污水处理厂生物池改造工程中MBBR工艺施工监理案例分析

2021-03-31武汉扬子江工程监理有限责任公司湖北武汉430024

建设监理 2021年9期

袁野（武汉扬子江工程监理有限责任公司，湖北武汉 430024）

0 引言

建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。打造“生态文明建设的先行示范带”是长江经济带国家发展战略的四大定位之一，而以水资源为主的长江生态系统保护和环境治理是长江生态文明先行示范带建设的核心。武汉市政府积极响应国家政策，城市污水处理厂规模和数量不断增长。本文以武汉市某城市污水处理厂30万t升级改造工程中MBBR工艺应用为案例，对MBBR工艺的质量控制进行分析和总结。

1 关于MBBR工艺

移动床生物膜反应器（Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR）是近年来颇受研究者重视的一种革新型生物膜反应器。它是为解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。

本案例中所应用的不是MBBR，而是基于MBBR原理的工艺，特点在于当MBBR悬浮载体生物膜工艺（填料）与生化池内活性污泥组合成MBBR泥膜好氧池生化反应系统时，依靠MBBR泥膜好氧池底部的穿孔管曝气装置实现悬浮载体在MBBR泥膜好氧池中均匀流化分布；池中投加悬浮载体，悬浮载体表面生物膜在好氧条件下可生长大量各类微生物，尤其是长泥龄硝化菌；悬浮载体生物膜生物量与池内活性污泥生物量共同在一个池内生长，单位容积内的生物量和硝化负荷得到显著提高，且处理负荷可根据悬浮载体的投加量进行增加，可满足不同的出水水质标准；占地省、基建费用低、升级改造和新建灵活简单。

2 案例分析

2.1 项目介绍

2.1.1 总体设计

本项目对污水处理厂现有建成规模30万t/d进行升级改造，污水处理常规工艺由AO工艺调整为AAO工艺，污水深度处理工艺为絮凝沉淀过滤。尾水排放执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准的A标准。

2.1.2 生物池改造设计

污水处理常规工艺由AO（厌氧-好氧）工艺调整为AAO（厌氧-缺氧-好氧）工艺。将原初沉池改造为生物池厌氧区，原生物池厌氧区改造为生物池缺氧区，生物池好氧区局部结构改造，增加MBBR悬浮填料。污水处理厂现有15万t/d生物池两座，实施减产改造，分两次进行，一组改造，另一组运行。

2.1.3 MBBR 设计

投标人提供的MBBR工艺包是一套完整的处理系统，包括生物填料、进出水拦截系统、底部辅助穿孔曝气系统等的供货和安装。MBBR工艺包应能够有效地达到或提高生物池的处理能力。投标人需根据新建及原有生物池的技术条件及标书要求，提供概念设计，并负责工艺施工图的指导和确认，确保生物处理系统运行稳定，出水水质达标。

悬浮填料在AAO生物池池体中的有效比表面积≥450 m2/m3，数量为9 400 m3，另含筛网，辅助曝气设备风管配件等。

悬浮填料性能参数（简略介绍）：优质的纯HDPE原材料生产；蜂窝状结构；良好的耐腐蚀性能；使用寿命值不小于15年；抗压强度＞50 N/mm；悬浮填料紫外损失值＜0.015%。

MBBR工艺设计时是根据进出水水质、水温、停留时间、污泥浓度、溶解氧，厌氧池、缺氧池、好氧池池容等，计算出所需填料的有效生物膜面积，再根据不同填料的有效比表面积，转换成该类型填料的体积，即立方数。通过体积可进一步计算出该种填料在生物池中的填充率。

总有效表面积是MBBR工艺的设计依据，本工程要求生物膜总有效表面积不低于423万m2。体积及重量是通过相应型号填料的有效比表面积换算出的计量单位。在总有效表面积确定的情况下，不同填料的体积和重量是不同的，所以悬浮填料制造商需提供悬浮填料有效比表面积的计算书。

附填料的相关定义如下。

（1）填料的总有效表面积：指悬浮填料的有效表面积，既可生长微生物，又能良好传质传氧的面积，即MBBR工艺计算所需的总生物膜面积。

（2）填料的有效比表面积：单位体积悬浮填料能够生长有效微生物的受保护的表面积，主要从两方面来界定，一是能够附着生长微生物且受保护的表面积，二是能良好传质传氧，能生长有效的微生物且受保护的表面积，只有同时满足上述两个条件的表面积才是有效表面积，其单位为m2/m3。

（3）填料的体积：所需填料的总有效表面积÷相应型号填料的有效比表面积。

（4）填充率：相应型号填料的体积÷填料区的有效容积。

（5）填料的堆积密度：指1 m3体积的悬浮载体填料的重量。

（6）填料的重量：相应型号填料的体积×相应型号填料的堆积密度。

2.1.4 MBBR供货内容

（1）悬浮生物填料：材质HDPE，标称直径25 mm，标称高度10 mm，体积9 400 m3；

（2）进出水拦截系统：打孔，不锈钢304材质，厚度δ=3 mm，8套；

（3）辅助穿孔曝气系统：池底固定式穿孔曝气，曝气管材质为PE或ABS，主管长度400 m，直径DN200～DN250，支管长度1 600m，直径65 mm～100 mm，4套。2.1.5 MBBR工艺系统造价

MBBR工艺系统造价2 680.88万元。

2.2 监理控制

此次设计的MBBR工艺在武汉市没有使用先例，监理部没有相关监理经验。监理部在设计交底、初期设备联络会等渠道获得的有价值的信息有限，工程涉及深化设计，但根据本污水处理厂升级改造工程《货物和服务采购技术规范》（以下简称《技术规范》）和标书要求，设计不对深化设计负责，所以监理部对此MBBR工艺专项施工十分慎重。

2.2.1 施工准备阶段控制

（1）分包单位资质。“投标人提供的MBBR工艺包是一套完整的处理系统”，监理部要求总包单位按照《技术规范》内容提供专业分包的详细资料。经核查资料，该分包单位确为国内该技术领先制造商，满足《技术规范》对企业资质和业绩的要求。分包单位提交的钢结构工程承包资质及工程管理人员、技术人员、特种作业人员资格和数量满足要求。

（2）专项施工方案审核。由于总承包单位需对全套工艺负责，所以该专项施工方案的编制尤其重要。根据《技术规范》内容，监理部分析了该专项施工方案的审查重点：MBBR悬浮填料数量的计算，是最终结算的依据；进出水拦截筛网的设计和安装，是系统安全运行的保证；辅助穿孔曝气系统的设计及安装，是实现工艺目标的保证。审核方案时，监理依据审查重点，提出了施工方案存在的几个疑问。

首先，填料数量的计算式不完整，缺乏足够依据。方案仅依据设计提供的总有效生物膜面积及制造商拟采用的悬浮填料规格推算出填料所需总体积，缺乏对填料堆积密度的测算方法说明；填料重量的转化及填充率的计算，未提供拟采用的悬浮填料有效比表面积的计算书，若该有效比表面积数值差异较大，则推导的填料数量可能偏差较大，对工艺产生影响；另建议制造商对设计院提供的不低于423万m2的总有效生物膜面积这个参数进行复核确认。

其次，不锈钢筛网和辅助穿孔曝气系统的设计和安装方案，满足国家相关强制性标准，但设计的合理性未验证。另外，方案中工艺设计部分介绍，根据本生物池特点在池面若干位置，增设了手动吹扫管道；防止池面填料堆积时，手动开启吹散漂浮的填料。这是《技术规范》中未提及的内容。

根据制造商提供的信息，监理方意识到填料堆积可能会是一个潜在的问题：由于悬浮填料在生物池内运动仅依靠曝气系统辅助，其运动轨迹不可控，可能出现局部填料堆积情况，对工艺产生影响。在设计院不参与MBBR工艺设计评价的情况下，监理无法全面从专业角度去判定该套系统是否合理，如筛网的钢结构设计、曝气管的布置、增设的手动管道等。建议进行流态模拟进行验证。

最终，该方案中完善了堆积密度的测算方法说明，填料重量的转化，填充率的计算，认可设计院提供的423万m2的总有效生物膜面积。在有建设单位、设计单位、总承包单位、分包单位、移交单位参与的MBBR专题会议上，总承包单位以悬浮填料有效比表面积的计算书是制造商的核心专利技术为由拒绝提供，并承诺对该设计负全部责任，流态模拟分析费用太高，且工期不允许。会议各方考虑到专利问题及MBBR工艺设计一般确由专业制造商负责的实际情况，同意按该方案实施。

2.2.2 监理工作交底

分包单位资质和专项施工方案审查完毕后，监理部依据MBBR填料施工监理实施细则及专项施工方案，对总承包单位和分包单位进行了监理工作交底。

（1）质量报验交底。协商制定了MBBR填料子分部工程的分部分项检验批划分标准，明确了各项施工采用的质量验收标准，明确了施工单位自检和报验的质量验收制度和程序。对填料进场称重工作流程进行了要求。依据GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》和专项施工方案对筛网钢结构焊接工艺和质量标准提出了要求。本工程筛网框架之间连接采用满焊，焊缝质量为二级；筛网与外框焊接采用点焊；筛网框架和生物池池壁用连接板连接，满焊；连接板与池壁用化学螺栓固定。强调了筛网框架尺寸的精度，筛网的平整度，对焊缝抽检提出了要求，对化学螺栓安装质量控制提出了要求。由于施工单位拦截筛网和辅助曝气系统均为工艺图，无节点大样和细部安装图，所以加大了质量控制的难度。

依照《工业金属管道工程施工及验收规范》对曝气管道的安装提出了要求。由于管道与生物池底部刚玉曝气共用生物池风管主管道，所以监理对MBBR曝气吹扫工作进行了界线划分和技术交底。

（2）安全文明施工交底。生物池池壁净空6 m，工人需要在借助移动式脚手架在池壁上安装支撑筛网的钢格架和曝气系统的管道支架，筛网拼装和曝气管道安装需要使用吊车辅助，筛网钢结构制作焊接工作量大。施工涉及施工临时用电、火灾、高处作业、高空作业和起重吊装等安全风险，另外施工过程中会与其他安装施工存在交叉作业情况。监理部对总包单位和分包单位管理人员进行了安全交底，检查了总承包单位对分包单位和分包单位的内部安全交底记录。

（3）工期交底。生物池改造首先要对池体进行清淤，然后对结构进行改造，再安装设备和新旧管连接，现场实施分区清淤，交叉作业。改造涉及污水处理厂停产配合，停产时间区间一经确定不可更改，所有各项工作必须严格按照既定计划执行，若某项工程延误，必然造成后续工作工期压缩。考虑到土建单位生物池清淤和结构改造的工期不确定因素太多，极有可能无法按时移交施工断面，造成设备安装施工工期压缩，所以针对MBBR施工，监理对总包单位和分包单位提出了做好压缩工期的准备。

2.2.3 施工质量检查验收

施工过程中，监理部对填料进场、不锈钢网架材料及辅材进场、管材及辅材进场进行了质量检查，对筛网框架制安、筛网制安进行了质量检查，对辅助曝气系统安装进行了质量检查，对筛网框架焊缝抽样进行了超声波检测，总体质量合格。

（1）原材料查验。①按照技术规范和供货合同要求，对进场填料进行了检查。设计提供了填料数量单位为m3，现场需要转化为重量进行控制，监理用木模制作了1 m3的填料载体，通过称重确定了单位体积填料重量，再根据填料总体积计算出填料总体重量，对进场填料车辆进行过磅计量复核登记台账，保证填料数量。检查填料合格证及质保资料，符合要求。②对筛网材料进行了检查。检查钢材材质保证资料，对照供货合同复核框架角钢、筛网框架埋件、筛网规格；检查化学螺栓和焊条产品的质量合格证明文件、检验报告等。③对辅助曝气系统材料进行了检查。检查管材合格证明，质量保证资料，检查管材规格部件。管道支架采用筛网框架同样材料，一并检查。

（2）质量验收。①筛网框架制作、安装：对预埋件化学螺栓孔位测量放线进行了测量复核；对化学螺栓及预埋件安装质量进行了检查验收；对框架几何尺寸及安装质量进行了检查验收。②筛网拼装：对小块筛网拼装几何尺寸和焊接质量进行了检查验收；对筛网加强筋焊接进行了检查验收；对大块筛网与框架连接的平整度和焊接质量进行了检查验收。③对曝气管道支架安装的测量防线进行了测量复核；对化学螺栓及支架安装质量进行了检查验收；对管道安装进行了质量检查验收。④见证筛网框架焊缝进行抽样检测，留存抽样检测合格报告。⑤按管道工作风压分段对曝气管道进行吹扫，见证使用白布测试的吹扫效果，符合要求。⑥生物池改造施工完毕后进行了通水调试，投加足量的悬浮填料，测试曝气系统，连续运行了72 h，完成了联动调试，联动调试结果正常。⑦悬浮填料的功能需要在试运行阶段进一步进行验证。

2.3 试运行阶段的问题

联动调试完毕后污水处理厂开始接管该组生物池的运行工作，临近农历春节，根据工期计划，另一组生物池改造计划于年后开工，所以工地上仅安排留守值班。在联动调试结束的试运行阶段，改组生物池悬浮填料陆续出现了几个问题。

2.3.1 填料堆积

在试运行阶段最早出现的问题就是填料堆积，漂浮在池面的填料不规则地在生物池廊道某些区域堆积，慢慢越积越多，直至阻断过流面，人工打开辅助吹扫管道吹散堆积，部分位置无曝气管道，只能人工使用长木棍等搅散堆积的填料。出现该问题后制造商安排了若干工人在生物池24 h巡线清理堆积的填料。

2.3.2 填料泄露

在农历新年期间，出现了悬浮填料泄漏至生物池缺氧区的事故。接到污水处理厂的通知后，监理部马上联系了总包单位和分包单位对该事故进行了分析，经分包单位调查后初步认为是临时外聘焊工筛网拼装质量不到位造成的。由于当时土建单位移交工作面延迟，悬浮填料的分包单位需要临时增加焊工班组，但此时临近农历新年，公司的焊工班组无法赶到武汉施工，只能在武汉招工。可能由于交底或施工管理不到位，一位临时找来的焊工在施工时漏掉了部分筛网加强筋的焊接工作，导致进水部位筛网局部强度不够，在水流的持续冲击下出现震动，继而引起局部筛网断裂。年后总包单位找来潜水员进行水下检查，证明了确实是因临时班组施工区域的筛网破损造成的事故，同时潜水员水下施焊对该处进行了修补，并检查了其他部位。此次事故万幸是填料泄漏到生物池好氧区进水拦截筛网内，仅损失了部分填料，未造成其他影响，如果是泄漏发生在生物池出水拦截筛网内，则悬浮填料会顺着污水流入后续工艺环节，对部分设备造成严重影响，可能导致污水处理厂出现停产事故。

2.3.3 红虫

在开年以后的试运行过程中，污水处理厂检测人员发现生物池出现红虫。

2.4 问题处理

填料泄漏的事故属于施工过程质量控制不到位造成的，已经处理，未造成较大影响，但是填料堆积的问题始终无法解决，只能靠常开吹扫管道和人工搅散悬浮填料应对，明显是不能满足正常运行的要求的，而且后来污水处理厂在生物池抽样检测中发现大量红虫。红虫俗称水蚤，只有在水质好还有水中存在足够多的氧气的情况下才会出现。红虫的大量出现一方面说明水质好，另一方面说明生物池好氧区的溶解氧含量太高，究其原因，最有可能是本该临时开启的辅助吹扫管道常开导致的。

经技术分析和开会研究决定，第二组生物池悬浮填料筛网和辅助曝气系统可以实施，但需优化设计和加强质量控制，因此第二组生物池的填料暂缓投加，待第一组生物池的填料运行稳定后再定。对于后续填料堆积问题，制造商给出的解决方案是建议逐步打捞出已投加的填料进行观察，直到生物池填料稳定运行，但至少需保留一半以上的填料。最终，第一组生物池的填料打捞一半；经建设单位和污水处理厂运行单位商定第二组生物池取消填料投加，建设单位同总包单位协商取消了第二组生物池未投加的填料合同费用。

2.5 原因分析

回过头来分析，该工程MBBR工艺系统出现问题的原因如下。

首先，填料泄漏事故确实是不应该的，反映了施工质量控制环节确有疏漏。诚然工期紧张，制造商自己的班组恰逢年关无法调动等原因是客观存在的，但总包单位安排不周密，分包单位组织慌乱，对临时班组交底不到位，关键部位的施工无详细图纸，关键工序的施工自检不到位还是填料泄露的主要原因。

填料堆积和红虫问题则是连锁反应，减少填料一半填充率的同时减少了辅助曝气管道的开启，生物池好氧区的含氧量维持到正常水平，红虫消失。辅助曝气系统的布置不合理是肯定的，悬浮填料的投加量是不是真的多了一倍、设计院提出的423万m2的生物池总有效生物膜面积是否准确、填料制造商提供的有效比表面积为450 m2/m3的悬浮填料参数是否正确等问题，由于后续运营单位对该污水处理厂生物池水质的检测分析数据未对外公布，笔者无从知晓。

本案例有其特殊性，首先工艺技术监理方自己没有见过，再次合同中明确设计院不对该工艺负责，且该单项工程造价较高，使得监理在对该专项施工时非常谨慎。在预控阶段监理严格按照本工程技术规范对专项施工方案进行审核，并将监理意见在前期的专题会议上提了出来，如要求制造商提供拟用填料的有效比表面积计算式，制造商提供的筛网和辅助曝气管道的工艺设计图依据不充分，筛网钢结构无节点图，让制造商确认设计院提供的生物池总有效生物膜面积等，在后期为监理免责提供了很好的支撑。然而，前期监理能获得有关该工艺的信息的方式也仅是通过本工程技术规范、制造商提供的信息和网络上搜索的信息，有太多局限性，加之没有相关经验，导致对该工艺的缺陷和潜在问题估计严重不足，无法在前期说服建设单位同意施工单位完善方案后再行实施，进而导致了后续问题的发生。

另一个做得不到位的，就是对拦截筛网钢结构实施过程的检查不到位，导致填料泄漏事故的发生。总结起来，第一，对填料泄漏后果的严重性理解不深刻，虽然筛网钢结构整体较简单，但关键部位、异形构造一定得有详图指导施工，检查时不能有一点疏忽；第二，工期紧张时，不能打乱仗，计划安排要周密，组织要有条理，不然忙中出错的概率还是很高的，不是质量问题就是安全问题；第三，临时招来的技术工种一定要进行详细的技术安全交底，并且不要安排重要的部位，技术活不一定是会做就能做的，经过这件事后，监理方才理解最初要求制造商增加焊工时他们坚持要从公司总部调动焊工班组的原因。

于制造商而言，想要将MBBR工艺在污水处理厂生化池中很好地应用起来，让客户用得舒心的同时用得安心，还需要一段时间。解决填料堆积问题和增强拦截筛网的可靠性、耐久性应该是其关注的重点之一。这里面涉及非常专业的领域，而制造商在系统设计上投入的技术力量却远远不够。