污水深度脫氮純膜MBBR工藝
隨著我國生態文明建設的全面推進，污水處理廠的排放標準愈來愈高。《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準要求TN≤15mg/L，而北京、山東等地方標準則明確提出TN≤10mg/L。標準的提升不僅限于水質指標，對出水水質穩定性方面的要求也越來越嚴格。因此，需強化污水處理工藝的脫氮能力，一方面可以通過增大原工藝碳源投加量的方式來提升反硝化效果，但運行費用較高，且增加了碳排放量；另一方面，可以通過新增深度脫氮設施的方式強化TN去除，常采用生物膜法，通過高效富集反硝化菌群實現脫氮效率的提升，降低外碳源的投加和碳排放量。移動床生物膜反應器（MBBR）基于其功能菌富集能力強、占地面積小、運維簡便的優勢，在污水處理廠新、改、擴建中得到了廣泛應用，可穩定實現地表水準Ⅳ類以上排放標準，在污水處理廠深度脫氮方面具有較大的潛力和優勢。
以山東某污水處理廠為例，分析純膜MBBR工藝應用于污水處理廠深度脫氮的設計思路及運行效果，以期為污水高效脫氮提供技術參考。
1、項目概況
1.1 項目簡介
山東某污水處理廠分兩期建設，其中一期工程采用百樂克（BIOLAK）工藝，于2003年11月正式投產，處理規模為4×104m3/d。百樂克工藝平面布置及升級改造可用地如圖1所示。項目建成初期，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級B標準；2020年，通過強化碳源投加和新增深度處理，出水水質提升至一級A標準；至2023年，該項目已運行3年，出水水質整體能夠滿足一級A標準，但在脫氮方面面臨藥劑費用高以及穩定性差兩大難題。
①碳源投加量大：為實現TN≤15mg/L的目標，需投加大量碳源。根據沿程斷面核算，C/N高達5.9，而同廠二期工程AAO工藝的C/N為4.5~5.0即可保證出水TN穩定達標。同時大量的碳源投加也影響了好氧硝化過程，導致好氧區曝氣需求量的提升。
②脫氮穩定性差：由于硝化和反硝化在同一池體中進行且兩者需要的反應條件不同，因此需根據進水水質變化頻繁調整運行條件，氨氮與總氮控制面臨矛盾，難以實現硝化與反硝化穩定的平衡關系，系統耐沖擊能力一般，出水穩定性較差。
因此，需對原百樂克工藝進行升級改造，核心目的是消除硝化與反硝化之間的矛盾，降低脫氮運行費用，提高出水穩定性。
1.2 升級難點
由于百樂克工藝不適合采用原池改造方式強化處理性能，因此擬通過新建深度脫氮單元的方式予以強化，原百樂克工藝以硝化為主、脫氮為輔，而新建工藝以脫氮為主。針對實際改造需求，該項目面臨新建工藝可用地少、運行效率要求高兩大難題。
①新建工藝可用地少：該項目需在廠內完成新建，但該廠基本無預留地，僅能在靠近百樂克工藝旁的綠化帶進行建設，可用地面積400m2，新建項目噸水占地≤0.01m2（/m3·d-1）。
②運行效率要求高：該項目并非簡單的升級改造，而是生化功能區的進一步優化，預計改造后新建項目承擔20mg/L的脫氮任務。該過程不僅要求在有限的土地上完成，還需在原百樂克工藝脫氮的基礎上降低碳源投加量，并保證穩定的脫氮效果。因此，無論是對脫氮效率，還是對碳源利用效率，均有較高的要求。
2、工藝比選
污水經百樂克工藝處理后，出水TN以硝態氮為主，目前較為成熟的深度脫氮工藝主要是利用生物膜法，其特點是微生物以附著態形式高效富集在載體表面，功能菌富集效率顯著優于傳統活性污泥法。生物膜法根據載體流態的不同又可以分為固定床式和移動床式，如圖2所示。反硝化生物濾池作為典型的固定床式生物膜法處理工藝，以固定的顆粒物濾料作為微生物生長載體，通過外加碳源充分發揮生物膜的反硝化脫氮作用以及濾料的過濾作用，實現NO3--N和SS等多項污染物的同步去除，具有處理水質穩定、無需設置二沉池和工藝緊湊的優點，廣泛應用于污水廠的提標改造，可作為深度處理單元強化去除二級生化系統的出水TN，但在運行過程中需重點關注C/N對深度脫氮效果的影響。坪塘污水處理廠一期提標改造項目處理規模同為4×104m3/d，采用反硝化生物濾池+高效氣浮池作為深度處理工藝，將出水TN提升至地表水準Ⅳ類標準，噸水占地約為0.045m2（/m3·d-1），實現了節約占地和高效處理的目的，但C/N高達18.34。成都市第九再生水廠為滿足新地標對出水TN的要求，采用高密度沉淀池和反硝化深床濾池作為提標工藝，C/N為5.7，實現了高標準下的深度處理。海寧丁橋污水處理廠無法滿足錢塘江流域要求的一級A排放標準，高飛亞等采用反硝化深床濾池深度處理TN，同步去除SS以及TP，出水水質接近地表水準Ⅳ類標準，但C/N高達15.68，脫氮費用較高。此外，濾池工藝需定期進行反沖洗，常采用氣水反沖的方式，對運行穩定性造成一定影響。
為緩解反硝化濾池工藝碳源消耗量大和反沖洗影響穩定性的問題，將硫自養反硝化技術應用于反硝化濾池的研究受到廣泛關注。硫自養反硝化是在厭氧或缺氧條件下，利用硫單質或含硫化合物作為電子供體，將NO3--N還原為N2，具有脫氮效果好、無需碳源、運行成本低、污泥產量低的優點。宋慶原等研究了硫自養反硝化濾池對二級出水的脫氮效果，在優化中試工況后，硝酸鹽氮去除率穩定在95%以上，但濾料消耗率每年達20%，同時出現了出水硫酸鹽濃度增加和pH降低的現象。為避免硫自養反硝化技術產生二次污染的風險，李天昕等以硫與石灰石粉混合造粒的方式制備填料，通過在濾床內加入一定比例的石灰石，中和產生的酸度，同時生成CaSO4沉淀，降低了出水硫酸鹽濃度，有效解決了產酸和硫酸根含量高的問題；但石灰石在系統內擠占了電子供體填料的空間，減弱了深度脫氮能力，還增加了出水硬度，提高了運行成本。目前關于硫自養反硝化技術的研究主要為小試和中試，可借鑒的工程經驗不足，在推廣至工業產業化之前還需一定應用研究的積累。
MBBR是流化床生物膜法的典型代表，也是近些年受到重點關注的新型污水處理技術，其利用密度接近于水的懸浮載體專性富集微生物形成生物膜，達到深度脫氮的目的，同時流化床生物膜法也無濾料堵塞及反沖洗問題。目前，純膜MBBR用于污水廠深度脫氮在國外已有20余年的成功運行經驗，在國內也得到了越來越廣泛的應用。鄭志佳等以兩級純膜MBBR工藝進行深度反硝化脫氮，當C/N=4.0時，系統出水硝態氮穩定在（1.87±1.07）mg/L，TN平均去除率為93.3%；某市開發區污水處理廠新建MBBR生物池作為三級深度處理強化脫氮，純膜MBBR缺氧段的TN去除負荷為1.1g/（m2·d），提高了系統脫氮的可靠性；高彥博等為實現原廠提量，新建兩級AO的純膜MBBR生物池，出水TN穩定低于5mg/L，脫氮效率較高。可見，純膜MBBR工藝在污水處理廠深度脫氮方面具有較大潛力，兼具碳源利用率高、處理負荷高、占地面積小的優勢，但其對設備的要求亦較高，需要可靠的設備支撐工藝的穩定運行。深度脫氮常用工藝對比如表1所示。
綜合對比來看，硫自養反硝化工藝雖無需碳源投加，但目前應用尚不成熟且存在二次污染風險，此次升級改造暫不考慮選用；反硝化濾池雖應用廣泛，但其多用于污水廠提標改造，設計進、出水TN大多分別為15、12mg/L，可承擔的TN去除量較少。由于該項目需滿足長期高TN去除的要求，在運行上會大幅縮短濾池的反沖洗周期，增加運維難度和不穩定性，而純膜MBBR工藝兼具碳源利用率高、無需反沖洗以及應用成熟、無二次污染的優勢。綜合考慮工藝難點與改造需求，該項目最終采用新建純膜MBBR生物池（以下簡稱MBBR池）作為一期工程的深度脫氮方案，按照C/N=4.5進行設計，計劃投資回收期為7.37年。
3、新建方案
3.1 工藝流程
改造后污水處理工藝流程如圖3所示。原廠進水經細格柵、旋流沉砂池和初沉池處理后，在百樂克生物池完成有機物、氨氮等的去除，經提升泵進入MBBR池，進行TN的深度去除。MBBR池設計進水TN為35mg/L、出水TN≤15mg/L。MBBR池出水經二次提升泵進入原廠深度處理，進行固液分離并排泥，出水消毒后外排至受納河流，剩余污泥濃縮脫水后外運處理處置。
3.2 新建MBBR池
MBBR池采用AO工藝，采用利浦罐進行裝配式施工，用時30d。系統總停留時間1.43h。罐體內分別投加SPR-Ⅲ型好氧和缺氧專用懸浮載體，好氧區填充率60%，缺氧區填充率55%。懸浮載體為扁圓柱狀，直徑25mm，高10mm，有效比表面積≥800m2/m3。缺氧區設置MBBR專用變頻攪拌器（SPR型）4臺，N=5.5kW，為懸浮載體提供均勻充分的流化動力，保障流化效果；懸浮載體掛膜成熟后，攪拌器常規開啟2臺，另外2臺作為熱備。好氧區采用螺桿風機曝氣，單臺風量14.50m3/min，風壓90kPa，N=22kW，設好氧區專用穿孔管曝氣器（SPR型）1套，由于所需曝氣量較少，平時可利用原廠一期風機進行曝氣，新置風機與一期風機互為備用。好氧區和缺氧區安裝新材料攔截篩網（SPR型），厚12mm，滿足30年使用壽命要求。
3.3 新建配套設施
進水系統：百樂克生物池出水經提升后進入MBBR池，設進水泵4臺（2用2備），單臺Q=840m3/h、H=65kPa、N=30kW。
碳源投加系統：一期百樂克生物池出水僅剩余難以利用的COD，為保證MBBR池缺氧段的深度脫氮效果，以乙酸鈉作為外加碳源。設4臺計量泵（2用2備），單臺Q=300L/h、H=200kPa、N=0.37kW。
4、運行效果
該項目建成后總占地296m2，噸水占地0.0074m2（/m3·d-1），有效解決了實施周期短、用地受限等難題。該項目于2023年9月正式投產，連續監測運行效果至2024年1月，取日均值數據進行分析。該項目處理水量為（38758.14±783.16）m3/d，達到設計進水量的96.9%。運行上百樂克生物池無需兼顧系統硝化與反硝化的平衡，專注于強化去除進水氨氮，出水氨氮僅（0.77±0.15）mg/L；同時，百樂克生物池實現了碳源的“零投加”。MBBR池進水TN達（27.98±2.23）mg/L，出水TN僅（10.11±1.67）mg/L，穩定優于設計排放標準，MBBR池TN去除率為63.87%，脫氮量占生化工藝TN去除總量的75.37%。將懸浮載體取出后進行反硝化速率測定，在最優運行條件下，反硝化速率達到設計值的1.8倍，大幅提高了系統的脫氮效率。MBBR池仍通過傳統反硝化過程進行脫氮，核算C/N僅為3.71，較改造前（C/N=5.9）明顯降低，降幅達37.12%。反硝化濾池作為深度脫氮工藝，其C/N通常在5.0以上，與之相比，該項目可以節省30%~40%的碳源投加量，實現節能降耗。項目升級改造后，由于外投碳源的減量，實現了對應的污泥減量。
該項目總投資為800萬元，實際投資回收期僅為3.02年，較設計期限縮短59.02%，實現了污水廠的低碳改造和節能降耗。值得注意的是，在進水高硝態氮、低C/N的條件下，MBBR池缺氧區出水TN中亞硝態氮濃度達4.34mg/L。亞硝態氮是實現厭氧氨氧化過程的核心基質，也是限制主流厭氧氨氧化過程的主要因素，該項目采用生物膜法實現了亞硝態氮的積累，為后續主流厭氧氨氧化的調試提供了基礎條件。
5、結語
山東某污水處理廠通過新建純膜MBBR設施對原廠百樂克工藝進行升級改造，同時滿足節能降耗、深度脫氮的需求。新建設施利用邊角空地建設，噸水占地僅為0.0074m2（/m3·d-1）。項目實施后，MBBR池TN去除量占生化工藝TN去除總量的75.37%，C/N僅為3.71，百樂克原池實現碳源“零投加”，碳源費用較改造前降低37.29%。該項目實際投資回收期僅為3.02年，較設計值縮短59.02%。通過新建純膜MBBR工藝深度脫氮，解決了百樂克工藝硝化與脫氮之間的矛盾，顯著提升了系統的抗沖擊能力，大幅提高了出水穩定性，為污水處理廠提質增效和節能降耗提供了新的解決方案。
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