔(dān)越多TN的去除，投資和運(yùn)行成本越高。
技術(shù)路線II，生物池由A/A/O三段式改為五段Bardenpho強(qiáng)化TN去除，好氧段投加填料形成MBBR工藝用以彌補(bǔ)五段式分隔帶來的好氧硝化池容不足，新建反硝化濾池作為出水達(dá)標(biāo)的保障。
考慮到技術(shù)路線I在總投資、運(yùn)行費(fèi)用上均較高，此外運(yùn)行穩(wěn)定性也較為欠缺，最終確定技術(shù)路線II作為本項(xiàng)目升級(jí)改造方案。技術(shù)路線II的工藝優(yōu)勢表現(xiàn)在：
1）工藝流程設(shè)置合理，充分發(fā)揮了二級(jí)生物處理的作用，Bardenpho-MBBR工藝可以保證出水COD、BOD、氨氮及TN指標(biāo)的達(dá)標(biāo)，深度處理確保TP及SS達(dá)標(biāo)即可；
2）采用Bardenpho-MBBR工藝在確保TN達(dá)標(biāo)的前提下，可以充分利用原水碳源，減少外投碳源用量；
3）MBBR工藝具有較強(qiáng)的抗沖擊性，在進(jìn)水水質(zhì)水量波動(dòng)較大的情況下，也能很快恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
4）在設(shè)計(jì)中反硝化濾池?zé)o需考慮大量的TN去除，僅考慮在極端條件下的情況即可，進(jìn)一步降低了占地面積。在保證TP及SS的前提下，控制指標(biāo)較少，操作運(yùn)行簡單，且無碳源泄露等風(fēng)險(xiǎn)。
5）投資及運(yùn)行成本較低。
2.3生化段改造方案
生化段原有厭氧區(qū)和缺氧區(qū)不變，將好氧池根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新劃分為OAO，將原A/A/O工藝改造為A/A/O+A/O(Bardenpho工藝)；第一級(jí)好氧池投加SPR-2型懸浮載體形成MBBR泥膜復(fù)合工藝，填料直徑為25mm±0.5mm，高10mm±1mm，掛膜后比重與水接近，有效比表面積大于620m2/m3，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》（CJ/T461-2014）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]；好氧MBBR區(qū)域采用微動(dòng)力混合池型，該池型具有水力條件好、無水力死角、無需推流器等特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用微動(dòng)力混合池型可節(jié)省16臺(tái)專用推流器，以及每年84.096萬元的電費(fèi)，大大降低了投資和運(yùn)行能耗。采取逐池改造的方式，不影響污水廠的正常生產(chǎn)。
圖1改造前后生化段工藝流程圖
3改造后運(yùn)行效果分析
本次升級(jí)改造工程于2017年6月17日開始，到8月中旬，水量達(dá)到設(shè)計(jì)值16萬m3/d條件下，所投加的懸浮載體掛膜完成。分析2017年8月20日至2018年4月10日共計(jì)234d的進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)（包含整個(gè)冬季運(yùn)行階段），并與改造前同期上一年運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
3.1系統(tǒng)改造后對COD、TP、氨氮的去除效果
COD不是本項(xiàng)目的難點(diǎn)，改造前已基本能達(dá)到準(zhǔn)IV類水水平。經(jīng)過MBBR+Bardenpho改造后生物池進(jìn)出水COD均值分別為197.12mg/L、18.80mg/L，COD去除率均值為90.46%，出水COD穩(wěn)定達(dá)到準(zhǔn)IV水標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。
改造后，生化池除磷效果顯著增加，由于生化池并未投加混凝劑，生化池除磷效果均為生物除磷過程。改造前生物池進(jìn)出水TP均值分別為4.20mg/L，1.04mg/L，去除率均值為75.24%。經(jīng)過MBBR改造后生物池進(jìn)出水TP均值分別為4.00mg/L、0.48mg/L，TP去除率均值為88.00%，較改造前提升11.23%，如圖3所示。生物除磷效果的提升，主要是MBBR工藝對于提升生物除磷的間接效果。污泥齡是生物除磷的重要影響因素之一，聚磷菌需短泥齡。改造前，由于需要保障氨氮效果，一般運(yùn)行中污泥濃度較高，泥齡更長，以確保硝化菌群在污泥中的占比，保證硝化；改造后，好氧區(qū)投加懸浮載體，實(shí)現(xiàn)了硝化菌群的固定富集作用，保證了硝化菌群的長泥齡，這樣在一定程度上可以降低懸浮態(tài)污泥的污泥齡，強(qiáng)化生物除磷，特別是對溶解性TP的去除作用[8]。僅靠生物作用就使生化段出水TP低于0.5mg/L，大大減輕了后續(xù)深度處理設(shè)施的負(fù)荷，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。
圖2改造后生化系統(tǒng)對COD的處理效果
圖3改造后生化系統(tǒng)對TP的處理效果
改造前后氨氮處理水平相當(dāng)，改造后生物池進(jìn)出水氨氮均值分別為16.02mg/L、0.27mg/L，氨氮去除率均值為98.31%，如圖4所示。改造前，由于好氧池容較大，水力停留時(shí)間長達(dá)7.8h，對氨氮有較好的處理效果，但是當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)水量存在沖擊時(shí)，氨氮處理效果較差，系統(tǒng)的抗沖擊能力差，此外，冬季低溫時(shí)也經(jīng)常出現(xiàn)氨氮波動(dòng)的情況。MBBR改造后，在好氧區(qū)投加懸浮載體，保證了好氧區(qū)附著態(tài)微生物的泥齡大于30d，有利于長泥齡的硝化菌群的富集。填料的掛膜過程與胞外聚合物(EPS)密不可分，當(dāng)微生物活性越強(qiáng)時(shí)，EPS分泌越旺盛，越容易掛膜；微生物活性減弱時(shí)，EPS分泌減少，在流化水力剪切的作用下脫離老化生物膜，實(shí)現(xiàn)生物膜的自然動(dòng)態(tài)更新，保障了填料上的微生物一直處于較高的活性[9]。
圖4改造后生化系統(tǒng)對氨氮的處理效果
3.2系統(tǒng)改造前后對TN的去除效果
系統(tǒng)在改造前進(jìn)水TN均值21.55mg/L，出水均值13.91mg/L，平均去除率為35.45%，并且出水TN波動(dòng)較大，不穩(wěn)定。經(jīng)過Bardenpho-MBBR改造后，進(jìn)水TN均值為24.73mg/L，出水TN均值8.43mg/L，TN平均去除率65.91%，如圖5、圖6所示。
從兩組數(shù)據(jù)可以對比出，系統(tǒng)經(jīng)過Bardenpho-MBBR改造后，在進(jìn)水TN負(fù)荷升高的情況下，出水依然能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，平均去除率比改造前高出近一倍。
為進(jìn)一步探索系統(tǒng)TN去除效果改善的原因，在2017年12月底，對系統(tǒng)各工藝段進(jìn)行了TN去除分析。系統(tǒng)內(nèi)各區(qū)域均有總氮去除，厭氧區(qū)、前置缺氧區(qū)、好氧MBBR區(qū)、后置缺氧區(qū)和后置好氧區(qū)的總氮去除率分別為9.57%、29.92%、9.02%、11.31%和3.62%，總氮去除率為63.44%，如圖7所示。
改造前后系統(tǒng)的總回流比均為150%，厭氧區(qū)和前置缺氧區(qū)共去除TN39.49%，略優(yōu)于改造前，原因在于系統(tǒng)運(yùn)行的污泥濃度不再受硝化菌群長泥齡要求的限制，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)污泥活性較改造前有明顯提升。
圖5改造前系統(tǒng)對TN的去除效果
圖6改造后系統(tǒng)對TN的去除效果
在好氧區(qū)發(fā)生了明顯的TN去除現(xiàn)象，好氧段同步硝化反硝化對TN的去除率為12.64%，合計(jì)去除氮素3.08mg/L，占總?cè)コ实?0.00%。生物膜上典型的缺/好氧微環(huán)境，以及對功能微生物的富集作用，促進(jìn)了同步硝化反硝化作用的進(jìn)行，使得在好氧區(qū)仍有對TN的進(jìn)一步去除。在眾多采用MBBR的污水廠，均在好氧填料區(qū)發(fā)現(xiàn)了顯著的SND現(xiàn)象[1-3]，TN去除量在3-8mg/L不等，且基質(zhì)濃度較高的污水廠，SND效果更佳顯著。由于好氧填料區(qū)有機(jī)物含量已很低，進(jìn)一步推測SND的碳源可能與生物膜的內(nèi)碳源相關(guān)。關(guān)于生物膜、泥膜復(fù)合系統(tǒng)SND的研究有待進(jìn)一步深化，但對于進(jìn)水TN50mg/L、出水TN要求10mg/L的污水廠，TN去除率要求80%，總回流比至少需400%；當(dāng)SND去除5mg/LTN時(shí)，總回流比可降至350%，且可減少25mg/LBOD碳源投加，節(jié)能降耗顯著。而對于進(jìn)水基質(zhì)濃度不高的污水廠，甚至可完全節(jié)約外投碳源，使得MBBR除了在池容做到深度挖潛外，真正實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)利用上的深度挖潛，應(yīng)用前景廣闊。
后置缺氧區(qū)對TN的去除量為2.76mg/L，由于該區(qū)域無碳源投加，且原水碳源基本已在前端消耗殆盡，分析該段內(nèi)可能是發(fā)生了內(nèi)碳源的水解，產(chǎn)生了部分碳源被微生物利用。系統(tǒng)該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氨氮的少量溶解也證明了內(nèi)碳源水解的發(fā)生。
圖7沿程斷面氮素變化
由于改造前，對于準(zhǔn)IV類水標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的COD已可穩(wěn)定達(dá)到，氨氮基本可達(dá)到，COD、氨氮和TP并非改造難點(diǎn)，效果與經(jīng)濟(jì)的核心矛盾在TN上。通過Bardenpho工藝的采用，有效開發(fā)了系統(tǒng)的內(nèi)碳源，增加了后置反硝化區(qū)，強(qiáng)化TN去除效果；而MBBR的使用，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原池改造Bardenpho的前提，在大幅削減好氧池容的前提下，系統(tǒng)氨氮處理效果并未受到影響，好氧泥齡大幅縮小的前提下未影響硝化菌群的活動(dòng)，懸浮載體上SND的出現(xiàn)，更為節(jié)約碳源投加、降低回流比創(chuàng)造了條件。
在實(shí)際的運(yùn)行過程中，TN的去除基本上在生化段就可以完成，深度處理的反硝化深床濾池作為保障性工藝，正常狀態(tài)下按普通濾池運(yùn)行，保證SS以及TP達(dá)標(biāo)即可。
4MBBR工藝對功能微生物的選擇作用
為進(jìn)一步探究懸浮載體的作用，對本項(xiàng)目懸浮載體上的生物膜和懸浮態(tài)污泥進(jìn)行了高通量測序分析，并同期檢測了其他兩個(gè)采用MBBR污水廠進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8、圖9所示。
圖8功能菌群在污泥與填料上的占比
圖9不同污水廠功能菌群在污泥與填料上的分布熱圖
對于本項(xiàng)目（XZ），分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中主要的硝化菌群為Nitrosomonas（AOB）和Nitrospira（NOB），在懸浮載體和污泥中分別占比2.5%和27.8%、0.5%和3.8%。結(jié)合生物量測定，系統(tǒng)中85%的硝化過程的來自填料，15%的來自污泥，因此在對氨氮的去除過程中，填料發(fā)揮著重要的作用。最新研究表明，Nitrospira兼具AOB和NOB功能，其比生長速率低，對基質(zhì)的親和力更大，在氨氮濃度較低的環(huán)境中更具優(yōu)勢[10-12]。對比多個(gè)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水廠發(fā)現(xiàn)，Nitrospira是否是硝化菌群的優(yōu)勢菌種及占比是系統(tǒng)是否穩(wěn)定的良好指示性微生物。另外，在填料也檢出大量的反硝化菌，如Simplicispira、Terrimonas、Hyphomicrobium等，在填料上分別占比1.47%、0.18%、0.17%，尤其是Simplicispira在填料中的占比高于污泥系統(tǒng)，說明該類反硝化菌更適合以附著態(tài)形式存在。反硝化菌群在填料上占比達(dá)到6.46%，從微觀上提供了好氧區(qū)填料上發(fā)生SND的證據(jù)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，MBBR系統(tǒng)內(nèi)，酸桿菌門(Acidobacteria)占比往往顯著高于活性污泥系統(tǒng)，如優(yōu)勢種群Gp4、Gp6、Gp10等也基本來源于填料。酸桿菌門菌群多嗜酸[13]，其存在可能與SND現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步推測，生物膜EPS若作為碳源供給SND，則EPS可被利用的前提即存在相關(guān)菌群能夠?qū)⑵渌廪D(zhuǎn)化為低碳有機(jī)物，酸桿菌門可能具有相關(guān)的作用。
不同MBBR系統(tǒng)內(nèi)，懸浮載體上硝化菌群（Nitrospira、Nitrosomonas）的數(shù)量均遠(yuǎn)高于污泥，而反硝化菌群則呈現(xiàn)出三類情況，即主要在污泥中、污泥填料占比相當(dāng)和主要在填料上，這與各類菌群的生化特性相關(guān)。另外，不同水廠硝化優(yōu)勢菌種還是存在一定的差異。以硝化種群為例，Nitrospira在XZ、LCH、YQ三個(gè)項(xiàng)目中，XZ最高、LCH次之，YQ最低，而Nirtosomonas卻相反，YQ最高、LCH次之、XZ最低。差異性可能與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行控制等息息相關(guān)，仍需要進(jìn)一步的研究探索。
5結(jié)論
1）采用Bardenpho-MBBR工藝對污水廠進(jìn)行提標(biāo)改造，生化段出水COD、氨氮、TN均值分別為18.80gm/L、0.27mg/L、8.43mg/L，穩(wěn)定達(dá)到地表準(zhǔn)IV水標(biāo)準(zhǔn)，生化段出水TP均值0.48mg/L，良好生物除磷大大減輕了深度處理負(fù)荷；
2）采用Bardenpho-MBBR強(qiáng)化了系統(tǒng)對TN的去除，TN去除率達(dá)到65.91%，是改造前的一倍；TN去除的提升，主要在于前置缺氧脫氮效率的提高、好氧區(qū)的SND過程以及后缺氧的內(nèi)源反硝化過程，好氧區(qū)的SND帶來的TN去除占整個(gè)工藝對總氮去除的20.0%；
3）懸浮載體對硝化細(xì)菌的篩選和富集具有重要作用，填料上微生物對硝化過程的貢獻(xiàn)率達(dá)到85%；填料上反硝化菌占比約6.46%，填料本身的缺氧/好氧分層為SND過程提供了微觀保證，有效降低了碳源投加，提高了TN的去除率；
4）MBBR工藝采用微動(dòng)力混合池形，相比循環(huán)流動(dòng)池型，可以節(jié)約專用推流器至少16臺(tái)，每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用84.096萬；
5）Bardenpho-MBBR工藝采用“鑲嵌”原理實(shí)現(xiàn)原池改造，處理效果穩(wěn)定，適用于污水廠地表準(zhǔn)IV水尤其是對TN有嚴(yán)格排放要求的污水廠升級(jí)改造。
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