浙江某污水廠準Ⅳ類水Bardenpho-MBBR提標改造分析
來源：中國給水排水作者：吳迪等
摘要
浙江某污水處理廠設計規模16萬m3/d，采用Bardenpho-MBBR工藝進行改造，出水由一級B提標至準IV類水。生化部分，總容積不變且未改變厭氧及缺氧段，通過對好氧段功能重新劃分，增加后置缺氧和后置好氧，并在好氧區投加懸浮載體，原池實現Bardenpho-MBBR，強化脫氮除磷效果；MBBR區采用微動力混合池型，無需使用推流器，節約投資和運行成本，利于系統運行維護。改造后，生化段COD、NH4+-N、TN出水均值分別為18.80mg/L、0.27mg/L、8.43mg/L，在未投加碳源的情況下穩定達到地表準IV類水標準，生化段出水TP均值0.48mg/L，大大減輕后深度處理負荷；TN去除率較改造前提高一倍，得益于前置缺氧脫氮效率的提高、填料區SND現象及后置缺氧區的脫氮能力；通過對系統微生物進行高通量測序，結果表明，填料對系統的硝化貢獻率達到85%，并且填料上附著的反硝化菌占比達到6.46%，證明了好氧區懸浮載體上存在同步硝化反硝化過程。MBBR與Bardenpho工藝相結合技術能耗低、容積效率高、運行效果穩定，突破了常規工藝對TN去除的限制，適用于對TN要求嚴格的準IV類等高標準水質要求的污水處理廠新建及改造工程。
作者：吳迪鄭志佳周家中孫慶花
（青島思普潤水處理股份有限公司，山東青島266555）
隨著水環境質量要求的提高，部分地區提出了準IV類水概念，即在一級A基礎上，對污染物排放標準進一步限定，一般典型的準IV類水要求氨氮≤1.5mg/L，TN≤10mg/L，TP≤0.3mg/L，SS≤6mg/L，COD≤30mg/L。多數污水廠在進行一級A升級改造中已增加了深度處理以強化TP和SS的去除，通過增加投藥量或降低運行負荷可能以優化運行的方式實現出水TP和SS達到準IV類水標準，但對于氨氮和TN缺乏明確的升級改造路線。污水廠歷經幾次提標，整體工藝流程基本定型，難有擴建用地，也難以改換工藝。生化池是污水廠池容最大的構筑物，自然也是潛力最多的構筑物；從污水處理的整體布局上，應當建立科學的改造觀，氮磷處理也應當回歸生化。生化工藝的強化本質上多是增加生物量，途徑上區分為強化泥水分離以富集更高污泥濃度的膜工藝(MBR)，增加懸浮載體以提高污泥性能的生物膜工藝(MBBR)。由于MBBR可直接與已有活性污泥法鑲嵌，改造靈活，能最大化利用現有池容和工藝流程，受到了廣泛關注。自2008年無錫蘆村污水處理廠成功進行了MBBR升級改造以來，近10年，國內采用MBBR工藝的市政污水廠已超過800萬噸/天，涵蓋各類廢水、工藝、池型、標準的改造[1-6]。本文以浙江省某污水廠準IV類水升級改造工程為例，分析MBBR工藝改造方案的應用效果，為污水廠準IV類水提標改造項目提供技術參考。
1項目概況
浙江省某污水處理廠，設計規模為16萬m3/d，原生化段采用A/A/O工藝，尾水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B標準。2016年該污水廠進行提標改造，要求在設計進水水量不變的情況下，尾水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（2015年征求意見稿）的特別排放限值，即準IV類水標準，如表1所示。
表1污水廠升級改造設計進出水水質表
2技術路線與設計方案
2.1改造難點
提標改造所面臨的主要問題有：
1）升級改造難度大，出水水質由一級B標準直接升級至準Ⅳ類，跨度較大；
2）出水標準高，出水總氮、總磷和SS等指標都需大幅提升，對改造工藝要求更高；
3）原池改造，廠內用地有限，無生化池擴建用地，需充分挖潛現有生物池的處理能力；
4）施工難度大，生物池為全封閉結構，施工難度較大。
2.2技術路線選擇
綜合考慮進、出水水質及預留用地等情況先后提出兩條技術路線：
技術路線I，A/A/O+高效沉淀池+反硝化深床濾池。
技術路線II，Bardenpho-MBBR+高效沉淀池+反硝化深床濾池。
技術路線I，生物池保持不變，深度處理新增高效沉淀池、反硝化深床濾池和加氯接觸池，前者可以強化TP的去除，而后者可強化TN和有機物的去除，保證各項出水指標的穩定達標，但是該路線存在一系列問題：
1）升級改造僅通過新建“高效沉淀池+反硝化深床濾池”完成，將所有出水指標壓力放在了深度處理構筑物上；
2）高效沉淀池僅用于化學除磷和過濾，去除TP和SS，而反硝化濾池則需承擔剩余指標的去除，導致反硝化深床濾池承擔負荷高，并且去除指標多，工藝控制復雜；
3）深度處理對氨氮沒有降解作用，如果前端生物處理的氨氮降解不完全則會導致出水不達標；此外，硝化不足也會影響反硝化效果，導致TN出水不達標；
4）反硝化深床濾池的外加碳源利用率、需要脫除的硝態氮濃度、進水COD、出水COD指標，四者相互制約，工程上反硝化濾池一般可去除3-5mg/L硝氮，若去除更多，則面臨COD超標風險，且易產生較多的污泥，出水SS較高，需要反洗頻繁，而頻繁反洗又不利于反硝化菌群富集，最終將導致系統運行不穩定；
5）在設計過程中，反硝化深床濾池承擔越多TN的去除，投資和運行成本越高。
技術路線II，生物池由A/A/O三段式改為五段Bardenpho強化TN去除，好氧段投加填料形成MBBR工藝用以彌補五段式分隔帶來的好氧硝化池容不足，新建反硝化濾池作為出水達標的保障。
考慮到技術路線I在總投資、運行費用上均較高，此外運行穩定性也較為欠缺，最終確定技術路線II作為本項目升級改造方案。技術路線II的工藝優勢表現在：
1）工藝流程設置合理，充分發揮了二級生物處理的作用，Bardenpho-MBBR工藝可以保證出水COD、BOD、氨氮及TN指標的達標，深度處理確保TP及SS達標即可；
2）采用Bardenpho-MBBR工藝在確保TN達標的前提下，可以充分利用原水碳源，減少外投碳源用量；
3）MBBR工藝具有較強的抗沖擊性，在進水水質水量波動較大的情況下，也能很快恢復系統的穩定性；
4）在設計中反硝化濾池無需考慮大量的TN去除，僅考慮在極端條件下的情況即可，進一步降低了占地面積。在保證TP及SS的前提下，控制指標較少，操作運行簡單，且無碳源泄露等風險。
5）投資及運行成本較低。
2.3生化段改造方案
生化段原有厭氧區和缺氧區不變，將好氧池根據設計方案進行重新劃分為OAO，將原A/A/O工藝改造為A/A/O+A/O(Bardenpho工藝)；第一級好氧池投加SPR-2型懸浮載體形成MBBR泥膜復合工藝，填料直徑為25mm±0.5mm，高10mm±1mm，掛膜后比重與水接近，有效比表面積大于620m2/m3，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》（CJ/T461-2014）行業標準[7]；好氧MBBR區域采用微動力混合池型，該池型具有水力條件好、無水力死角、無需推流器等特點，本項目采用微動力混合池型可節省16臺專用推流器，以及每年84.096萬元的電費，大大降低了投資和運行能耗。采取逐池改造的方式，不影響污水廠的正常生產。
圖1改造前后生化段工藝流程圖
3改造后運行效果分析
本次升級改造工程于2017年6月17日開始，到8月中旬，水量達到設計值16萬m3/d條件下，所投加的懸浮載體掛膜完成。分析2017年8月20日至2018年4月10日共計234d的進出水水質數據（包含整個冬季運行階段），并與改造前同期上一年運行數據進行對比。
3.1系統改造后對COD、TP、氨氮的去除效果
COD不是本項目的難點，改造前已基本能達到準IV類水水平。經過MBBR+Bardenpho改造后生物池進出水COD均值分別為197.12mg/L、18.80mg/L，COD去除率均值為90.46%，出水COD穩定達到準IV水標準，如圖2所示。
改造后，生化池除磷效果顯著增加，由于生化池并未投加混凝劑，生化池除磷效果均為生物除磷過程。改造前生物池進出水TP均值分別為4.20mg/L，1.04mg/L，去除率均值為75.24%。經過MBBR改造后生物池進出水TP均值分別為4.00mg/L、0.48mg/L，TP去除率均值為88.00%，較改造前提升11.23%，如圖3所示。生物除磷效果的提升，主要是MBBR工藝對于提升生物除磷的間接效果。污泥齡是生物除磷的重要影響因素之一，聚磷菌需短泥齡。改造前，由于需要保障氨氮效果，一般運行中污泥濃度較高，泥齡更長，以確保硝化菌群在污泥中的占比，保證硝化；改造后，好氧區投加懸浮載體，實現了硝化菌群的固定富集作用，保證了硝化菌群的長泥齡，這樣在一定程度上可以降低懸浮態污泥的污泥齡，強化生物除磷，特別是對溶解性TP的去除作用[8]。僅靠生物作用就使生化段出水TP低于0.5mg/L，大大減輕了后續深度處理設施的負荷，節省了運行費用。
圖2改造后生化系統對COD的處理效果
圖3改造后生化系統對TP的處理效果
改造前后氨氮處理水平相當，改造后生物池進出水氨氮均值分別為16.02mg/L、0.27mg/L，氨氮去除率均值為98.31%，如圖4所示。改造前，由于好氧池容較大，水力停留時間長達7.8h，對氨氮有較好的處理效果，但是當進水水質水量存在沖擊時，氨氮處理效果較差，系統的抗沖擊能力差，此外，冬季低溫時也經常出現氨氮波動的情況。MBBR改造后，在好氧區投加懸浮載體，保證了好氧區附著態微生物的泥齡大于30d，有利于長泥齡的硝化菌群的富集。填料的掛膜過程與胞外聚合物(EPS)密不可分，當微生物活性越強時，EPS分泌越旺盛，越容易掛膜；微生物活性減弱時，EPS分泌減少，在流化水力剪切的作用下脫離老化生物膜，實現生物膜的自然動態更新，保障了填料上的微生物一直處于較高的活性[9]。
圖4改造后生化系統對氨氮的處理效果
3.2系統改造前后對TN的去除效果
系統在改造前進水TN均值21.55mg/L，出水均值13.91mg/L，平均去除率為35.45%，并且出水TN波動較大，不穩定。經過Bardenpho-MBBR改造后，進水TN均值為24.73mg/L，出水TN均值8.43mg/L，TN平均去除率65.91%，如圖5、圖6所示。
從兩組數據可以對比出，系統經過Bardenpho-MBBR改造后，在進水TN負荷升高的情況下，出水依然能夠穩定達標，平均去除率比改造前高出近一倍。
為進一步探索系統TN去除效果改善的原因，在2017年12月底，對系統各工藝段進行了TN去除分析。系統內各區域均有總氮去除，厭氧區、前置缺氧區、好氧MBBR區、后置缺氧區和后置好氧區的總氮去除率分別為9.57%、29.92%、9.02%、11.31%和3.62%，總氮去除率為63.44%，如圖7所示。
改造前后系統的總回流比均為150%，厭氧區和前置缺氧區共去除TN39.49%，略優于改造前，原因在于系統運行的污泥濃度不再受硝化菌群長泥齡要求的限制，整個系統內污泥活性較改造前有明顯提升。
圖5改造前系統對TN的去除效果
圖6改造后系統對TN的去除效果
在好氧區發生了明顯的TN去除現象，好氧段同步硝化反硝化對TN的去除率為12.64%，合計去除氮素3.08mg/L，占總去除率的20.00%。生物膜上典型的缺/好氧微環境，以及對功能微生物的富集作用，促進了同步硝化反硝化作用的進行，使得在好氧區仍有對TN的進一步去除。在眾多采用MBBR的污水廠，均在好氧填料區發現了顯著的SND現象[1-3]，TN去除量在3-8mg/L不等，且基質濃度較高的污水廠，SND效果更佳顯著。由于好氧填料區有機物含量已很低，進一步推測SND的碳源可能與生物膜的內碳源相關。關于生物膜、泥膜復合系統SND的研究有待進一步深化，但對于進水TN50mg/L、出水TN要求10mg/L的污水廠，TN去除率要求80%，總回流比至少需400%；當SND去除5mg/LTN時，總回流比可降至350%，且可減少25mg/LBOD碳源投加，節能降耗顯著。而對于進水基質濃度不高的污水廠，甚至可完全節約外投碳源，使得MBBR除了在池容做到深度挖潛外，真正實現了基質利用上的深度挖潛，應用前景廣闊。
后置缺氧區對TN的去除量為2.76mg/L，由于該區域無碳源投加，且原水碳源基本已在前端消耗殆盡，分析該段內可能是發生了內碳源的水解，產生了部分碳源被微生物利用。系統該區域內出現氨氮的少量溶解也證明了內碳源水解的發生。
圖7沿程斷面氮素變化
由于改造前，對于準IV類水標準，系統的COD已可穩定達到，氨氮基本可達到，COD、氨氮和TP并非改造難點，效果與經濟的核心矛盾在TN上。通過Bardenpho工藝的采用，有效開發了系統的內碳源，增加了后置反硝化區，強化TN去除效果；而MBBR的使用，是系統實現原池改造Bardenpho的前提，在大幅削減好氧池容的前提下，系統氨氮處理效果并未受到影響，好氧泥齡大幅縮小的前提下未影響硝化菌群的活動，懸浮載體上SND的出現，更為節約碳源投加、降低回流比創造了條件。
在實際的運行過程中，TN的去除基本上在生化段就可以完成，深度處理的反硝化深床濾池作為保障性工藝，正常狀態下按普通濾池運行，保證SS以及TP達標即可。
4MBBR工藝對功能微生物的選擇作用
為進一步探究懸浮載體的作用，對本項目懸浮載體上的生物膜和懸浮態污泥進行了高通量測序分析，并同期檢測了其他兩個采用MBBR污水廠進行對比，結果如圖8、圖9所示。
圖8功能菌群在污泥與填料上的占比
圖9不同污水廠功能菌群在污泥與填料上的分布熱圖
對于本項目（XZ），分析發現，系統中主要的硝化菌群為Nitrosomonas（AOB）和Nitrospira（NOB），在懸浮載體和污泥中分別占比2.5%和27.8%、0.5%和3.8%。結合生物量測定，系統中85%的硝化過程的來自填料，15%的來自污泥，因此在對氨氮的去除過程中，填料發揮著重要的作用。最新研究表明，Nitrospira兼具AOB和NOB功能，其比生長速率低，對基質的親和力更大，在氨氮濃度較低的環境中更具優勢[10-12]。對比多個穩定達標的污水廠發現，Nitrospira是否是硝化菌群的優勢菌種及占比是系統是否穩定的良好指示性微生物。另外，在填料也檢出大量的反硝化菌，如Simplicispira、Terrimonas、Hyphomicrobium等，在填料上分別占比1.47%、0.18%、0.17%，尤其是Simplicispira在填料中的占比高于污泥系統，說明該類反硝化菌更適合以附著態形式存在。反硝化菌群在填料上占比達到6.46%，從微觀上提供了好氧區填料上發生SND的證據。同時發現，MBBR系統內，酸桿菌門(Acidobacteria)占比往往顯著高于活性污泥系統，如優勢種群Gp4、Gp6、Gp10等也基本來源于填料。酸桿菌門菌群多嗜酸[13]，其存在可能與SND現象有關聯。進一步推測，生物膜EPS若作為碳源供給SND，則EPS可被利用的前提即存在相關菌群能夠將其水解轉化為低碳有機物，酸桿菌門可能具有相關的作用。
不同MBBR系統內，懸浮載體上硝化菌群（Nitrospira、Nitrosomonas）的數量均遠高于污泥，而反硝化菌群則呈現出三類情況，即主要在污泥中、污泥填料占比相當和主要在填料上，這與各類菌群的生化特性相關。另外，不同水廠硝化優勢菌種還是存在一定的差異。以硝化種群為例，Nitrospira在XZ、LCH、YQ三個項目中，XZ最高、LCH次之，YQ最低，而Nirtosomonas卻相反，YQ最高、LCH次之、XZ最低。差異性可能與水質標準、運行控制等息息相關，仍需要進一步的研究探索。
5結論
1）采用Bardenpho-MBBR工藝對污水廠進行提標改造，生化段出水COD、氨氮、TN均值分別為18.80gm/L、0.27mg/L、8.43mg/L，穩定達到地表準IV水標準，生化段出水TP均值0.48mg/L，良好生物除磷大大減輕了深度處理負荷；
2）采用Bardenpho-MBBR強化了系統對TN的去除，TN去除率達到65.91%，是改造前的一倍；TN去除的提升，主要在于前置缺氧脫氮效率的提高、好氧區的SND過程以及后缺氧的內源反硝化過程，好氧區的SND帶來的TN去除占整個工藝對總氮去除的20.0%；
3）懸浮載體對硝化細菌的篩選和富集具有重要作用，填料上微生物對硝化過程的貢獻率達到85%；填料上反硝化菌占比約6.46%，填料本身的缺氧/好氧分層為SND過程提供了微觀保證，有效降低了碳源投加，提高了TN的去除率；
4）MBBR工藝采用微動力混合池形，相比循環流動池型，可以節約專用推流器至少16臺，每年節省運行費用84.096萬；
5）Bardenpho-MBBR工藝采用“鑲嵌”原理實現原池改造，處理效果穩定，適用于污水廠地表準IV水尤其是對TN有嚴格排放要求的污水廠升級改造。
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