MBBR工藝應(yīng)用于市政污水處理的系列解決方案探討 01 MBBR工藝簡介1.1 泥膜復(fù)合MBBR工藝和純膜MBBR工藝 MBBR工藝最早應(yīng)用于北歐，解決了傳統(tǒng)活性污泥法（Activated Sludge, AS）占地大、低溫耐受性差的問題。...

MBBR工藝應(yīng)用于市政污水處理的系列解決方案探討

01
MBBR工藝簡介1.1 泥膜復(fù)合MBBR工藝和純膜MBBR工藝
MBBR工藝最早應(yīng)用于北歐，解決了傳統(tǒng)活性污泥法（Activated Sludge, AS）占地大、低溫耐受性差的問題。其微生物主要附著在懸浮載體上，不設(shè)置污泥回流，不富集懸浮態(tài)污泥，本質(zhì)是一種連續(xù)流、移動床、生物膜法生化處理技術(shù)，屬于生物膜法流化床技術(shù)的進一步升級。2008年，國內(nèi)江蘇無錫蘆村污水廠作為我國首座進行一級A提標改造的污水廠，在活性污泥系統(tǒng)中投加懸浮載體強化生化處理效果獲得成功。該工藝系統(tǒng)在設(shè)備上與MBBR工藝類似，但生化系統(tǒng)主體仍為活性污泥，懸浮載體生物膜用于強化硝化，實質(zhì)上是活性污泥-生物膜復(fù)合系統(tǒng)。為區(qū)分兩類工藝，將MBBR工藝作為采用懸浮載體相關(guān)工藝技術(shù)的統(tǒng)稱，根據(jù)微生物的存在形式，分為泥膜復(fù)合MBBR工藝（IFAS）和純膜MBBR工藝（Pure MBBR）。兩者均為連續(xù)流，前者以活性污泥為主體，后者以生物膜為主體。兩類MBBR工藝均包含懸浮載體及其配套的攔截、流化、進出水系統(tǒng)，但由于微生物的存在方式不同致使兩種工藝存在關(guān)鍵性差異。

①工藝本質(zhì)不同：泥膜復(fù)合MBBR工藝本質(zhì)仍為活性污泥法，污染物去除以活性污泥為主，生物膜為輔。圖1分別展示了泥膜復(fù)合MBBR工藝和純膜MBBR工藝中懸浮載體生物膜。在泥膜復(fù)合MBBR工藝系統(tǒng)中，由于泥、膜共存，二者存在競合關(guān)系，使得生物膜活性不能完全表達。以硝化細菌富集為例，泥膜系統(tǒng)中硝化細菌在懸浮載體上相對豐度一般為3%～15%，遠遠高于其在活性污泥中的相對豐度，體現(xiàn)了生物膜富集硝化細菌的獨特優(yōu)勢。但受實際運行調(diào)控的影響，變化范圍較大。純膜MBBR工藝本質(zhì)為生物膜法，污染物去除主要依賴于附著態(tài)的生物膜完成，生物膜對于核心功能菌的富集能力更強，純膜系統(tǒng)中懸浮載體上硝化細菌相對豐度一般為10%～25%，且不受懸浮態(tài)微生物競爭影響，生物膜性能得以充分釋放，不僅除污效率高，其環(huán)境抗逆性也更強；
②工藝流程不同：如圖2所示，純膜MBBR工藝的特點是不富集活性污泥，無需污泥回流，所以與泥膜復(fù)合MBBR工藝相比，在工藝流程上可不設(shè)二沉池，出水直接進入高效固液分離工藝，如磁混凝沉淀等，工藝流程更加集約，占地大幅縮減；
③解決問題不同：泥膜復(fù)合MBBR工藝主要目的是強化活性污泥系統(tǒng)的處理性能，解決活性污泥負荷不足的問題；純膜MBBR工藝主要解決污水處理構(gòu)筑物占地大、流程長、效率低的問題；純膜MBBR工藝的應(yīng)用方式更加靈活，應(yīng)用范圍更加廣泛。
泥膜復(fù)合MBBR工藝（左）與純膜MBBR工藝（右）懸浮載體生物膜
泥膜復(fù)合MBBR工藝（A）與純膜MBBR工藝（B）流程
1.2 純膜MBBR工藝與BFM工藝
純膜MBBR工藝在國內(nèi)的工程應(yīng)用報道最早始于微污染水處理，用于解決低基質(zhì)條件下氨氮去除問題，出水氨氮可穩(wěn)定低于0.5mg/L，達到高排放標準要求。低基質(zhì)條件下，活性污泥難以有效富集，此時純膜MBBR類生物膜法是對活性污泥法的替代，并獲得了良好的應(yīng)用效果。純膜MBBR工藝在微污染水領(lǐng)域的成功應(yīng)用、國外市政污水處理的成功經(jīng)驗奠定了其作為生化核心工藝用于國內(nèi)市政污水處理的可行性。國內(nèi)相關(guān)學者通過中試，研究了純膜MBBR用于市政污水的處理，獲得了良好的效果。相比活性污泥法，純膜MBBR工藝具有更高的處理效率和更強的抗沖擊負荷能力。同時，純膜MBBR工藝不再富集活性污泥，避免了污泥膨脹等活性污泥問題對于污水廠運營安全性的威脅，提高了污水運維的簡便性。

膜MBBR工藝作為生化工藝用于市政污水處理，核心功能在于脫碳和脫氮，而針對污水廠核心污染物控制指標，純膜MBBR工藝應(yīng)用的一個關(guān)鍵點就是固液分離以及深度除磷工藝的選擇。①對于固液分離：在泥膜復(fù)合MBBR工藝中，生物膜核心功能是硝化，所以主要以富集自養(yǎng)菌為目的，由于自養(yǎng)菌泥齡較長、脫落較少，污泥產(chǎn)量低，所以混合到普通污泥中占比極低，對后續(xù)固液分離基本沒有影響；并且泥膜復(fù)合MBBR工藝在流程上存在二沉池和深度處理兩段固液分離工藝，SS去除較為徹底。而在純膜MBBR工藝中，生物膜不僅要完成硝化，還需執(zhí)行脫氮、脫碳的功能，出水SS存在區(qū)別于傳統(tǒng)活性污泥法的特征：以市政污水處理為例，一方面脫落的生物膜含水率比活性污泥低，易于聚集沉降，同時脫落生物膜EPS含量較高，停留時間長時易發(fā)生內(nèi)源反硝化導(dǎo)致產(chǎn)氣上?。涣硪环矫?，純膜MBBR工藝系統(tǒng)SS增量在50～150mg/L，致使其出水SS濃度高于一般深度處理工藝的進水值（10～50mg/L），而遠低于傳統(tǒng)二沉池的進水值（4000～6000mg/L）。所以，固液分離工藝不僅需要較快的沉降時間，而且需具備較高的固體通量，以一段沉降實現(xiàn)穩(wěn)定的泥水分離過程。國內(nèi)外曾嘗試采用傳統(tǒng)沉淀、氣浮等工藝，但單獨使用均難以實現(xiàn)SS穩(wěn)定低于10mg/L的目標，需聯(lián)合其他固液分離工藝，與活性污泥法流程類似。②對于除磷：由于純膜MBBR工藝不設(shè)厭氧區(qū)，不具備傳統(tǒng)生物除磷過程，雖有0.5%-1.0%的同化除磷過程，但主要依賴于化學除磷，所以需除磷效率高、排放標準高的化學除磷工藝。磁混凝沉淀工藝具備固液分離效果好、污泥沉降速度快、固體通量負荷高的優(yōu)勢，是純膜MBBR工藝固液分離工藝較好的選擇。該工藝通過磁粉的加載可獲的TP<0.1mg/L、SS<5mg/L的高排放標準。為簡化表述，將純膜MBBR耦合磁混凝沉淀工藝簡稱為BFM工藝（Biofilm & Magnetic），工藝流程如圖3所示。BFM工藝繼承了純膜MBBR工藝的優(yōu)勢，具備核心脫氮除磷功能，且流程上省去了傳統(tǒng)意義的二沉池，更加集約緊湊，使得占地大幅度縮減。BFM工藝是我國基于純膜MBBR工藝處理市政污水的主要應(yīng)用形式，獲得了良好的工程應(yīng)用效果。但在BFM工藝應(yīng)用過程中需注意：①純膜MBBR系統(tǒng)中填充率更大，對于水力流化要求更高；②磁混凝沉淀需解決脫落生物膜黏性強裹挾磁粉導(dǎo)致磁粉回收率降低問題，需進行針對性工藝改良；③整個系統(tǒng)停留時間短，對于控制要求高，應(yīng)匹配自控技術(shù)，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進理念，實現(xiàn)云平臺管理，通過工藝及設(shè)備優(yōu)化、系統(tǒng)集成，確保BFM工藝實現(xiàn)高效運行。
純膜MBBR工藝與BFM工藝
02
因地制宜的污水處理解決方案
MBBR兩種工藝形式的應(yīng)用，為多場景污水處理系統(tǒng)新、改、擴建提供了多種技術(shù)路線，解決了污水處理面臨的用地少、標準高、難穩(wěn)定等難題，展現(xiàn)出了獨特的工藝優(yōu)勢。針對市政污水處理，已形成4種主要的解決方案，如圖4所示。解決方案I為泥膜復(fù)合MBBR工藝原池改造，通過在生化系統(tǒng)鑲嵌懸浮載體系統(tǒng)，實現(xiàn)原池提標以及小幅度提量，并進一步形成了4條技術(shù)路線；解決方案II為BFM工藝原位改造，通過將活性污泥系統(tǒng)改造為生物膜系統(tǒng)，大幅度提升處理負荷，可實現(xiàn)污水處理能力2-4倍的提升；解決方案III在已有系統(tǒng)后端新建BFM工藝，對污水廠尾水深度脫氮除磷，實現(xiàn)更高排放標準；解決方案IV在原廠內(nèi)少量空地上新建BFM旁位系統(tǒng)，實現(xiàn)原廠分流或提量。
基于MBBR工藝的系列解決方案
2.1 解決方案I-泥膜復(fù)合MBBR工藝原池改造
解決方案I為國內(nèi)最早成功應(yīng)用的泥膜復(fù)合MBBR工藝原池改造方案。通過向活性污泥系統(tǒng)中原池投加懸浮載體的形式簡單易行，且效果穩(wěn)定。在不新增用地的情況下，強化了生化段處理性能?？蓪崿F(xiàn)污水廠原位提標以及小幅度提量的需求。在泥膜復(fù)合MBBR工藝系統(tǒng)中，為了充分發(fā)揮生物膜長泥齡的優(yōu)勢，懸浮載體會優(yōu)先選擇投加在好氧區(qū)，以執(zhí)行硝化功能為主。圖5以AAO工藝改造為例，列舉了常用的4條技術(shù)路線。…………………

泥膜復(fù)合MBBR工藝原位改造
生化池改造示意圖
技術(shù)路線i為好氧區(qū)直接投加懸浮載體。該技術(shù)路線土建施工少，僅需要通過在好氧區(qū)設(shè)置填充區(qū)域，增設(shè)攔截系統(tǒng)，即可實現(xiàn)原位強化硝化的目的，滿足氨氮高標準排放的要求。如河北某污水廠2020年進行提標改造，出水水質(zhì)在原一級A標準的基礎(chǔ)上，氨氮、TP、COD需提標至地表V類水標準。本次提標改造設(shè)計水溫10℃，核心難點在于低溫條件下實現(xiàn)穩(wěn)定的硝化過程。采用技術(shù)路線i實施，改造前后平面布置示意圖如圖6-i 所示，通過在好氧區(qū)中段投加懸浮載體實現(xiàn)了原池強化硝化的目標，改造完成后出水氨氮<0.5mg/L，均值為0.37mg/L，氨氮去除率99.2%。得益于良好的硝化效果，反硝化過程也進一步被強化，出水TN均值7.37mg/L，較改造前降低3~4mg/L。
技術(shù)路線ii和iii均針對系統(tǒng)需同時強化硝化和反硝化而設(shè)置。相較于技術(shù)路線i，技術(shù)路線ii和iii的核心區(qū)別是對生化池容比例進行了再劃分，且同時增加了缺氧區(qū)的池容。不同點在于技術(shù)路線ii增加了前缺氧區(qū)池容，系統(tǒng)仍以AAO工藝運行；技術(shù)路線iii則增加了后缺氧區(qū)，形成了AAOAO工藝形式。原水碳源充足時，技術(shù)路線ii更具有經(jīng)濟優(yōu)勢；對出水TN要求高，TN去除率要求較高，或原水碳源不足時，技術(shù)路線iii更具有效果優(yōu)勢。
污水廠設(shè)計規(guī)模10×104m3/d，2018年進行提標改造，要求出水水質(zhì)由一級B提升至一級A。本次提標改造需同時強化硝化和反硝化。采用技術(shù)路線ii實施，改造前后平面布置示意圖如圖6-ii所示。針對TN的去除，現(xiàn)狀缺氧區(qū)停留時間不足，改造后將部分好氧區(qū)設(shè)置成缺氧區(qū)，缺氧區(qū)的停留時間由2.5h延長至3.47h。在好氧區(qū)中段原位投加懸浮載體解決好氧區(qū)硝化能力不足的問題。改造完成后出水氨氮均值低于0.5mg/L，TN均值低于8mg/L，脫氮效果明顯優(yōu)于改造前。浙江某污水廠設(shè)計水量16×104m3/d，原出水執(zhí)行一級B標準，2017年進行提標改造，出水水質(zhì)需跨級提標至準IV類水，其中出水TN低于10mg/L。針對高TN去除要求，本項目采用了技術(shù)路線iii進行生化池的原池改造，將AAO工藝改為AAOAO工藝，改造前后平面布置示意圖如圖6-iii。將原好氧區(qū)池容切割出一部分改為后缺氧區(qū)和后好氧區(qū)，并在主好氧區(qū)投加懸浮載體。改造完成后主好氧區(qū)停留時間由7.8h降低至5.3h，增加后缺氧區(qū)和后好氧區(qū)停留時間分別為1.9h和0.6h。實際運行效果顯示，雖然好氧區(qū)HRT降低，但由于懸浮載體的加入，保障了生化段出水氨氮穩(wěn)定低于0.5mg/L，抗沖擊性能得到明顯提升；生化段出水TN低于8mg/L，較改造前多去除了8.2mg/L，實現(xiàn)了原池強化脫氮的目的。
特殊情況下，由于池型的限制或延長缺氧區(qū)HRT仍不能解決TN去除的問題，則會選擇在好氧區(qū)和缺氧區(qū)同時投加懸浮載體分別強化硝化和反硝化過程，形成技術(shù)路線iv，如唐山某污水廠提標改造項目。該污水廠設(shè)計水量6×104m3/d，提標改造工程需將出水水質(zhì)由二級標準跨級提標至一級A標準。項目生化池原采用卡魯塞爾氧化溝工藝，采用技術(shù)路線iv實施原池改造后平面布置示意圖如圖6-iv所示。通過將卡魯塞爾氧化溝的內(nèi)外圈分別連接，形成了外圈套內(nèi)圈的形式。其中內(nèi)圈為好氧區(qū)，外圈為缺氧區(qū)，均投加懸浮載體。改造完成后，在進水水質(zhì)超標且大范圍波動的情況下，生化系統(tǒng)出水氨氮、TN均值分別為1.6mg/L、13.0mg/L，系統(tǒng)出水穩(wěn)定，且具備較強的抗低溫性能以及抗水質(zhì)沖擊能力。
解決方案I采用泥膜復(fù)合MBBR工藝的形式實現(xiàn)原池提標改造，是目前應(yīng)用最廣泛的解決方案。除常規(guī)的AAO系列外，也已成功應(yīng)用于其他各類生化工藝的改造，如氧化溝，SBR類工藝如MSBR、CAST等，均獲得了良好的應(yīng)用效果。表1對比了4條技術(shù)路線在原廠提標中的優(yōu)勢以及適用場景。需要說明的是，解決方案I用于污水廠原池提量，需考慮二沉池的表面負荷承受能力，原池提量一般不超過1.5倍的設(shè)計水量。
解決方案I-4條技術(shù)路線對比
2.2 解決方案II-BFM原池改造
解決方案II為采用BFM工藝對生化系統(tǒng)進行原位改造。與泥膜復(fù)合MBBR工藝原位改造不同，在BFM工藝改造過程中，二沉池不再是全廠處理能力提升的限制性因素，對于提量可達設(shè)計水量的2倍以上。同時，在改造方式上BFM工藝更加靈活，不僅適用于常規(guī)污水廠的改造，還適用于SBR等間歇流工藝的連續(xù)流改造、MBR等無二沉池工藝的節(jié)能改造等特殊情形。
污水廠設(shè)計水量3×104m3/d，出水執(zhí)行一級B標準，2020年進行一級A提標改造。該廠原工藝流程如圖7A所示，原生化處理工藝包括UASB厭氧池、高負荷生物濾池、固體接觸池和二沉池。但本次改造區(qū)域只涉及固體接觸池和二沉池，并且僅有少部分用地可用于新建。由于固體接觸池的停留時間僅有1.08h，遠不能滿足提標需求，所以本項目創(chuàng)新性的將二沉池改造為純膜MBBR工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)了二沉池的高效利用，改造完成后純膜MBBR工藝段總停留時間達到10.8h。新建磁混凝沉淀工藝總占地僅為448m2。改造完成后工藝流程如圖7B所示。通過對傳統(tǒng)磁混凝沉淀工藝高剪機、磁分離機等核心設(shè)備的改良，實現(xiàn)了磁粉回收率大于99.5%的目標，解決了脫落生物膜黏性強包裹磁粉降低磁粉回收率問題。同時也在工程中進一步驗證了磁混凝沉淀作為純膜MBBR后端工藝的合理性，以一次沉淀實現(xiàn)徹底固液分離問題。改造完成后BFM工藝出水水質(zhì)COD、BOD5、TN、NH3-N、TP分別為16.18mg/L、 2.50mg/L 、11.57mg/L 、1.46 mg/L、 0.17mg/L，出水經(jīng)消毒后直接外排，未新增過濾等其他深度處理工藝，實現(xiàn)了原廠提標的目標。
污水廠提標改造前后工藝流程圖（A-改造前；B-改造后）
2.3解決方案III-后置BFM深度脫氮除磷
解決方案III為在已有系統(tǒng)后新建BFM工藝實現(xiàn)深度脫氮除磷，不改動原有生化系統(tǒng)，可實現(xiàn)污水廠的進一步提標或解決由于污水廠提量所引起的原工藝處理性能不足的問題。能夠應(yīng)用于尾水處理，則要求相關(guān)工藝具備低基質(zhì)下穩(wěn)定運行的能力。鄭志佳等采用純膜MBBR工藝處理市政污水廠二沉池出水，通過優(yōu)化控制可使出水硝態(tài)氮濃度低于5mg/L。南方某水質(zhì)凈化廠采用純膜MBBR工藝去除河道水中的氨氮，在實際停留時間不足40min的條件下，出水氨氮濃度低于0.5mg/L，且展現(xiàn)出了較好的抗沖擊性能。可見，BFM工藝具備深度處理的潛力。
污水處理廠設(shè)計規(guī)模6×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標準。2021年進行提標改造，要求出水提升至準IV標準，其中總氮濃度低于12mg/L。本項目采用了新增深度處理BFM工藝以實現(xiàn)進一步脫氮除磷，改造完成后污水廠工藝流程如圖8所示。純膜MBBR工藝段總HRT=3.6h，磁混凝沉淀設(shè)計平均表面負荷14.2m3/m2/h。整個項目改造期間，未改動原工藝，未影響廠內(nèi)正常運行。通過新建緊湊型BFM工藝，保障實際出水COD、 BOD5 、SS、 TN 、NH3-N 、TP濃度分別達到19.87mg/L、2.12mg/L、4.80mg/L、 8.46mg/L 、0.31mg/L、 0.08mg/L，實現(xiàn)了污水廠原廠提標的目標。污水廠尾水、微污染水、黑臭水體、飲用水原水等水質(zhì)濃度低，具有相似性，可進行推廣應(yīng)用，BFM適用于低基質(zhì)水處理。
污水廠提標改造后工藝流程
解決方案IV-BFM新建旁位處理系統(tǒng)
解決方案IV為廠區(qū)內(nèi)新建集約型BFM污水處理設(shè)施，實現(xiàn)原廠分流或提量。受季節(jié)性雨季沖擊以及管網(wǎng)提質(zhì)增效的影響，污水廠面臨進水水量超負荷運行問題，出水水質(zhì)達標穩(wěn)定性受到威脅。同時，受限于原工藝改造困難、改造周期長的問題，難以在短期內(nèi)通過實施原池改造來應(yīng)對提量問題。此種情況下，快速新建獨立污水處理設(shè)施成為有效途徑之一。采用BFM工藝可有效利用廠區(qū)內(nèi)零散土地、綠化帶、道路等區(qū)域進行實施，同時采用裝配式的施工方式，可快速實現(xiàn)原廠提量的需求。
新建BFM系統(tǒng)占地與原污水廠占地對比
污水處理廠設(shè)計處理水量12×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標準。2021年，通過新建BFM旁位處理設(shè)施，緩解原工藝進水超量的問題。新建項目設(shè)計處理水量1×104m3/d，出水執(zhí)行準V標準，設(shè)計進出水水質(zhì)見表2。新建項目于廠區(qū)道路旁綠化帶實施，進水取自現(xiàn)狀初沉池出水，經(jīng)過BFM工藝處理后進入現(xiàn)狀紫外消毒系統(tǒng)。純膜MBBR工藝段，缺氧區(qū)填充率55%，主好氧區(qū)填充率60%，后好氧區(qū)填充率65%，磁混凝沉淀工藝段設(shè)計表面負荷11.57m3/m2/h。項目實施完成后，噸水占地僅為0.14m2/(m3·d-1)。圖9-i為新建BFM系統(tǒng)占地與原污水廠占地對比，從圖中可以看出，BFM系統(tǒng)僅占用原廠1.4%的占地處理了全廠7.7%的污水，集約效果顯著。BFM工藝出水COD 、BOD5、 SS、 TN 、NH3-N 、TP濃度分別為31.53mg/L、 3.14 mg/L、4.63 mg/L、4.47mg/L 、0.46 mg/L、0.09mg/L。在集約占地條件下實現(xiàn)了高排放標準，保障了全廠總出水達標。通過高通量測定，生物膜上不僅富集了大量的硝化菌和反硝化菌，在缺氧區(qū)生物膜上還富集了厭氧氨氧化菌，其相對豐度可達1%以上，為基于BFM工藝的主流厭氧氨氧化工藝的實施奠定了工程基礎(chǔ)。
污水處理廠新建BFM系統(tǒng)設(shè)計進出水水質(zhì)（mg/L）
污水處理廠設(shè)計處理水量11×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標準。在當?shù)匚鬯芫W(wǎng)提質(zhì)增效改造后面臨3×104m3/d的污水增量問題，原污水處理系統(tǒng)難以有效應(yīng)對，需進行提量改造，以保障污水及時有效處理。由于項目實施周期短，最終采用BFM工藝并以裝配式的方式在廠內(nèi)新建獨立旁位污水處理系統(tǒng)，解決污水增量的問題。新建項目設(shè)計水量3×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標準，于廠區(qū)內(nèi)綠化帶內(nèi)實施BFM處理設(shè)施新建。項目進水取自現(xiàn)狀提升泵房，經(jīng)過細格柵和旋流沉砂池進行預(yù)處理后，通過BFM工藝段，完成核心污染物的去除，最終消毒后外排。新建項目實施完成后，新建噸水占地僅為0.067m2/(m3·d-1)。圖9-ii為新建系統(tǒng)占地以及與原污水廠占地對比。從圖中可以看出，新建BFM工藝系統(tǒng)僅占用原廠2.5%的占地，處理了21.4%的污水，并且僅用時30d完成建設(shè)，有效緩解了進水水量陡增的難題。實際出水COD 、NH3-N、 TP 、SS濃度分別為12.17mg/L、0.80mg/L、0.30mg/L、 2.14mg/L，BFM工藝保障了出水水質(zhì)的穩(wěn)定達標。本項目同步實施了智能控制系統(tǒng)，如圖10所示。現(xiàn)場全部設(shè)備、儀表、控制接入智水優(yōu)控云平臺，實現(xiàn)對于水廠運行信息的全面收集。同步配置了手機端小程序，實現(xiàn)隨時隨地遠程管理。云平臺內(nèi)置工藝控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精準控制與節(jié)能降耗，可較人工控制降低20%以上直接運行費用。