MBBR工藝應(yīng)用于市政污水處理的系列解決方案探討
摘 要：針對我國污水處理用地少、標(biāo)準(zhǔn)高、難穩(wěn)定等問題，移動床生物膜工藝(MBBR)展現(xiàn)了節(jié)地、高效、靈活、穩(wěn)定的工藝優(yōu)勢，獲得了良好的應(yīng)用效果，國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模已達(dá)2500×104m3/d。MBBR工藝按微生物存在主要方式，分為泥膜復(fù)合MBBR工藝和純膜MBBR工藝，分別隸屬活性污泥法和生物膜法；同時(shí)純膜MBBR耦合磁混凝沉淀形成了具備脫氮除磷功能的BFM工藝（Biofilm & Magnetic）。針對國內(nèi)水質(zhì)復(fù)雜、類型多樣的問題，形成了MBBR工藝應(yīng)用于市政污水處理的系列解決方案。針對泥膜復(fù)合MBBR工藝原池改造實(shí)現(xiàn)原池提標(biāo)或30%-50%以內(nèi)的提量、BFM工藝原位改造實(shí)現(xiàn)原池提標(biāo)或2倍以上的提量、BFM工藝新建深度脫氮除磷實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)IV”及更高排放標(biāo)準(zhǔn)、BFM工藝新建旁位處理實(shí)現(xiàn)原廠分流或提量等解決方案，探討了各解決方案的優(yōu)勢、適用場景和實(shí)際應(yīng)用效果，并針對泥膜復(fù)合MBBR工藝原池改造進(jìn)一步提出了4條實(shí)施技術(shù)路線。MBBR工藝能夠有效滿足各類污水廠新、改、擴(kuò)建需求，尤其基于純膜MBBR的BFM工藝，占地更加集約，配合裝配式建設(shè)同時(shí)可展現(xiàn)快速實(shí)施、靈活布置等特點(diǎn)，通過加載智水優(yōu)控云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)污水廠運(yùn)行的管理升級與節(jié)能降耗。BFM工藝適用于市政污水處理、工業(yè)廢水處理、黑臭水體治理、初期雨水處理、農(nóng)村污水處理等多種水環(huán)境綜合治理場景。圍繞綠色低碳污水處理技術(shù)的開展，以懸浮載體為基體，實(shí)現(xiàn)基于MBBR的厭氧氨氧化工藝，是BFM工藝下一步的發(fā)展方向，BFM工藝具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
我國城市污水的治理在“十三五”期間獲得了快速的發(fā)展，至“十三五”結(jié)束，城市污水處理率已達(dá)到97.53%，污水廠處理能力提升至19267×104m3/d，較“十二五”末增長了37.2%。但在滿足處理水量不斷提升的同時(shí)，市政污水處理也面臨新的挑戰(zhàn)：①排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按需提高。自2008年開始，國內(nèi)污水廠陸續(xù)完成了一級A提標(biāo)改造工作；隨著《長江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動計(jì)劃》、《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》等國家政策陸續(xù)發(fā)布，為進(jìn)一步提高水環(huán)境質(zhì)量，出水排入敏感水域的污水廠仍需在一級A標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高污水處理效率，氮磷等營養(yǎng)元素指標(biāo)需向地表IV類、地表III類水靠攏；②活性污泥法抗逆性差?；钚晕勰喾ㄈ允俏覈鬯幚淼闹髁鞴に?，但我國幅員遼闊，水質(zhì)地理差異較大。在應(yīng)對低溫、強(qiáng)沖擊、高鹽等特殊水質(zhì)條件下，活性污泥法抗逆性較弱，影響出水水質(zhì)穩(wěn)定性；同時(shí)污泥膨脹也是困擾活性污泥法的百年難題，一直未得到妥善解決，各污水廠季節(jié)性污泥膨脹常有發(fā)生，威脅運(yùn)營安全性；③汛期面臨水量沖擊。我國管網(wǎng)建設(shè)仍不完善，雨污合流問題普遍存在，導(dǎo)致了污水廠在汛期面臨強(qiáng)水量沖擊的問題；此外，近些年開展了強(qiáng)弱項(xiàng)、補(bǔ)短板等專項(xiàng)行動，部分污水廠水量大幅度提高，這些均影響了水廠的運(yùn)行穩(wěn)定性；④污水廠新、改、擴(kuò)建面臨用地窘境。城市的快速發(fā)展致使污水廠用地矛盾突出，污水廠新、改、擴(kuò)建面臨缺地的難題。
移動床生物膜反應(yīng)器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR），通過反應(yīng)器內(nèi)投加的懸浮載體富集微生物，實(shí)現(xiàn)污染物的去除。針對我國污水處理用地少、標(biāo)準(zhǔn)高、難穩(wěn)定等問題，MBBR工藝展現(xiàn)了節(jié)地、高效、靈活、穩(wěn)定的工藝優(yōu)勢，獲得了良好的應(yīng)用效果。截止到2021年，MBBR工藝國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模已達(dá)2500×104m3/d，已經(jīng)是除傳統(tǒng)活性污泥法外，應(yīng)用規(guī)模最廣泛的工藝之一，作為應(yīng)用廣泛且運(yùn)行可靠的工藝被編入《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014-2021）。隨著國家水環(huán)境綜合治理工作的深入，水污染治理場景更加多元化。MBBR工藝充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，進(jìn)行了優(yōu)化升級，迭代更新，針對國內(nèi)水質(zhì)復(fù)雜、類型多樣的問題，形成了MBBR工藝應(yīng)用于市政污水處理的系列解決方案。
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(jìn)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(jìn)行一級A提標(biāo)改造的污水廠，在活性污泥系統(tǒng)中投加懸浮載體強(qiáng)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(qiáng)化硝化，實(shí)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(jìn)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(dá)。以硝化細(xì)菌富集為例，泥膜系統(tǒng)中硝化細(xì)菌在懸浮載體上相對豐度一般為3%～15%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)菌的獨(dú)特優(yōu)勢。但受實(shí)際運(yùn)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(qiáng)，純膜系統(tǒng)中懸浮載體上硝化細(xì)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(qiáng)；
②工藝流程不同：如圖2所示，純膜MBBR工藝的特點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)化活性污泥系統(tǒng)的處理性能，解決活性污泥負(fù)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。
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(bào)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(dá)到高排放標(biāo)準(zhǔn)要求。低基質(zhì)條件下，活性污泥難以有效富集，此時(shí)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(yàn)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(xué)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(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。同時(shí)，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(yùn)營安全性的威脅，提高了污水運(yùn)維的簡便性。
純膜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(biāo)，純膜MBBR工藝應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(shí)脫落生物膜EPS含量較高，停留時(shí)間長時(shí)易發(fā)生內(nèi)源反硝化導(dǎo)致產(chǎn)氣上??；另一方面，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(jìn)水值（10～50mg/L），而遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二沉池的進(jìn)水值（4000～6000mg/L）。所以，固液分離工藝不僅需要較快的沉降時(shí)間，而且需具備較高的固體通量，以一段沉降實(shí)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(dú)使用均難以實(shí)現(xiàn)SS穩(wěn)定低于10mg/L的目標(biāo)，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(xué)除磷，所以需除磷效率高、排放標(biāo)準(zhǔn)高的化學(xué)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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?yán)^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(qiáng)裹挾磁粉導(dǎo)致磁粉回收率降低問題，需進(jìn)行針對性工藝改良；③整個(gè)系統(tǒng)停留時(shí)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(jìn)理念，實(shí)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(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)高、難穩(wěn)定等難題，展現(xiàn)出了獨(dú)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(shí)現(xiàn)原池提標(biāo)以及小幅度提量，并進(jìn)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(fù)荷，可實(shí)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(shí)現(xiàn)更高排放標(biāo)準(zhǔn)；解決方案IV在原廠內(nèi)少量空地上新建BFM旁位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原廠分流或提量。
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(qiáng)化了生化段處理性能?？蓪?shí)現(xiàn)污水廠原位提標(biāo)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。
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(shí)現(xiàn)原位強(qiáng)化硝化的目的，滿足氨氮高標(biāo)準(zhǔn)排放的要求。如河北某污水廠2020年進(jìn)行提標(biāo)改造，出水水質(zhì)在原一級A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，氨氮、TP、COD需提標(biāo)至地表V類水標(biāo)準(zhǔn)。本次提標(biāo)改造設(shè)計(jì)水溫10℃，核心難點(diǎn)在于低溫條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的硝化過程。采用技術(shù)路線i實(shí)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(shí)現(xiàn)了原池強(qiáng)化硝化的目標(biāo)，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(jìn)一步被強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(jìn)行了再劃分，且同時(shí)增加了缺氧區(qū)的池容。不同點(diǎn)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(yùn)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(shí)，技術(shù)路線ii更具有經(jīng)濟(jì)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(shí)，技術(shù)路線iii更具有效果優(yōu)勢。
廣東某污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模10×104m3/d，2018年進(jìn)行提標(biāo)改造，要求出水水質(zhì)由一級B提升至一級A。本次提標(biāo)改造需同時(shí)強(qiáng)化硝化和反硝化。采用技術(shù)路線ii實(shí)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(shí)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(shí)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(jì)水量16×104m3/d，原出水執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)，2017年進(jìn)行提標(biāo)改造，出水水質(zhì)需跨級提標(biāo)至準(zhǔn)IV類水，其中出水TN低于10mg/L。針對高TN去除要求，本項(xiàng)目采用了技術(shù)路線iii進(jìn)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(shí)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(shí)間分別為1.9h和0.6h。實(shí)際運(yùn)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(shí)現(xiàn)了原池強(qiáng)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(shí)投加懸浮載體分別強(qiáng)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(biāo)改造項(xiàng)目。該污水廠設(shè)計(jì)水量6×104m3/d，提標(biāo)改造工程需將出水水質(zhì)由二級標(biāo)準(zhǔn)跨級提標(biāo)至一級A標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)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(shí)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(jìn)水水質(zhì)超標(biāo)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)原池提標(biāo)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(biāo)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(fù)荷承受能力，原池提量一般不超過1.5倍的設(shè)計(jì)水量。
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(jìn)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(dá)設(shè)計(jì)水量的2倍以上。同時(shí)，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。
南方某污水廠設(shè)計(jì)水量3×104m3/d，出水執(zhí)行一級B標(biāo)準(zhǔn)，2020年進(jìn)行一級A提標(biāo)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(fù)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(shí)間僅有1.08h，遠(yuǎn)不能滿足提標(biāo)需求，所以本項(xiàng)目創(chuàng)新性的將二沉池改造為純膜MBBR工藝系統(tǒng)，實(shí)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(shí)間達(dá)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(jī)、磁分離機(jī)等核心設(shè)備的改良，實(shí)現(xiàn)了磁粉回收率大于99.5%的目標(biāo)，解決了脫落生物膜黏性強(qiáng)包裹磁粉降低磁粉回收率問題。同時(shí)也在工程中進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了原廠提標(biāo)的目標(biāo)。
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(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷，不改動原有生化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)污水廠的進(jìn)一步提標(biāo)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(yùn)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(shí)際停留時(shí)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?？梢?，BFM工藝具備深度處理的潛力。
濰坊某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模6×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)。2021年進(jìn)行提標(biāo)改造，要求出水提升至準(zhǔn)IV標(biāo)準(zhǔn)，其中總氮濃度低于12mg/L。本項(xiàng)目采用了新增深度處理BFM工藝以實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jì)平均表面負(fù)荷14.2m3/m2/h。整個(gè)項(xiàng)目改造期間，未改動原工藝，未影響廠內(nèi)正常運(yùn)行。通過新建緊湊型BFM工藝，保障實(shí)際出水COD、BOD5、SS、TN、NH3-N、TP濃度分別達(dá)到19.87mg/L、2.12mg/L、4.80mg/L、8.46mg/L、0.31mg/L、0.08mg/L，實(shí)現(xiàn)了污水廠原廠提標(biāo)的目標(biāo)。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(jìn)行推廣應(yīng)用，BFM適用于低基質(zhì)水處理。
2.4 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(shí)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(jìn)水水量超負(fù)荷運(yùn)行問題，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性受到威脅。同時(shí)，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(shí)施原池改造來應(yīng)對提量問題。此種情況下，快速新建獨(dú)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(jìn)行實(shí)施，同時(shí)采用裝配式的施工方式，可快速實(shí)現(xiàn)原廠提量的需求。
煙臺某污水處理廠設(shè)計(jì)處理水量12×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)。2021年，通過新建BFM旁位處理設(shè)施，緩解原工藝進(jìn)水超量的問題。新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理水量1×104m3/d，出水執(zhí)行準(zhǔn)V標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表2。新建項(xiàng)目于廠區(qū)道路旁綠化帶實(shí)施，進(jìn)水取自現(xiàn)狀初沉池出水，經(jīng)過BFM工藝處理后進(jìn)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(jì)表面負(fù)荷11.57m3/m2/h。項(xiàng)目實(shí)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、3.14mg/L、4.63mg/L、4.47mg/L、0.46mg/L、0.09mg/L。在集約占地條件下實(shí)現(xiàn)了高排放標(biāo)準(zhǔn)，保障了全廠總出水達(dá)標(biāo)。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(dá)1%以上，為基于BFM工藝的主流厭氧氨氧化工藝的實(shí)施奠定了工程基礎(chǔ)。
廣東肇慶某污水處理廠設(shè)計(jì)處理水量11×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)。在當(dāng)?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(jìn)行提量改造，以保障污水及時(shí)有效處理。由于項(xiàng)目實(shí)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(dú)立旁位污水處理系統(tǒng)，解決污水增量的問題。新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)水量3×104m3/d，出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，于廠區(qū)內(nèi)綠化帶內(nèi)實(shí)施BFM處理設(shè)施新建。項(xiàng)目進(jìn)水取自現(xiàn)狀提升泵房，經(jīng)過細(xì)格柵和旋流沉砂池進(jìn)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(xiàng)目實(shí)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(shí)30d完成建設(shè)，有效緩解了進(jìn)水水量陡增的難題。實(shí)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(dá)標(biāo)。本項(xiàng)目同步實(shí)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(shí)現(xiàn)對于水廠運(yùn)行信息的全面收集。同步配置了手機(jī)端小程序，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程管理。云平臺內(nèi)置工藝控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制與節(jié)能降耗，可較人工控制降低20%以上直接運(yùn)行費(fèi)用。
2.5 MBBR工藝的維護(hù)結(jié)構(gòu)
污水廠傳統(tǒng)的建設(shè)形式多為混凝土現(xiàn)場澆筑，存在建設(shè)周期長，受環(huán)境因素影響大、技術(shù)要求高、綜合造價(jià)高等問題。同時(shí)，在面臨突發(fā)性環(huán)境污染的問題上，污水處理設(shè)施的建設(shè)也面臨快速性、臨時(shí)性、可靠性、適用性、重復(fù)利用等需求。裝配式污水處理設(shè)施與傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)場澆筑法相比，工程用地小、場地易于布置、工程進(jìn)度快、對空間和時(shí)間的利用率較高，使其具備模塊化、輕量化、快速化等優(yōu)點(diǎn)，可以很好適應(yīng)上述建設(shè)需求，具有較好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
由于已有的MBBR解決方案中改造項(xiàng)目居多，所以在維護(hù)結(jié)構(gòu)上仍以土建為主。而針對新建項(xiàng)目，已陸續(xù)采用了利浦罐、搪瓷罐、碳鋼焊接等裝配式維護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖11所示。通過現(xiàn)場安裝的方式，用時(shí)不到40天即可完成萬噸級污水廠全流程的新建，大大縮短了建設(shè)周期。此外，在節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)方面，裝配式實(shí)施方式優(yōu)勢也十分明顯，更符合國家的低碳發(fā)展要求。其使用壽命亦可根據(jù)項(xiàng)目需求確定，實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定使用。
2.5 MBBR工藝的維護(hù)結(jié)構(gòu)
污水廠傳統(tǒng)的建設(shè)形式多為混凝土現(xiàn)場澆筑，存在建設(shè)周期長，受環(huán)境因素影響大、技術(shù)要求高、綜合造價(jià)高等問題。同時(shí)，在面臨突發(fā)性環(huán)境污染的問題上，污水處理設(shè)施的建設(shè)也面臨快速性、臨時(shí)性、可靠性、適用性、重復(fù)利用等需求。裝配式污水處理設(shè)施與傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)場澆筑法相比，工程用地小、場地易于布置、工程進(jìn)度快、對空間和時(shí)間的利用率較高，使其具備模塊化、輕量化、快速化等優(yōu)點(diǎn)，可以很好適應(yīng)上述建設(shè)需求，具有較好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
由于已有的MBBR解決方案中改造項(xiàng)目居多，所以在維護(hù)結(jié)構(gòu)上仍以土建為主。而針對新建項(xiàng)目，已陸續(xù)采用了利浦罐、搪瓷罐、碳鋼焊接等裝配式維護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖11所示。通過現(xiàn)場安裝的方式，用時(shí)不到40天即可完成萬噸級污水廠全流程的新建，大大縮短了建設(shè)周期。此外，在節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)方面，裝配式實(shí)施方式優(yōu)勢也十分明顯，更符合國家的低碳發(fā)展要求。其使用壽命亦可根據(jù)項(xiàng)目需求確定，實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定使用。
2.6 解決方案選擇
表3對比了4種解決方案的優(yōu)勢以及適用場景。整體上看，泥膜復(fù)合MBBR工藝更適合負(fù)荷提升需求不大的場景，如提標(biāo)或少量提量，不改動二沉池情況下能夠?qū)崿F(xiàn)30%-50%以內(nèi)的提量?；诩兡BBR的BFM工藝實(shí)現(xiàn)了流程的集約，改造方式更加靈活，破除了二沉池對于污水廠新、改、擴(kuò)建的限制，可實(shí)現(xiàn)原廠2倍以上的提量。也適用于SBR、MBR等無二沉池工藝的改造，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對于傳統(tǒng)固定床生物膜工藝的替代，在工藝運(yùn)行上更加簡便，可獲得氨氮低于0.5mgL、TN低于5mg/L、TP低于0.1mg/L的良好應(yīng)用效果。BFM工藝可在原廠內(nèi)的空地、綠化帶等實(shí)施；可用于主體生化段改造，也可以用于尾水的深度處理，應(yīng)用方式更加靈活。
圖12展現(xiàn)了MBBR用于水環(huán)境綜合解決方案，從最初MBBR工藝應(yīng)用于市政污水處理，到現(xiàn)狀MBBR工藝已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢水處理、黑臭水體治理、初期雨水處理、農(nóng)村污水處理等多場景應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況因地制宜的選擇解決方案，以期獲得最優(yōu)的實(shí)施和處理效果。
03 結(jié)論與展望
MBBR兩種工藝形式、多場景應(yīng)用模式為污水處理提供了新思路。泥膜復(fù)合MBBR工藝可實(shí)現(xiàn)活性污泥系統(tǒng)處理性能的原位強(qiáng)化，基于純膜MBBR工藝的BFM工藝實(shí)現(xiàn)了污水的集約化處理，并能夠在多場景污水治理過程中實(shí)現(xiàn)對活性污泥工藝的替代。在國內(nèi)污水廠新、改、擴(kuò)建缺地的背景下，基于MBBR工藝不同應(yīng)用形式的優(yōu)勢特點(diǎn)，形成了4種解決方案，分別以新、改、擴(kuò)建方式因地制宜實(shí)施，有效的解決了污水廠在提質(zhì)增效過程中面臨的缺地、高標(biāo)準(zhǔn)、難穩(wěn)定的問題，獲得了良好的應(yīng)用效果，解決了區(qū)域水環(huán)境污染問題。BFM工藝作為純膜MBBR工藝的完整核心工藝流程，與泥膜復(fù)合MBBR工藝相比，流程更加集約，生物膜性能得以充分發(fā)揮；與BAF工藝相比，無需反沖洗，運(yùn)行不受濾速限制，對進(jìn)水水質(zhì)容忍度高；與MBR工藝相比，運(yùn)行能耗低，運(yùn)行維護(hù)簡單。具有穩(wěn)定、集約、高效等優(yōu)勢，配合裝配式建設(shè)同時(shí)可展現(xiàn)快速實(shí)施、靈活布置等特點(diǎn)，加載智水優(yōu)控云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)污水廠運(yùn)行的管理升級，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。BFM適用于市政污水處理、工業(yè)廢水處理、黑臭水體治理、初期雨水處理、農(nóng)村污水處理等多種水環(huán)境治理場景。該工藝以更低的土地占用滿足污水處理需求，將獲得更高的畝產(chǎn)效益。圍繞綠色低碳污水處理技術(shù)的開展，以懸浮載體為基體，實(shí)現(xiàn)基于MBBR的厭氧氨氧化，是BFM工藝下一步的發(fā)展方向，BFM工藝具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。
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