MBBR在高标准污水处理厂提标改造中的应用——以缙云县某污水处理厂为例

董蕾茜，史孟彬，齐 超，鲍俊信

(中国联合工程有限公司，浙江杭州 310052)

随着国家对污水处理厂出水水质要求的进一步提高，北京、浙江、江苏等陆续出台了城镇污水处理厂污染物排放的地方标准，其中浙江省地方标准《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB 33/2169—2018)(以下简称省地标)中对新建污水厂的排放标准已经提高至地表“准Ⅳ类水”标准[COD、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)等主要指标达到Ⅳ类标准]，对现有污水厂各项排放指标的控制亦严于一级A标准。因此，污水厂新一轮的“提质增效”工作迫在眉睫。

在地表水“准Ⅲ类”标准(COD、氨氮和TP等主要指标达到Ⅲ类标准)下，污水厂提标改造的难点在于NH3-N、总氮(TN)和TP的稳定去除。NH3-N和TN的去除以强化生物脱氮为主，包括原生化池挖潜、增设后置反硝化脱氮工艺和碳源补充措施等。吴斯文等[1]对不同排放标准下污水厂提标改造工艺的选择进行了归纳，认为当出水水质采用“准Ⅲ类”标准时要在二级处理硝化和反硝化深度挖潜的基础上，更需配置强化反硝化、硝化和去除有机物的深度处理单元，以保证出水NH3-N、TN、化学需氧量(CODCr)能够达标。刘向荣等[2]对高排放标准下城镇污水处理厂的提标改造进行探讨，根据不同工艺组合的预期效果，提出了高排放标准下污水厂提标改造重点是提高生物处理率，强化生物硝化、反硝化。很多污水厂在改造过程中往往面临用地紧张，生化池无新建或扩建可能的问题。如何实现生化池的就地升级是实现更高排放标准的关键。继2008年无锡芦村污水厂升级改造之后[3]，移动床生物膜反应器(MBBR)工艺在国内得到了广泛应用[4-12]并取得了较好的效果，其对生化池的改造思路多为扩大缺氧区强化TN去除、缩小好氧区、好氧区硝化不足部分通过投悬浮填料载体予以强化。TP的去除则通常采用生物除磷辅以化学除磷相结合的方法。本文以缙云县某污水处理厂准Ⅲ类标准提标改造为例，分析了“MBBR+高效沉淀池+反硝化深床滤池”组合工艺在应对高标准出水水质上的运行效果，为类似污水厂的提标改造提供设计思路。

1 项目背景

缙云县某污水处理厂原处理规模为2×104m3/d，设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，尾水排入新建溪。新建溪光瑶断面是浙江省水环境自动监测断面，位于污水厂下游1.8 km，水质要求为Ⅲ类水质，目前该断面TP指标时有超标，NH3-N也有上升风险。随着浙江省地标的实施，并根据浙建城发〔2019〕108号文件“2019年完成全省100座城镇污水处理厂清洁排放技术改造”的任务和县政府“在全省率先实现污水处理厂出水NH3-N、TP指标达到地表Ⅲ类水标准”的要求，对该污水处理厂进行提标改造是十分必要的。改造后，出水NH3-N和TP要求执行地表水Ⅲ类标准，出水CODCr和TN按省地标现有厂标准执行。

2 改造前污水厂概况

2.1 改造前处理工艺及进、出水水质

改造前污水处理主体工艺采用缺氧/好氧(AO)工艺，深度处理工艺采用砂滤池直接过滤后通过紫外消毒渠消毒后达标排放，工艺流程如图1所示。

图1 改造前污水处理工艺流程图

通过对污水处理厂2018年4月—2019年3月连续12个月的进、出水水质监测数据进行统计分析，由表1可知，目前污水厂进水CODCr和SS略低于设计值，NH3-N和TP约为设计值的60%，BOD5远低于设计值，TN与设计值相近。各项出水指标基本满足一级A标准的设计水质。

表1 改造前设计与实际运行进、出水水质

各水质指标的出水达标率分析表明：虽然从年均值上看，TN出水指标与省地标接近，但日均值分析表明，目前出水TN仍未能稳定达到省地标现有厂的要求，而NH3-N和TP出水指标大部分均高于地表Ⅲ类水标准排放限值。因此，本次清洁排放提标改造工程主要考虑NH3-N、TN及TP的稳定去除。

2.2 原系统存在的问题

(1)本工程进水组成中工业废水约占50%，主要为服务范围内照明电器、厨具、模具加工、摩托车配件等五金机械加工行业废水，其出水含有一定量的金属或重金属离子。尽管在工艺流程上利用初沉池加药初沉以去除水中绝大部分金属或重金属离子，但未能被去除部分仍会在一定程度上抑制硝化细菌的新陈代谢，从而造成出水氨氮波动或不达标。现状进水BOD5均值为66 mg/L，BOD5/TKN仅为1.85，属于碳源严重缺乏的低强度进水水质。为满足脱氮需要，目前污水厂采用向生化池缺氧段投加乙酸钠作为碳源，以强化反硝化效果，后期也应维持相应的碳源投加。

(2)原系统中主体工艺为AO工艺，原设计混合液回流比为150%，污泥回流比为50%，理论脱氮效率为66.6%。受AO工艺本身特性制约，当进水TN为40 mg/L左右时，即使按最理想的条件计算，出水TN也在13 mg/L以上。

(3)缺少独立的生物除磷单元。剩余污泥的间歇式集中排放导致污泥在二沉池中停留时间较长，造成再次释磷，影响出水水质。现状用于化学除磷的砂滤池运行效果较差，加药后易板结。

(4)原系统采用紫外消毒设备，消毒效果不理想。且该污水厂经过一次提标和一次扩建后，消毒渠布置位置不合理，水力流程出现绕行。

3 改造思路

原系统改造需要充分考虑以下几点：①污水厂用地紧张，厂区征地红线范围内可用建设用地面积仅为3 800 m2，无生化池扩建空间，只能就地升级；②优先考虑强化原有生化池的硝化和反硝化功能进行脱氮，延长污泥龄，确保NH3-N达标，力争TN达标，不足部分依靠新建深度处理解决[4,13]；③提高生化池生物除磷效率，并辅以后置化学除磷保证出水达标[13]。

具体改造措施有以下几条。

(1)原AO池仅有缺氧区和好氧区两部分，为充分发挥生物除磷效果，在缺氧区前新增厌氧区，缺氧区不足部分由好氧区补足，好氧区不足部分则通过在好氧区投加填料，将其升级为移动床生物膜反应器(MBBR)。MBBR能实现同一反应器内不同功能微生物泥龄分离，生物膜泥龄长，有利于脱氮，活性污泥采用短泥龄，有利于除磷。考虑到寡碳源条件影响载体表面生物膜形成及生物膜内部反硝化效果，现状生化池缺氧区的碳源投加建议保留。

(2)新建高效沉淀池进行化学除磷，原砂滤池停用。高效沉淀池集混合、絮凝和沉淀于一体，布置集约紧凑，水力负荷高，污染物去除率高。

(3)新建反硝化深床滤池作为深度脱氮的保障，以满足尾水受纳水体日益严格的水质标准。反硝化深床滤池可以有多种运行模式，包括砂滤模式、生物反硝化模式和生物硝化模式[14]。其中，生物反硝化模式是其主要运行模式，通过投加碳源，激活滤料表面生物膜，实现反硝化脱氮。在二级处理出水TN过高，无法满足排放标准时启用，最大可以去除10 mg/L的硝酸盐氮，是稳定水质的有力保障。反硝化滤池应根据进、出水DO、COD和硝酸盐氮指标实现碳源的精准投加，同时采用恒水位控制滤池运行液位，避免高落差跌水导致进水DO增加，减少碳源消耗[15-16]。

(4)废除原紫外消毒渠，新建消毒接触池，采用次氯酸钠消毒。

(5)不停产施工设计：对生化池进行单座单格逐一改造，并待深度处理部分构筑物和管道实施完成后，短时停水进行快速切割。

4 改造方案设计

4.1 设计进、出水水质及去除率

按照浙江省生态文明建设新要求及县政府相关会议明确，出水NH3-N和TP需执行地表Ⅲ类水标准，CODCr和TN按省地标现有厂执行，BOD5和SS按一级A标准执行。设计进、出水水质及去除率如表2所示。

表2 设计进、出水水质及去除率

4.2 改造后处理工艺流程

综合考虑用地条件、处理效果、建设工期和运行成本等多方面因素，本次将原生化池改造成MBBR池，提升生物脱氮除磷能力，深度处理工艺采用“高效沉淀池+反硝化深床滤池+次氯酸钠消毒”。工艺流程如图2所示。

图2 改造后污水处理工艺流程图

4.3 主要构筑物工艺设计

4.3.1 MBBR池

本次MBBR池的工艺设计基于原AO生化池池型构造，将其分成厌氧、缺氧和好氧3个区，根据生化池进出水水质计算各区池容。首先保证厌氧区和缺氧区容积，好氧区不足部分通过投加悬浮填料来保证。MBBR生化池池容分配及改造示意图如表3及图3所示。

图3 MBBR生化池改造示意图

表3 生化池改造前后池容分配 (单座)

原AO池总尺寸为48 m×32.25 m×5.7 m(单座)，池内有效水深为5.2 m，总停留时间约为19 h，池体分成可独立运行的两格。在现有池型的基础上重新分配池容后，厌氧区池容为699 m3，停留时间为1.68 h；缺氧区池容为2 092 m3，停留时间为5.02 h；好氧区池容为5 114 m3，停留时间为12.27 h。好氧MBBR区填料的总有效生物膜面积约为2.06×105m2，有效比表面积≥450 m2/m3，填料填充率25%。从流化角度考虑，好氧池填料填充率应<67%，从运行能耗及维护管理角度考虑，一般要求填充率>15%。实际工程中，好氧池悬浮填料填充率一般为25%～60%[6]。设计污泥浓度为3.5 g/L(不包括填料上的生物膜)，DO为3～5 mg/L。混合液回流比调整至200%，污泥回流比调整至100%。主要配置搅拌机、进出水拦截网、辅助流化系统等。

4.3.2 高效沉淀池

高效沉淀池通过投加化学药剂，进一步去除二沉池出水中的TP、COD和SS。本工程高效沉淀池设计规模为2×104m3/d，总变化系数KZ=1.49，共1座，分独立运行的两格，混合时间为45 s，絮凝时间为11 min，斜管沉淀区设计表面负荷为10 m3/(m2·h)。主要配置搅拌机、刮泥机、污泥回流及污泥排放泵等。混凝剂采用碱式氯化铝(PAC)，助凝剂采用聚丙烯酰胺(PAM)，化学除磷量按1.0 mg/L计。

4.3.3 反硝化深床滤池

反硝化深床滤池设计规模为2×104m3/d，总变化系数KZ=1.49，共1座分4格，由滤池部分、反冲洗风机房、电控室、反冲洗清水储水池、反冲洗废水池及管廊组成。单格过滤面积为43.2 m2，采用石英砂滤料，滤料层厚度(不含承托层)为1.83 m。设计最大滤速为7.2 m/h，强制滤速为9.6 m/h。去除TN量按10 mg/L计，反硝化容积负荷为0.64 kg NO3-N/(m3·d)。采用气/水反冲洗模式进行反冲洗，水反冲洗强度为15 m/h，空气反冲洗强度为92 m/h，反冲洗周期为24～48 h。主要配置滤砖、石英砂、鹅卵石、反冲洗水泵、反冲洗风机系统及气源系统等。

滤池采用恒液位控制避免滤池进水过高的跌水造成溶解氧的增加。进、出水端设置在线监测仪表，实时监测进水水质和水量，以调整碳源投加比例。采用乙酸钠作为反硝化的碳源物质，在进水端混合池投加并混合。

此外，本次改造还新建消毒接触池1座，新增PAC、PAM和乙酸钠3套溶药及加药系统，于构筑物旁就近设置。

5 改造后运行情况

污水厂从2019年10月开始提标改造建设，于2020年4月完工。经调试试运行后，6月—12月的出水水质情况如表4和图4所示。

表4 改造后出水水质 (2020年6月—12月)

图4 NH3-N、TN和TP出水水质

(1)CODCr。改造后出水CODCr基本在20 mg/L以下，远低于设计标准值。经初步推测，可能存在以下两方面的原因：一是原生化池升级为MBBR池后所形成的泥膜复合工艺增加了系统内菌群的多样性，延长了污泥龄，增强了难生物降解有机物的生物降解效果；二是高效沉淀池的混凝沉淀作用和反硝化深床滤池的过滤作用进一步提高了有机物的去除率。

(2)NH3-N和TN。在投加填料约2个月后，整个系统运行状况良好，NH3-N的出水水质基本稳定维持在1 mg/L以下，尤其是在冬季水温较低不利于硝化时，NH3-N的出水水质也能稳定达标，表现出了MBBR工艺对低温的适应性。污水厂冬季氨氮不达标的主要原因在于冬季硝化细菌生长更为缓慢，所需泥龄长，而MBBR系统中的生物膜为生长缓慢的硝化细菌提供了非常有利的生存环境，低温时优势尤为明显[3]。

本工程TN的去除可以分为生化池缺氧段的前置反硝化和反硝化深床滤池的后置反硝化两部分[15,17]。根据进水水质碳源严重缺乏的特点，运行时向生化池缺氧段投加碳源约60 mg/L(折合BOD5)，使进水BOD5/TKN维持在3.5左右，尽可能发挥前置反硝化的潜能，以降低后置反硝化的负荷和碳源投加量。反硝化深床滤池的碳源投加量视进出水水质调整，据污水厂反馈，在冬季低温月运行时，反硝化深床滤池的碳源投加量约为生化池缺氧段投加量的50%。当水质波动较大或者温度等原因导致前置反硝化效率降低时，后置反硝化深床滤池是确保出水TN稳定达标的重要保障。

(3)TP和SS。TP通过生物和化学作用共同去除，出水稳定维持在0.2 mg/L以下，达到地表Ⅲ类水标准。本次改造用高效沉淀池替代原有砂滤池后，混凝剂的投加量较之前增加50%～60%，化学除磷作用增强。出水SS稳定在6 mg/L以下，SS的高效去除同时保证了出水TP的稳定达标。

6 技术经济分析

本工程总投资为2 590.76万元，其中建安工程费用为2 214.83万元，其他费用为300.47万元，预备费为75.46万元，建设期贷款利息不计。污水厂原吨水处理费用约为0.6元，经提标改造后，吨水处理费用为1.1元，增加的处理费用主要包括电费、药剂费以及污泥处置费等。

7 结论与建议

本提标改造工程工艺设计特点：(1)对原系统进、出水水质进行充分可靠的数据分析，确定重点污染物，有针对性地选择处理工艺；(2)在用地紧张的情况下，通过原生化池MBBR改造，充分挖掘其处理能力；(3)通过高效沉淀池和反硝化深床滤池的联用，实现同步高效除磷和脱氮，并进一步去除SS和CODCr，实现了用地少、出水水质高的目标。改造后，出水由一级A标准提高至地表水准Ⅲ类标准，深度处理部分吨水占地约为0.19 m2/(m3·d)，全厂吨水占地约为1.18 m2/(m3·d)。本项目的设计经验对出水水质要求高、用地紧张、有不停产施工等要求的类似污水厂的提标改造提供一定的参考。

本工程属于碳源严重缺乏的低强度进水水质。目前污水厂采用向生化池缺氧段和反硝化深床滤池内投加乙酸钠作为碳源，取得了较好的脱氮效果，但碳源总体消耗量较大。污水经初沉池沉淀后会降低后续生化反应所需的碳源，建议在实际进水SS不大于200 mg/L时超越初沉池运行[18]，在保证出水水质的前提下判断是否能减少碳源的投加量。当二沉池出水TN能稳定达到小于12 mg/L的排放标准时，反硝化深床滤池也可以改为砂滤模式运行。