王黎偉，王利林，朱家麒，劉 偉

（武漢市漢陽市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430000）

生物倍增工藝（BDP）是德國恩格拜環(huán)保技術(shù)公司在多年污水處理實(shí)踐中開發(fā)的一種先進(jìn)的污水處理技術(shù)〔1〕。該工藝是一種以汽提循環(huán)流動(dòng)為主要特點(diǎn)，將活性污泥區(qū)和固液分離區(qū)建在同一構(gòu)筑物中，將供氧曝氣、污泥沉降分離和污泥回流功能集于一體的新型活性污泥工藝〔2〕。將該工藝應(yīng)用于市政污水處理廠時(shí)可分為厭氧釋磷區(qū)、汽提區(qū)、低氧曝氣區(qū)和固液分離區(qū)4 部分，風(fēng)機(jī)供氣兼具供氧、推流和提升多功能，實(shí)現(xiàn)一氣多用〔3〕。BDP 系統(tǒng)內(nèi)污水的回流量與系統(tǒng)處理水量比值為15～20，低氧曝氣區(qū)是在高污泥質(zhì)量濃度（5～8 g/L）和低溶解氧（0.3～0.5 mg/L）的工況下運(yùn)行，屬于延遲曝氣工藝〔4〕。

1 工程概況

黃陵污水處理廠位于武漢市沌口經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，占地約20 萬m2。一期采用STCC/紫外消毒的傳統(tǒng)工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為3 萬t/d，主要處理來自沌口開發(fā)區(qū)市政管網(wǎng)收集的城市污水，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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，隨著開發(fā)區(qū)的發(fā)展，污水總量增加，工業(yè)廢水比例變大，水質(zhì)成分復(fù)雜程度加劇。原一期工程污水處理工藝不再適合二期擴(kuò)建項(xiàng)目，經(jīng)過工藝比選，最終確定采用BDP 作為二期擴(kuò)建的核心工藝，并為污水處理廠三期擴(kuò)建提供參考。

一期工程中預(yù)處理單元（包括粗格柵除污機(jī)、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵除污機(jī)及旋流沉砂池）在建設(shè)初期已考慮二期擴(kuò)建容量，二期擴(kuò)建項(xiàng)目不需要新建。二期擴(kuò)建工程新建一座處理能力為6 萬t/d 的BDP 池，一座處理能力為9 萬t/d 的高密度沉淀池，一座處理能力為9 萬t/d 的精密過濾器，一座處理能力為9 萬t/d 的消毒池。黃陵污水處理廠二期擴(kuò)建項(xiàng)目于2021 年初完成全部建設(shè)任務(wù)并投入使用，已穩(wěn)定運(yùn)行近2 a。

BDP 作為二期擴(kuò)建的核心工藝，來水碳氮比約在1.9≤BOD5/TN≤2.8，在未補(bǔ)充碳源的前提下，能耗與傳統(tǒng)工藝相比減少28%以上，出水主要指標(biāo)均能穩(wěn)定滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

2 工藝結(jié)構(gòu)和流程

黃陵污水處理廠二期擴(kuò)建工程的工藝流程及BDP 系統(tǒng)平面示意見圖1、圖2。

圖1 擴(kuò)建工程的工藝流程Fig.1 Process flow of expansion project

圖2 BDP 系統(tǒng)平面示意Fig.2 Diagrammatic layout of BDP system

預(yù)處理單元出水通過重力作用流入BDP 系統(tǒng)厭氧區(qū)前端的布水器，沉淀區(qū)底部有大流量的回流混合液，可與進(jìn)水瞬間完成混合，降低進(jìn)入BDP 系統(tǒng)污水各污染物的濃度〔5〕。厭氧區(qū)為密閉環(huán)境，產(chǎn)生的臭氣由收集管送入到一體化廢氣生物處理設(shè)備進(jìn)行除臭處理，厭氧區(qū)采用機(jī)械推流器，使該區(qū)活性污泥始終處于懸浮活性狀態(tài)，避免出現(xiàn)大量厭氧污泥漂浮現(xiàn)象，有利于促進(jìn)污水中微生物對(duì)有機(jī)物的吸收利用，使聚磷菌充分進(jìn)行厭氧釋磷，為聚磷菌完成好氧吸磷做準(zhǔn)備。

在厭氧區(qū)完成有機(jī)物吸收與釋磷后的泥水混合液在曝氣推流提升的作用下進(jìn)入曝氣區(qū)。曝氣推流提升設(shè)備可為混合液提供動(dòng)能、勢能以維持必要的水力循環(huán)，同時(shí)為BDP 系統(tǒng)曝氣區(qū)進(jìn)水預(yù)曝氣，一定程度上提高曝氣區(qū)進(jìn)水溶解氧，減少曝氣區(qū)的供氧負(fù)荷，有利于曝氣區(qū)整體溶解氧的控制。

曝氣區(qū)采用微孔管曝氣技術(shù)，曝氣區(qū)整體的溶解氧控制在0.3～0.5 mg〔6〕。曝氣區(qū)溶解氧儀實(shí)時(shí)采集溶解氧數(shù)據(jù)，依據(jù)溶解氧數(shù)值所在區(qū)間，由控制系統(tǒng)設(shè)定或操作人員選擇合適的鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，改變空氣供應(yīng)量，從而達(dá)到穩(wěn)定曝氣池中溶解氧的目的。風(fēng)機(jī)頻率變化后，水中的溶解氧變化有比較長的時(shí)間滯后性，需間隔1 h 以上待溶解氧再次趨于穩(wěn)定，方可依據(jù)條件判斷是否進(jìn)行風(fēng)機(jī)頻率的再次調(diào)整。

沉淀區(qū)的結(jié)構(gòu)分為斜板澄清單元、刮泥排泥單元和底部循環(huán)通道3 部分。斜板澄清單元主要起泥水分離功能，循環(huán)液從底部經(jīng)由斜板斜管完成泥水分離。清水由上部清水區(qū)的溢流堰收集離開BDP 系統(tǒng)。污泥沉降到固液分離區(qū)底部完成污泥濃縮過程，一部分在水體動(dòng)能推動(dòng)下進(jìn)入BDP 系統(tǒng)厭氧區(qū)，與BDP 系統(tǒng)進(jìn)水充分混合后，開始新的污水處理循環(huán)，剩余污泥可借用重力或機(jī)械設(shè)備流入污泥儲(chǔ)池中，之后經(jīng)過污泥泵送入脫水機(jī)房進(jìn)行脫水處理。

3 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

BDP 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1 和表2。

表1 BDP 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of BDP system

表2 BDP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Table 2 The design inlet and outlet water quality of BDP system mg/L

4 實(shí)際運(yùn)行效果

4.1 對(duì)COD 的去除效果

連續(xù)運(yùn)行1 a，BDP 系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效果見圖3。

圖3 BDP 系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效果Fig.3 The removal effect of COD by BDP system

由圖3 可見，BDP 系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的去除效果顯著。出水COD 可長期穩(wěn)定在50～80 mg/L，出水平均BOD5為1.50 mg/L，COD、BOD5最高去除率分別達(dá)85%和95%。分析原因?yàn)樵鬯M(jìn)入BDP 系統(tǒng)后，在極短時(shí)間內(nèi)與約15～20 倍進(jìn)水流量的污泥回流混合液均勻混合，污水中污染物得到一定程度的稀釋，同時(shí)增加了污水在BDP 系統(tǒng)中的停留時(shí)間，再加上高污泥濃度環(huán)境下微生物較強(qiáng)的初期吸附與微生物降解作用，使污水經(jīng)過厭氧區(qū)、微孔曝氣區(qū)后，COD 可迅速降低。

BDP 系統(tǒng)出水底物質(zhì)量濃度為ρ0，進(jìn)水質(zhì)量濃度為ρ1，進(jìn)水流量為qV，N為回流比，回流流量為NqV，則混勻后的底物質(zhì)量濃度ρ0′計(jì)算見式（1）。

因此，當(dāng)N取15～20 時(shí)，BDP 系統(tǒng)每個(gè)循環(huán)起點(diǎn)與終點(diǎn)COD、TN、NH3-N、TP 差分別為10～20、3～4、3～4、0.25～0.30 mg/L。該質(zhì)量濃度差也稱為生物反應(yīng)器推動(dòng)力，可認(rèn)為BDP 系統(tǒng)為接近均質(zhì)型全混生物反應(yīng)器，具有優(yōu)秀的抗沖擊負(fù)荷能力，為微生物代謝提供穩(wěn)定的環(huán)境。

4.2 對(duì)氨氮的去除效果

傳統(tǒng)的污水處理工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)營中，曝氣區(qū)內(nèi)溶解氧宜控制在3～5 mg/L，且要求好氧池末端區(qū)域溶解氧不應(yīng)低于2 mg/L。BDP 系統(tǒng)采用低溶解氧過程運(yùn)行，圖4 給出了BDP 系統(tǒng)運(yùn)行1 a 的氨氮去除情況。

圖4 BDP 系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果Fig.4 The removal effect of ammonia nitrogen by BDP system

由圖4 可以看出，BDP 系統(tǒng)在低溶解氧（0.3～0.5 mg/L）下，氨氮的去除效果依然穩(wěn)定。在冬季低溫時(shí)依舊保持穩(wěn)定運(yùn)行，硝化與反硝化過程未受溫度的影響，對(duì)氨氮的去除率可保持在90%～100%。分析認(rèn)為一方面是BDP 系統(tǒng)污泥濃度高，微孔曝氣釋放小而密集的氣泡很快與污泥絮體形成三相混合體，微小氣泡可直接為污泥提供氧氣，因此即使混合液的溶解氧較低，也能保證生物絮體氧氣的供應(yīng)，從而維持較高的微生物硝化活性?？梢哉f，BDP 系統(tǒng)曝氣區(qū)溶解氧濃度不超過0.5 mg/L 正是曝氣區(qū)活性污泥充分利用溶解氧的宏觀表現(xiàn)。

4.3 對(duì)TN 的去除效果

該廠實(shí)際收集的城市污水屬于典型的低碳氮比市政污水，BOD5/TN 約為1.9，BDP 系統(tǒng)仍表現(xiàn)出了對(duì)TN 的良好去除效果。圖5 為污水處理廠的2022 年1 月至12 月BDP 系統(tǒng)進(jìn)出水TN 情況。

圖5 BDP 系統(tǒng)進(jìn)出水TN 數(shù)據(jù)Fig.5 TN of influent and effluent water of BDP system

從圖5 可以看出，在沒有添加任何外部碳源的情況下，對(duì)TN 的去除率最高達(dá)到80%左右。而且BDP 系統(tǒng)出水中NO2--N 約占TN 的76%，NO3--N 約占TN 的16%。

傳統(tǒng)的活性污泥生物脫氮理論認(rèn)為，由于硝化菌和反硝化菌在生物代謝原理上的諸多不同，多采用分別為兩類菌提供適宜各自生存的空間環(huán)境（如AO、AAO、氧化溝等），才能使不同微生物各司其職共同完成脫氮任務(wù)〔7〕。傳統(tǒng)的接觸氧化生物脫氮理論認(rèn)為，硝化菌和反硝化菌分布在生物膜外層和內(nèi)層，才能使不同微生物各司其職共同完成脫氮任務(wù)〔8〕。而BDP 系統(tǒng)形式上雖然與傳統(tǒng)的活性污泥相似，均為懸浮污泥狀態(tài)，但脫氮原理卻與接觸氧化的硝化反硝化原理更加接近。BDP 系統(tǒng)低氧曝氣區(qū)高的污泥濃度與微孔曝氣釋放小而密集的氣泡形成三相混合體，與氣泡直接接觸或鄰近的污泥絮體可獲得一定的氧供應(yīng)量，使該區(qū)域呈現(xiàn)局部好氧特征，氧供應(yīng)量不足抑制了硝酸菌的代謝過程，限制了亞酸酸鹽向硝酸鹽的轉(zhuǎn)變。因此局部好氧區(qū)域以亞硝化過程為主，主要產(chǎn)物為亞硝酸鹽；三相混合體內(nèi)部遠(yuǎn)離氣泡的污泥絮體獲得的氧供應(yīng)較少，該區(qū)域呈現(xiàn)局部缺氧或缺氧特征，以亞硝酸鹽的反硝化過程為主。微曝氣區(qū)未被反硝化的亞硝酸鹽隨污水回流到厭氧池，繼續(xù)進(jìn)行亞硝酸鹽的反硝化過程。厭氧池除反硝化過程外，還可能存在厭氧氨氧化的作用，將亞硝酸鹽與氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)狻＞C合而言，推測BDP 系統(tǒng)曝氣區(qū)通過限制溶解氧實(shí)現(xiàn)硝化反硝化耦合短程反硝化工藝，并輔厭氧區(qū)厭氧氨氧化作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的TN 脫除。

4.4 對(duì)TP 的去除效果

圖6 是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間BDP 系統(tǒng)進(jìn)出水TP數(shù)據(jù)。

圖6 BDP 系統(tǒng)進(jìn)出水TP 數(shù)據(jù)Fig.6 TP of influrnt and effluent water of BDP system

由圖6 可見，BDP 系統(tǒng)對(duì)TP 的平均去除率能達(dá)到70%以上，BDP 系統(tǒng)出水TP 穩(wěn)定在0.5～1.0 mg/L。BDP 系統(tǒng)出水進(jìn)入高密度除磷單元處理后可保證污水處理廠出水TP 低于0.5 mg/L 達(dá)標(biāo)排放〔9〕。

4.5 對(duì)SS 的去除效果

圖7 是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間BDP 系統(tǒng)進(jìn)出水SS數(shù)據(jù)。

由圖7 可以看出，BDP 系統(tǒng)出水SS 基本維持在20 mg/L 左右。BDP 系統(tǒng)沉降區(qū)設(shè)斜板結(jié)構(gòu)，兩組填料上下布置，基于淺層原理配合底部超大循環(huán)流量，既確保沉降區(qū)底部沉降的污泥可及時(shí)回流到BDP 系統(tǒng)厭氧區(qū)維持微生物系統(tǒng)必要的污泥濃度，又能滿足上清液出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 運(yùn)行能效分析

將設(shè)計(jì)規(guī)模均為6 萬t/d 的BDP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝進(jìn)行能效比較。兩種工藝所需要的設(shè)備及能耗清單詳見表3，不含剩余污泥設(shè)備能耗。

表3 設(shè)備及能耗清單Table 3 List of equipment and energy consumption

5.1 風(fēng)機(jī)能耗比較

處理規(guī)模均為6 萬t/d 的BDP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝相比，在風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率上要求基本一致。傳統(tǒng)AAO 工藝所用風(fēng)機(jī)需為好氧區(qū)提供2～5 mg/L 的溶解氧，而BDP 系統(tǒng)曝氣區(qū)只需要維持0.3～0.5 mg/L 的溶解氧，實(shí)際需氧量約為傳統(tǒng)AAO 工藝的10%，風(fēng)機(jī)所供其他氣量主要用于BDP 系統(tǒng)提氣與推流，在提氣與推流過程中完成部分氧轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)供氣的一氣多用，充分利用了風(fēng)機(jī)供氣的動(dòng)能、勢能。

與傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池相比，BDP 系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)供氣和能量上的利用程度更高。

5.2 推流器能耗比較

同處理規(guī)模BDP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝相比，BDP 系統(tǒng)僅需要在厭氧區(qū)設(shè)置推流器，推流器能耗為0.018 0 kW·h/t，其他區(qū)域推流動(dòng)力完全由風(fēng)機(jī)提供。AAO 為實(shí)現(xiàn)其功能，需在厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)設(shè)置推流設(shè)備，該部分能耗為0.040 0 kW·h/t，其總能耗約為BDP 系統(tǒng)的2.2 倍。

5.3 刮泥與污泥回流能耗比較

傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝刮泥設(shè)備的能耗為0.000 9 kW·h/t；BDP 系統(tǒng)排泥行車設(shè)備的能耗為0.002 4 kW·h/t。

BDP 系統(tǒng)污泥回流設(shè)備的能耗為0.025 6 kW·h/t；傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝污泥回流設(shè)備的能耗為（1 760+2 640）/60 000=0.073 3 kW·h/t，其能耗約為BDP 系統(tǒng)的2.8 倍。

由表3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，同處理規(guī)模BDP 系統(tǒng)能耗為0.174 0 kW·h/t，傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝能耗為0.242 2 kW·h/t，BDP 系統(tǒng)在污泥回流和流體推動(dòng)上能量利用效率優(yōu)勢明顯。BDP 系統(tǒng)可減少污水運(yùn)行能耗約0.068 2 kW·h/t，電費(fèi)成本可降低約28%。電費(fèi)按1 元/（kW·h）估算，設(shè)計(jì)規(guī)模為6萬t污水處理廠可節(jié)省電費(fèi)約148.9 萬元/a。

6 藥耗分析

6.1 碳源投加費(fèi)用對(duì)比

隨州市城南水處理廠采用傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模5 萬t/d，2022 年全年投加乙酸鈉93.7 t。

武漢市陽邏水處理廠采用傳統(tǒng)氧化溝（AAO）+配水井+二沉池工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為5 萬t/d，2022 年全年投加乙酸鈉120.8 t。

若武漢市黃陵水處理廠采用傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為6 萬t/d，全年碳源投加量約為112～145 t。采用BDP 工藝后可節(jié)省該費(fèi)用。

6.2 其他藥劑費(fèi)用對(duì)比

BDP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝出水水質(zhì)相當(dāng)，后續(xù)高密度沉淀池、消毒池單元對(duì)絮凝劑和消毒劑用量基本相當(dāng)，該部分藥劑投加費(fèi)用可認(rèn)為一致。

綜上，同處理規(guī)模BDP 系統(tǒng)與傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池工藝在藥劑投加費(fèi)用上相比，BDP 系統(tǒng)比傳統(tǒng)AAO+配水井+二沉池低，且該部分差額為AAO的碳源投加費(fèi)用。設(shè)計(jì)規(guī)模為6 萬t/d，污水處理廠采用BDP 系統(tǒng)，全年可節(jié)省碳源藥劑費(fèi)20～27 萬元。

7 結(jié)論

1）BDP 采用低溶解氧、高污泥濃度、大回流比運(yùn)行方式，對(duì)污水中COD 與BOD5有可靠的去除效果，去除率可保持在85%和95%以上，大量活性污泥回流使BDP 系統(tǒng)具有良好的抗污水負(fù)荷沖擊特性。污水廠運(yùn)行2 a 來，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

2）BDP 系統(tǒng)曝氣區(qū)的低溶解氧環(huán)境，低P、N 條件運(yùn)營期間，活性污泥始終保持良好的沉降絮凝性能，未發(fā)生污泥絲狀膨脹等事故。系統(tǒng)進(jìn)水1.9≤BOD5/TN≤2.8 時(shí)，BDP 系統(tǒng)在不投加碳源的情況下對(duì)TN 的去除率最高可達(dá)80%，對(duì)TP 的平均去除率達(dá)到70%以上，表明BDP 系統(tǒng)處理碳源不足的市政污水具有優(yōu)越性。

3）BDP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局緊湊，土地利用率高，與傳統(tǒng)AAO+二沉池工藝相比設(shè)備能耗可降低28%以上，藥劑成本也有一定程度的節(jié)約，對(duì)于污水處理廠提升改造項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。