生物倍增工艺在某污水厂的应用与能效分析

王黎伟，王利林，朱家麒，刘 伟

（武汉市汉阳市政建设集团有限公司，湖北武汉 430000）

生物倍增工艺（BDP）是德国恩格拜环保技术公司在多年污水处理实践中开发的一种先进的污水处理技术〔1〕。该工艺是一种以汽提循环流动为主要特点，将活性污泥区和固液分离区建在同一构筑物中，将供氧曝气、污泥沉降分离和污泥回流功能集于一体的新型活性污泥工艺〔2〕。将该工艺应用于市政污水处理厂时可分为厌氧释磷区、汽提区、低氧曝气区和固液分离区4 部分，风机供气兼具供氧、推流和提升多功能，实现一气多用〔3〕。BDP 系统内污水的回流量与系统处理水量比值为15～20，低氧曝气区是在高污泥质量浓度（5～8 g/L）和低溶解氧（0.3～0.5 mg/L）的工况下运行，属于延迟曝气工艺〔4〕。

1 工程概况

黄陵污水处理厂位于武汉市沌口经济开发区，占地约20 万m2。一期采用STCC/紫外消毒的传统工艺，设计规模为3 万t/d，主要处理来自沌口开发区市政管网收集的城市污水，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。

近年来，随着开发区的发展，污水总量增加，工业废水比例变大，水质成分复杂程度加剧。原一期工程污水处理工艺不再适合二期扩建项目，经过工艺比选，最终确定采用BDP 作为二期扩建的核心工艺，并为污水处理厂三期扩建提供参考。

一期工程中预处理单元（包括粗格栅除污机、进水泵房、细格栅除污机及旋流沉砂池）在建设初期已考虑二期扩建容量，二期扩建项目不需要新建。二期扩建工程新建一座处理能力为6 万t/d 的BDP 池，一座处理能力为9 万t/d 的高密度沉淀池，一座处理能力为9 万t/d 的精密过滤器，一座处理能力为9 万t/d 的消毒池。黄陵污水处理厂二期扩建项目于2021 年初完成全部建设任务并投入使用，已稳定运行近2 a。

BDP 作为二期扩建的核心工艺，来水碳氮比约在1.9≤BOD5/TN≤2.8，在未补充碳源的前提下，能耗与传统工艺相比减少28%以上，出水主要指标均能稳定满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A 标准。

2 工艺结构和流程

黄陵污水处理厂二期扩建工程的工艺流程及BDP 系统平面示意见图1、图2。

图1 扩建工程的工艺流程Fig.1 Process flow of expansion project

图2 BDP 系统平面示意Fig.2 Diagrammatic layout of BDP system

预处理单元出水通过重力作用流入BDP 系统厌氧区前端的布水器，沉淀区底部有大流量的回流混合液，可与进水瞬间完成混合，降低进入BDP 系统污水各污染物的浓度〔5〕。厌氧区为密闭环境，产生的臭气由收集管送入到一体化废气生物处理设备进行除臭处理，厌氧区采用机械推流器，使该区活性污泥始终处于悬浮活性状态，避免出现大量厌氧污泥漂浮现象，有利于促进污水中微生物对有机物的吸收利用，使聚磷菌充分进行厌氧释磷，为聚磷菌完成好氧吸磷做准备。

在厌氧区完成有机物吸收与释磷后的泥水混合液在曝气推流提升的作用下进入曝气区。曝气推流提升设备可为混合液提供动能、势能以维持必要的水力循环，同时为BDP 系统曝气区进水预曝气，一定程度上提高曝气区进水溶解氧，减少曝气区的供氧负荷，有利于曝气区整体溶解氧的控制。

曝气区采用微孔管曝气技术，曝气区整体的溶解氧控制在0.3～0.5 mg〔6〕。曝气区溶解氧仪实时采集溶解氧数据，依据溶解氧数值所在区间，由控制系统设定或操作人员选择合适的鼓风机运行频率，改变空气供应量，从而达到稳定曝气池中溶解氧的目的。风机频率变化后，水中的溶解氧变化有比较长的时间滞后性，需间隔1 h 以上待溶解氧再次趋于稳定，方可依据条件判断是否进行风机频率的再次调整。

沉淀区的结构分为斜板澄清单元、刮泥排泥单元和底部循环通道3 部分。斜板澄清单元主要起泥水分离功能，循环液从底部经由斜板斜管完成泥水分离。清水由上部清水区的溢流堰收集离开BDP 系统。污泥沉降到固液分离区底部完成污泥浓缩过程，一部分在水体动能推动下进入BDP 系统厌氧区，与BDP 系统进水充分混合后，开始新的污水处理循环，剩余污泥可借用重力或机械设备流入污泥储池中，之后经过污泥泵送入脱水机房进行脱水处理。

3 工艺设计参数

BDP 系统基本设计参数及设计进出水水质见表1 和表2。

表1 BDP 系统基本设计参数Table 1 Design parameters of BDP system

表2 BDP 系统设计进出水水质Table 2 The design inlet and outlet water quality of BDP system mg/L

4 实际运行效果

4.1 对COD 的去除效果

连续运行1 a，BDP 系统对COD 的去除效果见图3。

图3 BDP 系统对COD 的去除效果Fig.3 The removal effect of COD by BDP system

由图3 可见，BDP 系统对有机污染物的去除效果显著。出水COD 可长期稳定在50～80 mg/L，出水平均BOD5为1.50 mg/L，COD、BOD5最高去除率分别达85%和95%。分析原因为原污水进入BDP 系统后，在极短时间内与约15～20 倍进水流量的污泥回流混合液均匀混合，污水中污染物得到一定程度的稀释，同时增加了污水在BDP 系统中的停留时间，再加上高污泥浓度环境下微生物较强的初期吸附与微生物降解作用，使污水经过厌氧区、微孔曝气区后，COD 可迅速降低。

BDP 系统出水底物质量浓度为ρ0，进水质量浓度为ρ1，进水流量为qV，N为回流比，回流流量为NqV，则混匀后的底物质量浓度ρ0′计算见式（1）。

因此，当N取15～20 时，BDP 系统每个循环起点与终点COD、TN、NH3-N、TP 差分别为10～20、3～4、3～4、0.25～0.30 mg/L。该质量浓度差也称为生物反应器推动力，可认为BDP 系统为接近均质型全混生物反应器，具有优秀的抗冲击负荷能力，为微生物代谢提供稳定的环境。

4.2 对氨氮的去除效果

传统的污水处理工艺设计与运营中，曝气区内溶解氧宜控制在3～5 mg/L，且要求好氧池末端区域溶解氧不应低于2 mg/L。BDP 系统采用低溶解氧过程运行，图4 给出了BDP 系统运行1 a 的氨氮去除情况。

图4 BDP 系统对氨氮的去除效果Fig.4 The removal effect of ammonia nitrogen by BDP system

由图4 可以看出，BDP 系统在低溶解氧（0.3～0.5 mg/L）下，氨氮的去除效果依然稳定。在冬季低温时依旧保持稳定运行，硝化与反硝化过程未受温度的影响，对氨氮的去除率可保持在90%～100%。分析认为一方面是BDP 系统污泥浓度高，微孔曝气释放小而密集的气泡很快与污泥絮体形成三相混合体，微小气泡可直接为污泥提供氧气，因此即使混合液的溶解氧较低，也能保证生物絮体氧气的供应，从而维持较高的微生物硝化活性。可以说，BDP 系统曝气区溶解氧浓度不超过0.5 mg/L 正是曝气区活性污泥充分利用溶解氧的宏观表现。

4.3 对TN 的去除效果

该厂实际收集的城市污水属于典型的低碳氮比市政污水，BOD5/TN 约为1.9，BDP 系统仍表现出了对TN 的良好去除效果。图5 为污水处理厂的2022 年1 月至12 月BDP 系统进出水TN 情况。

图5 BDP 系统进出水TN 数据Fig.5 TN of influent and effluent water of BDP system

从图5 可以看出，在没有添加任何外部碳源的情况下，对TN 的去除率最高达到80%左右。而且BDP 系统出水中NO2--N 约占TN 的76%，NO3--N 约占TN 的16%。

传统的活性污泥生物脱氮理论认为，由于硝化菌和反硝化菌在生物代谢原理上的诸多不同，多采用分别为两类菌提供适宜各自生存的空间环境（如AO、AAO、氧化沟等），才能使不同微生物各司其职共同完成脱氮任务〔7〕。传统的接触氧化生物脱氮理论认为，硝化菌和反硝化菌分布在生物膜外层和内层，才能使不同微生物各司其职共同完成脱氮任务〔8〕。而BDP 系统形式上虽然与传统的活性污泥相似，均为悬浮污泥状态，但脱氮原理却与接触氧化的硝化反硝化原理更加接近。BDP 系统低氧曝气区高的污泥浓度与微孔曝气释放小而密集的气泡形成三相混合体，与气泡直接接触或邻近的污泥絮体可获得一定的氧供应量，使该区域呈现局部好氧特征，氧供应量不足抑制了硝酸菌的代谢过程，限制了亚酸酸盐向硝酸盐的转变。因此局部好氧区域以亚硝化过程为主，主要产物为亚硝酸盐；三相混合体内部远离气泡的污泥絮体获得的氧供应较少，该区域呈现局部缺氧或缺氧特征，以亚硝酸盐的反硝化过程为主。微曝气区未被反硝化的亚硝酸盐随污水回流到厌氧池，继续进行亚硝酸盐的反硝化过程。厌氧池除反硝化过程外，还可能存在厌氧氨氧化的作用，将亚硝酸盐与氨氮转变为氮气。综合而言，推测BDP 系统曝气区通过限制溶解氧实现硝化反硝化耦合短程反硝化工艺，并辅厌氧区厌氧氨氧化作用，实现对污水的TN 脱除。

4.4 对TP 的去除效果

图6 是系统稳定运行期间BDP 系统进出水TP数据。

图6 BDP 系统进出水TP 数据Fig.6 TP of influrnt and effluent water of BDP system

由图6 可见，BDP 系统对TP 的平均去除率能达到70%以上，BDP 系统出水TP 稳定在0.5～1.0 mg/L。BDP 系统出水进入高密度除磷单元处理后可保证污水处理厂出水TP 低于0.5 mg/L 达标排放〔9〕。

4.5 对SS 的去除效果

图7 是系统稳定运行期间BDP 系统进出水SS数据。

由图7 可以看出，BDP 系统出水SS 基本维持在20 mg/L 左右。BDP 系统沉降区设斜板结构，两组填料上下布置，基于浅层原理配合底部超大循环流量，既确保沉降区底部沉降的污泥可及时回流到BDP 系统厌氧区维持微生物系统必要的污泥浓度，又能满足上清液出水达到排放标准。

5 运行能效分析

将设计规模均为6 万t/d 的BDP 系统与传统AAO+配水井+二沉池工艺进行能效比较。两种工艺所需要的设备及能耗清单详见表3，不含剩余污泥设备能耗。

表3 设备及能耗清单Table 3 List of equipment and energy consumption

5.1 风机能耗比较

处理规模均为6 万t/d 的BDP 系统与传统AAO+配水井+二沉池工艺相比，在风机的风量、风压、功率上要求基本一致。传统AAO 工艺所用风机需为好氧区提供2～5 mg/L 的溶解氧，而BDP 系统曝气区只需要维持0.3～0.5 mg/L 的溶解氧，实际需氧量约为传统AAO 工艺的10%，风机所供其他气量主要用于BDP 系统提气与推流，在提气与推流过程中完成部分氧转移，实现风机供气的一气多用，充分利用了风机供气的动能、势能。

与传统AAO+配水井+二沉池相比，BDP 系统对风机供气和能量上的利用程度更高。

5.2 推流器能耗比较

同处理规模BDP 系统与传统AAO+配水井+二沉池工艺相比，BDP 系统仅需要在厌氧区设置推流器，推流器能耗为0.018 0 kW·h/t，其他区域推流动力完全由风机提供。AAO 为实现其功能，需在厌氧区、缺氧区、好氧区设置推流设备，该部分能耗为0.040 0 kW·h/t，其总能耗约为BDP 系统的2.2 倍。

5.3 刮泥与污泥回流能耗比较

传统AAO+配水井+二沉池工艺刮泥设备的能耗为0.000 9 kW·h/t；BDP 系统排泥行车设备的能耗为0.002 4 kW·h/t。

BDP 系统污泥回流设备的能耗为0.025 6 kW·h/t；传统AAO+配水井+二沉池工艺污泥回流设备的能耗为（1 760+2 640）/60 000=0.073 3 kW·h/t，其能耗约为BDP 系统的2.8 倍。

由表3 数据对比分析可知，同处理规模BDP 系统能耗为0.174 0 kW·h/t，传统AAO+配水井+二沉池工艺能耗为0.242 2 kW·h/t，BDP 系统在污泥回流和流体推动上能量利用效率优势明显。BDP 系统可减少污水运行能耗约0.068 2 kW·h/t，电费成本可降低约28%。电费按1 元/（kW·h）估算，设计规模为6万t污水处理厂可节省电费约148.9 万元/a。

6 药耗分析

6.1 碳源投加费用对比

随州市城南水处理厂采用传统AAO+配水井+二沉池工艺，设计规模5 万t/d，2022 年全年投加乙酸钠93.7 t。

武汉市阳逻水处理厂采用传统氧化沟（AAO）+配水井+二沉池工艺，设计规模为5 万t/d，2022 年全年投加乙酸钠120.8 t。

若武汉市黄陵水处理厂采用传统AAO+配水井+二沉池工艺，设计规模为6 万t/d，全年碳源投加量约为112～145 t。采用BDP 工艺后可节省该费用。

6.2 其他药剂费用对比

BDP 系统与传统AAO+配水井+二沉池工艺出水水质相当，后续高密度沉淀池、消毒池单元对絮凝剂和消毒剂用量基本相当，该部分药剂投加费用可认为一致。

综上，同处理规模BDP 系统与传统AAO+配水井+二沉池工艺在药剂投加费用上相比，BDP 系统比传统AAO+配水井+二沉池低，且该部分差额为AAO的碳源投加费用。设计规模为6 万t/d，污水处理厂采用BDP 系统，全年可节省碳源药剂费20～27 万元。

7 结论

1）BDP 采用低溶解氧、高污泥浓度、大回流比运行方式，对污水中COD 与BOD5有可靠的去除效果，去除率可保持在85%和95%以上，大量活性污泥回流使BDP 系统具有良好的抗污水负荷冲击特性。污水厂运行2 a 来，出水水质稳定。

2）BDP 系统曝气区的低溶解氧环境，低P、N 条件运营期间，活性污泥始终保持良好的沉降絮凝性能，未发生污泥丝状膨胀等事故。系统进水1.9≤BOD5/TN≤2.8 时，BDP 系统在不投加碳源的情况下对TN 的去除率最高可达80%，对TP 的平均去除率达到70%以上，表明BDP 系统处理碳源不足的市政污水具有优越性。

3）BDP 系统结构布局紧凑，土地利用率高，与传统AAO+二沉池工艺相比设备能耗可降低28%以上，药剂成本也有一定程度的节约，对于污水处理厂提升改造项目具有一定的参考价值。