張申旺,楊 碩,張向陽,*,張彥浩

(1.濟(jì)寧市城市水務(wù)服務(wù)中心,山東濟(jì)寧 272000;2.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)

氮、磷一直是污水處理領(lǐng)域最受關(guān)注的元素,脫氮除磷是污水處理廠的重要任務(wù)。為了應(yīng)對我國更高的環(huán)保要求,近年來對氮、磷的排放限值更為嚴(yán)格。出水排入敏感水域的排放標(biāo)準(zhǔn)在一級A標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高,氮、磷等營養(yǎng)元素指標(biāo)向地表Ⅳ類、Ⅲ類水靠攏[1]。因此,很多污水處理廠的提標(biāo)改造勢在必行。某北方市政污水處理廠已投產(chǎn)運(yùn)行多年,原主體工藝為改良式序列間歇反應(yīng)器(modified sequencing batch reactor,MSBR),總處理規(guī)模為20萬m3/d,原設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。主要存在的問題是當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動或冬季低溫時,出水TN有時達(dá)不到一級A標(biāo)準(zhǔn),難以達(dá)到更嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。而且,隨著城市的發(fā)展,污水量也有所增加,需要進(jìn)行擴(kuò)容。通過將MSBR生化池升級改造為移動床生物膜反應(yīng)器(moving bed biofilm reactor,MBBR)生化池,污水處理廠解決了原工藝不能穩(wěn)定達(dá)到更嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的問題,取得了很好的效果。

1 MSBR工藝與MBBR工藝

1.1 MSBR工藝

MSBR是Yang等[2]根據(jù)序批式活性污泥法(SBR)技術(shù)特點(diǎn)結(jié)合厭氧-缺氧-好氧(AAO)工藝研究開發(fā)的一種污水處理系統(tǒng),其綜合了AAO、SBR等工藝的特點(diǎn),脫氮除磷能力較傳統(tǒng)AAO工藝更強(qiáng)。該工藝采用單池多格設(shè)計(jì),可連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水,具有占地面積小、運(yùn)行成本低、脫氮除磷效果較好、空間構(gòu)型和周期變化設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)[3],其集約化、一體式的設(shè)計(jì)理念符合我國國情,在國內(nèi)很多污水處理廠中一度發(fā)揮了非常重要的作用。

常規(guī)MSBR工藝流程如圖1所示,采用單池多方格形式布置,系統(tǒng)在恒定水位下連續(xù)運(yùn)行。MSBR工藝是同時進(jìn)行生物除磷及生物脫氮的污水處理工藝,碳利用率高,因此,脫氮除磷效果較好[4]。然而,由于該系統(tǒng)各格互聯(lián)、交替操作,且通過選擇、組合與取舍操作步驟,調(diào)整各工序時間來控制運(yùn)行,其運(yùn)行控制和AAO工藝的運(yùn)行控制相比,更為復(fù)雜[5]。此外,受到進(jìn)水沖擊及同步脫氮除磷固有矛盾的影響,厭氧池、缺氧池、曝氣池之間容積比不合理、氣水比過高等問題,都會限制同步脫氮除磷過程,從而造成在實(shí)際運(yùn)行過程氮、磷去除效率偏低,最終導(dǎo)致污水處理廠出水中的氮、磷指標(biāo)難以同時達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)[6]。當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)出現(xiàn)波動變化時,需要建立較為復(fù)雜的控制系統(tǒng),才能得到理想的脫氮除磷效果。對于進(jìn)水水質(zhì)波動但出水又必須穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理廠來說,MSBR的短板較為明顯。

圖1 MSBR工藝流程

1.2 MBBR工藝

在進(jìn)水水質(zhì)水量波動和冬季低溫的情況下,常規(guī)MSBR生化池不能穩(wěn)定保證出水TN和TP達(dá)標(biāo),因此,在MSBR基礎(chǔ)上對污水處理廠進(jìn)行升級改造一時成為非常迫切的需要。然而,城市的快速發(fā)展導(dǎo)致污水處理廠用地矛盾尖銳突出,大多數(shù)新建污水處理廠都面臨著用地窘境,污水處理廠擴(kuò)建與改造更是存在缺地的困難。MBBR以其微生物濃度更高、脫氮效率更高的特點(diǎn),特別適用于在不增加占地的前提下對現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行擴(kuò)容和提高出水水質(zhì)的升級改造[7]。

MBBR實(shí)質(zhì)上是一種基于特殊結(jié)構(gòu)填料的生物流化床技術(shù),該技術(shù)在同一個生物處理單元中將生物膜法與活性污泥法有機(jī)結(jié)合,有利于提高生物膜與氧氣的接觸和傳質(zhì)效率,提升反應(yīng)池的處理能力和處理效果,增強(qiáng)系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷的能力(包括有毒化合物濃度變化)[8-9]。懸浮載體是MBBR工藝的核心部分,其性能對于生物膜的形成、生長及對污染物的去除效果有著關(guān)鍵作用[10-11],國內(nèi)市場上大多數(shù)MBBR懸浮填料可供生物膜附著的有效比表面積在500 m2/m3以上[12]。填料內(nèi)部生長著大量厭氧菌或兼氧菌,而其外部為好氧菌,使填料及其周邊同時存在硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng),因此,大大提高了脫氮效率。MBBR還可以通過對核心微生物進(jìn)行專性富集、固定培養(yǎng),從而強(qiáng)化脫氮除磷效果,提高污水處理廠生化處理穩(wěn)定性與抗沖擊性[13]。

MBBR可滿足不同微生物的生長環(huán)境,實(shí)現(xiàn)不同功能微生物的污泥齡分離,有利于世代時間長的微生物和特殊降解微生物的生長和富集。載體上的生物膜污泥齡長,適宜硝化菌的生長并維持高濃度的硝化菌,因此,硝化脫氮能力顯著。25 ℃下的硝化效率達(dá)720～1 000 g 氨氮/(m3·d),而傳統(tǒng)的活性污泥法在污泥質(zhì)量濃度為3 g/L的情況下,硝化效率低于100～200 g 氨氮/(m3·d)[12]。

2 污水處理廠的升級改造

2.1 升級改造難點(diǎn)

污水處理廠原主體工藝為MSBR,共有MSBR生化池共4座,單池設(shè)計(jì)規(guī)模為5.0萬m3/d,總處理規(guī)模為20萬m3/d,原設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn),原工藝流程如圖2所示。新執(zhí)行的主要水質(zhì)指標(biāo)限值如表1所示,最終排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國標(biāo)一級A標(biāo)準(zhǔn),并且對氨氮、TN和TP的限值更加嚴(yán)格。

表1 MSBR池升級改造前后出水主要水質(zhì)指標(biāo)限值

圖2 污水處理廠原工藝流程

污水處理廠長期運(yùn)行結(jié)果顯示,原有工藝主要存在的問題是當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動以及冬季低溫時出水中TN時有超標(biāo)。另外,隨著城市人口的增加,進(jìn)入污水處理廠的污水量也有所增加,污水處理廠規(guī)模需要從20萬m3/d提升到25萬m3/d,水量增加也是造成出水水質(zhì)下降的原因之一。如果增加深度處理工藝,理論上出水可以達(dá)標(biāo)排放,但這就意味著必須增建(構(gòu))筑物并增設(shè)處理設(shè)備,會受到污水處理廠占地面積的限制。

2.2 升級改造思路

通過對幾種改造方案的比選(表2),鑒于該污水處理廠的升級改造必須在原址基礎(chǔ)上進(jìn)行,既要做到不增加占地,又要保證水質(zhì)達(dá)到更高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),最終選擇MBBR工藝作為污水處理廠主體工藝。

表2 提升脫氮效果的污水處理方案比選

在不增加占地面積的前提下,盡量保持原有MSBR池的基本結(jié)構(gòu),重新設(shè)置其內(nèi)部構(gòu)造,并向生化池中投加大量懸浮載體,將現(xiàn)有MSBR改造成MSBR-MBBR生化泥膜混合活性污泥系統(tǒng),提高單位生化池容積的處理水量與氮、磷負(fù)荷,改善其處理效果,同時間接滿足擴(kuò)容的需要。對原有MSBR池來說,升級改造后的MBBR單池的設(shè)計(jì)規(guī)模需提高至6.25萬m3/d,4座MSBR池總設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到25萬m3/d。該處理系統(tǒng)必須確保生物處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3 現(xiàn)有生化池升級為MBBR的工藝設(shè)計(jì)

將原有MBSR升級改造為MBBR生化池,需要通過新增加的污染物負(fù)荷確定所需填料的體積,同時確定泥膜好氧池與厭氧池的池容。執(zhí)行新排放標(biāo)準(zhǔn)以后,系統(tǒng)新增CODCr負(fù)荷為19 000 kg CODCr/d,新增BOD5負(fù)荷為7 000 kg BOD5/d,新增氨氮負(fù)荷為2 425 kg 氨氮/d,新增TN負(fù)荷為2 900 kg TN/d。

3.1 MSBR池內(nèi)新分割出的MBBR泥膜好氧池容積

系統(tǒng)新分割出的MBBR泥膜好氧池需要去除CODCr量為19 000 kg/d,去除氨氮量為2 425 kg/d;好氧池BOD5負(fù)荷為0.073 kg BOD5/(kg MLSS·d),活性污泥可以完全去除BOD5,不需要增加填料。實(shí)際水溫下懸浮填料的氨氮容積負(fù)荷為0.254 kg TKN/(m3·d),去除TN所需的填料體積為9 558 m3,按9 600 m3計(jì)算,以懸浮填料填充率為45%計(jì),則需要池容21 328 m3。

3.2 MSBR池內(nèi)新分割出的缺氧池容積

4 改造方案

4.1 方案簡介

現(xiàn)場共4組MSBR生化池,單組MSBR改造成MSBR-MBBR生化泥膜混合活性污泥系統(tǒng)后的平面布置如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對原MSBR池進(jìn)行如下改造。

圖3 MSBR改成MSBR-MBBR生化泥膜混合污泥系統(tǒng)

(1)原MSBR池的單元2、單元3和單元4維持原有形式。經(jīng)過計(jì)算,本項(xiàng)目的單元2～單元4的池容不變,有效水深及平面尺寸不做調(diào)整。

(3)將MSBR單元6剩余池體改造為MBBR+好氧池組合。單元6改造為:單元6=單元5′+MBBR+好氧池。分割出的MBBR池單組有效容積為5 331.9 m3,MBBR池?cái)?shù)量為4組,水力停留時間為2.05 h,懸浮填料填充率為45%。好氧池單組有效容積為1 538.2 m3?；钚晕勰嗪醚醭?cái)?shù)量為4組,好氧池水力停留時間為0.6 h。主要新增設(shè)備為進(jìn)水閘門、填料、篩網(wǎng)。單組所需風(fēng)量為430 m3/min。

單組所需增加有效比表面積為500 m2/m3的填料體積2 400 m3,4組池體填料增加體積總共9 600 m3。

(4)其他構(gòu)造與管路設(shè)計(jì)

原單元5進(jìn)入單元6的分配進(jìn)水管縮短,位于單元5內(nèi)。單元5為上部出水,通過過水洞與單元6連接。單元6設(shè)置進(jìn)水閘門,避免在沒有進(jìn)水的情況下,填料逆流回到單元5。改造后單元6容積減小。單元6分割出單元5后,再分割為MBBR池+好氧池,MBBR與好氧池中間用隔墻隔開,MBBR出水處設(shè)置攔截篩網(wǎng)。

增加了MBBR出水篩網(wǎng),MBBR進(jìn)水處設(shè)置閘門。MBBR池的進(jìn)水處不設(shè)置進(jìn)水篩網(wǎng)和在篩網(wǎng)的入水段設(shè)置篩網(wǎng)沖洗曝氣系統(tǒng),以免設(shè)置的進(jìn)水篩網(wǎng)會被進(jìn)水帶入的纖維狀物逐漸堵塞。但是,為了保證停止進(jìn)水時的MBBR系統(tǒng)的懸浮填料逆流到其前端的缺氧區(qū),在新建(分割)墻一側(cè)上部入水孔處新增進(jìn)水閘門。閘門是常開的,只有MBBR池停止進(jìn)水時關(guān)閉,防止懸浮填料的倒流到單元5。另外,為了便于安裝閘門和方便開啟,新建(分割)墻上搭建設(shè)置一走道平臺和護(hù)欄。

4.2 升級改造方案的特點(diǎn)

(1)針對來水的波動大可能造成生化系統(tǒng)存在水質(zhì)、水量沖擊下出水CODCr、TN超標(biāo)的問題,將原有MSBR生化池系統(tǒng)的好氧區(qū)(單元6)進(jìn)行重新分割,并增加好氧區(qū)容積,在好氧區(qū)內(nèi)增加了填料,升級改造為MBBR,可不增加污水處理廠占地面積,投資較省。

(2)增加了缺氧池停留時間,且好氧區(qū)填料表面生長的微生物量大、硝化菌多,能夠耐受較高的CODCr負(fù)荷和氨氮負(fù)荷,脫落的生物膜能夠補(bǔ)充活性污泥內(nèi)的硝化菌,總體上有利于提高TN去除率。

(3)單元5可以在好氧和缺氧之間靈活轉(zhuǎn)換,保留了底部曝氣系統(tǒng),并新增攪拌器,可以應(yīng)對進(jìn)水水質(zhì)的波動,保證出水效果。

5 運(yùn)行效果與運(yùn)行費(fèi)用

污水處理廠改造完成后,經(jīng)過調(diào)試后穩(wěn)定運(yùn)行,出水達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn),氨氮和TN達(dá)到了更嚴(yán)格的排放要求。主要水質(zhì)檢測指標(biāo)如表3所示。

表3 改造后的污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)

升級改造后的污水處理運(yùn)行費(fèi)用為1.23元/m3,其中包括人工費(fèi)、動力費(fèi)、藥劑費(fèi)、維修費(fèi)、折舊攤銷成本等。

6 結(jié)論

(1)近年來,各地環(huán)保要求提高,對污水處理廠出水的排放要求也更加嚴(yán)格,尤其是敏感水域?qū)Φ⒘椎呐欧畔拗?比國標(biāo)一級A更加嚴(yán)格。當(dāng)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生波動、水量偏高或冬季水溫降低時,常規(guī)MSBR工藝出水TN穩(wěn)定達(dá)到更嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)比較困難,因此,采用MBBR工藝在盡量不增加占地面積的前提下對污水處理廠進(jìn)行擴(kuò)容和提標(biāo)改造成為首選手段。

(2)MBBR工藝處理系統(tǒng)包括填料、進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng)、輔助穿孔曝氣系統(tǒng)、填料專用推流器等,通過在好氧池增加懸浮填料,提高優(yōu)勢菌種濃度,并形成良好的硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)環(huán)境,可有效提高脫氮負(fù)荷和脫氮效率,尤其適合于污水處理廠的提標(biāo)改造。

(3)在實(shí)際工程應(yīng)用中,將現(xiàn)有MSBR改造成MSBR-MBBR生化泥膜混合活性污泥系統(tǒng),通過計(jì)算確定填料體積以及好氧池與厭氧池池容,對MSBR池體構(gòu)造進(jìn)行重新布置,配合設(shè)備的改造,完全可以達(dá)到預(yù)期效果。該污水處理廠升級改造后,處理規(guī)模由原來的20萬m3/d擴(kuò)容到25萬m3/d,出水氨氮、TN由原來的5(8)、15 mg/L提高到1.5(3)、10 mg/L。