華南某微污染水處理廠純膜MBBR工藝改造工程設計！
摘要：華南某微污染水處理廠總處理規模260萬m3/d，為改善河道水質，需對原工藝進行升級改造，其中核心控制指標為氨氮。通過對比曝氣生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化、純膜MBBR對微污染水氨氮的適用性，并綜合考慮進出水水質、投資運維成本、施工難易程度等因素，最終選取純膜MBBR工藝對水廠進行改造，切割部分沉淀區改造為純膜MBBR區。分析了不同水力池型，對于懸浮載體流態的影響。選用側進側出微動力混合池型的改造部分，改造后出水水質穩定，氨氮濃度低于0.5mg/L，沉淀時間降低情況下TP去除率仍維持在81%以上，優于排放要求；在水量長期超標情況下出水水質保持穩定，抗沖擊負荷能力強。純膜MBBR工藝路線簡單、占地省，投資運維成本低，適于微污染水處理廠新改擴建。
微污染水，一般指受污染程度較輕的水，水質一般優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級A標準，但劣于《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中III類水標準，水質特點更接近地表水。微污染水的存在，一方面降低了河道水體評級，另一方面當作為水源水時需進行額外處理以滿足給水相關標準。微污染水水質特點更接近給水，處理方法與給水流程相似。微污染水去除氨氮，若采用傳統折點加氯方法，成本高，效果不理想，一般借鑒污水生化脫氮方式，生物膜法是最常用的硝化方案，曝氣生物濾池（BAF）是典型的工藝之一。BAF應用時多新建為獨立系統，難以在已有構筑物內改建，需額外新增占地，同時也存在投資運行費用高等問題。純膜MBBR工藝（Pure-MBBR），作為連續流生物膜法的工藝之一，是微污染水脫氮的另一種選擇方案。本文以華南某微污染水處理廠純膜MBBR工藝升級改造項目為例，介紹了平流沉淀池內鑲嵌純膜MBBR工藝以增加脫氮功能的方法，并分析了純膜MBBR懸浮載體流動的水力設計，以期為微污染水處理新改擴建提供參考。
01 項目背景
1.1 項目簡介
華南某微污染水處理廠處理規模260萬m3/d，主要處理河道水，解決城區段的河道水污染問題。該廠原工藝采用一級強化混凝沉淀工藝，有效地削減了水體懸浮物、有機物、總磷等污染物，改善了河道水質。但該工藝對氨氮幾乎沒有處理效果，針對氨氮的污染問題，需對水廠進行改造，使其同時具備硝化、除磷功能。考慮進水氨氮濃度變化范圍較大，根據不同進水氨氮濃度分別設定出水氨氮限制、氨氮去除率和氨氮去除量要求，當進水氨氮＜3.0mg/L 時，出水氨氮≤0.5mg/L；當3.0≤進水氨氮<6mg/L時，氨氮去除率≥84%；當進水氨氮≥6.0mg/L時，氨氮去除量≥5.0mg/L，具體設計進出水水質見表1。
1.2 項目難點
本項目的主要難點包括：1）無新建用地：水廠原有工藝為一級強化混凝沉淀工藝，對懸浮物、有機物和總磷等污染物有較好的去除，但該工藝無生物處理單元，對氨氮基本無處理能力，需要增加生物處理單元，強化硝化能力，實現出水穩定達標。由于水廠內已無新建用地，需要在原混凝沉淀池的基礎上進行提標改造，同時實現硝化、除磷功能；2）進水水質水量波動大：該微污染水處理廠涵蓋水系多，涉及流域面廣，導致進水水質水量波動較大，尤其是氨氮濃度范圍廣，系統處理難度大，改造后工藝需具有較強的抗沖擊能力；3）實施周期短：微污染水氨氮脅迫已然形成，需快速實施，實現河道水體的恢復；4）項目投資受限：項目體量大，但總投資受限，需選擇經濟型工藝，降低投資。綜合以上項目難點，需尋求高效、原位、穩定、快速、經濟的降氨氮技術對水質凈化廠進行工藝升級改造。
02?工藝選擇
對于微污染水硝化，若采用活性污泥法難以有效富集微生物，一般采用生物膜法。常規的生物膜法，包括曝氣生物濾池（BAF）、生物轉盤、生物接觸氧化等，近年來，移動床生物膜反應器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR）也得到了廣泛應用，其工藝對比如表2所示。
MBBR，即通過向反應器中投加懸浮載體富集生物膜，在懸浮載體流動的過程中，實現微生物的動態更新及污染物的高效去除，其在國內的工程應用規模已超過2000萬m3/d。MBBR工藝，按照其系統內微生物主要存在方式，分為泥膜復合MBBR工藝（S-MBBR）和純膜MBBR工藝（P-MBBR）。S-MBBR，行業內又稱為IFAS，但IFAS包含范圍更廣，也包括其他載體與活性污泥復合的工藝，而S-MBBR專指懸浮載體。S-MBBR中，既包含懸浮態的活性污泥，也包含附著態的懸浮載體生物膜，處理能力以活性污泥為主，生物膜為輔，多用于污水廠提標改造和節地新建。P-MBBR工藝中，不設置污泥回流，不富集活性污泥，微生物主要以附著態的懸浮載體生物膜方式富集，其應用方式靈活，可分別用于預處理、二級處理、深度處理等。但P-MBBR在國內的應用起步較晚，近3年逐步涌現相關工程應用。肇慶某市政污水廠設計處理水量3萬m3/d，二級工藝采用純膜MBBR工藝，可實現出水氨氮低于1.5mg/L的處理目標。廣東某水質凈化廠設計處理水量1.8萬m3/d，采用純膜MBBR工藝作為深度處理工藝持續強化去除氨氮，保障出水氨氮穩定達到地表IV類水要求。針對于微污染水治理，純膜MBBR工藝已在江蘇鹽城取了大規模的成功應用，該項目為新建源水預處理廠，處理水量30萬m3/d，采用純膜MBBR工藝保障出水水質達到地表III類水，實際運行在進水氨氮為1.4mg/L的條件下，最優可使出水氨氮低于0.1mg/L，取得了良好的應用效果。已有項目均證明了P-MBBR工藝在應對高標準情況下良好的處理效果。S-MBBR多用于改造，P-MBBR多用于新建，而P-MBBR改造還鮮有工程應用報道。
綜上，結合本項目的難點及需求，擬采用純膜MBBR進行改造，實現強化氨氮去除的目標。
03 工藝設計
3.1 工藝流程
該水質凈化廠原工藝以一級強化混凝沉淀工藝為核心，上游河道水依次經過粗、細格柵、平流式沉砂池、絮凝反應池和平流沉淀池后流入河道下游，削減水體懸浮物、有機物、總磷等污染物。柵渣及污泥脫水后外運行。本次改造，將原平流沉淀池末端45m切割改造為純膜MBBR區，其余構筑物保持原有狀態不動，最大限度減少工程量。原池實現除磷、硝化的目標。改造后工藝流程見圖1。
3.2 MBBR池型設計
MBBR工藝的工程應用，流化是核心，池型是關鍵。該工藝于2000年引入國內，但遲遲未得到工程化應用，核心是流化問題未能解決。2008年，MBBR工藝在國內實現了首個大規模的成功應用，破除了流化對于MBBR工程應用的壁壘。在該項目中，MBBR池型為循環流動池型，即在懸浮載體投加區域安裝推流器，增加導流墻，形成內部循環，類似于氧化溝池型。本項目由于已有池型所限，不適合采用循環流動池型。隨著MBBR工藝的不斷優化與創新，已形成了好氧區在無推流作用下的懸浮載體流化池型，稱之為微動力混合池。與循環流動池中懸浮載體在平面循環流動不同，微動力混合池中，懸浮載體主要是在曝氣的作用下縱向循環流動。通過合理布置進出水方向，降低池內行徑流速，同時曝氣優化布置下在系統內部構建了池內上部自出水端指向進水端、池內下部自進水端指向出水端的內循環。對于微動力混合池的應用，核心是需要平衡氣速和水的行徑流速，從而確保懸浮載體良好的流化效果。
針對本項目，結合池型特點，不適合采用循環流動池。在工程設計上，綜合考慮平流沉淀池出水方向、池內行徑流速、處理效果等，提供兩種池型，分別為側進側出微動力混合池型和推流池型，見圖2。其中，S為側進側出兩級微動力混合池型，P為三級推流式池型。根據實際進水水量、具體的池型規格得出池型S的水平流速以及單級長寬比分別為24.6m/h、2.7。池型P的水平流速以及單級長寬比分別為65.3m/h、1.8。不同的進水方式，導致了其水平流速差距達到2.7倍。最新發布的《室外排水設計標準》（GB50014-2021）提出，MBBR池內水平流速不應大于35m/h，且長寬比宜為2:1～4:1，當不滿足此條件時，應增設導流隔墻和弧形導流隔墻，強化懸浮載體的循環流動。所以根據標準要求，本次改造純膜MBBR工藝池型選用側進側出兩級微動力混合池型。
3.3 功能區改造
3.3.1 沉淀池改造
水廠現有平流沉淀池12座，長×寬×高分別為115.0m×40.7m×6.5m，池底坡度0.01。每座分成5格，每格凈寬 7.9m。每格設計流量4.33萬m3/d，水平流速18.1mm/s，表面負荷2.0m3/(m2·h)，停留時間為106 min。本次改造將沉淀池末端45m處區域切割改造為純膜MBBR工藝，如圖3所示。拆除了沉淀池末端45m處的刮泥設施。改造后平流沉淀池池長70m，表面負荷升高至3.3m3/(m2·h)，沉淀池停留時間縮短至64min，采用網格絮凝方式實現混凝藥劑充分混合。沉淀池末端水深3.95m，底部坡度0.01，坡向絮凝池方向，便于沉淀池污泥聚集至泥斗處。
3.3.2 MBBR區改造
純膜MBBR工藝段在原沉淀池末端45m范圍內進行改造。包括新增進出水攔截系統、曝氣系統、懸浮載體、MBBR智慧管理系統及配套在線儀表（氨氮儀、DO儀）等。純膜MBBR區停留時間0.69h。投加SPR-III型懸浮載體，懸浮載體比重約 0.94～0.97，材質為HDPE，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》行業標準（CJ/T461-2014)，各級懸浮載體填充率均為40%<67%，符合懸浮載體流化要求。純膜MBBR池設計硝化負荷＞0.174kgNH3-N/(m3·d)，確保系統的抗沖擊性能。純膜MBBR區末端有效水深3.5m，底部坡度0.01，最深處3.95m。采用微孔配合穿孔的曝氣方式，為懸浮載體流化提供動力并實現充氧，由于水深較淺且進水氨氮濃度波動較大，氣水比按最不利情況考慮最大為2:1。
3.3.3 其他附屬構筑物
1）更換細格柵：主要用于攔截進水中的懸浮物和漂浮物。考慮原細格柵使用時間較長、故障率大、攔截效果差等問題，本次改造同時對細格柵進行了更換。共更換18臺細格柵及2套皮帶輸送機。細格柵采用回轉式齒耙清污機，Q=6500m3/h，渠寬2890mm，渠深2060mm，格柵間隙由原10mm降低為8mm，安裝角度α=70°，功率3kW，304不銹鋼材質，含電氣自控系統。皮帶輸送機B=500mm，L=52m，N≤11kW。共2套，機架為304不銹鋼材質，含電氣自控系統；
2）新建鼓風機房：由于原廠未設置鼓風機房，本次改造需要新建。鼓風機房占地647.16m2，配套離心式鼓風機16臺，共分為2組，每組8臺，每組7用1備，P=43kPa，N=240kW，風量260m3/min；
3）提升泵房更換水泵：由于水廠運行時間較長，提升泵磨損嚴重，運行效率差，本次改造新增備用水泵2臺。新增水泵采用原廠同規格、同類型水泵，為抽芯式混流泵，單臺流量Q=7.523m3/s，揚程H=9.628m，帶變頻，采用立式異步電動機，額定轉速為298r/min，額定電壓為10kV，電機功率 P=710kW。
04 工藝效果
本項目規模260萬m3/d，其中130萬m3/d部分由青島思普潤水處理股份有限公司提供MBBR工藝包，采用側進側出微動力混合池型（S方案）進行改造。純膜MBBR區投加懸浮載體后，未接種活性污泥，自然掛膜，掛膜效果如圖4所示，懸浮載體投加5d后表面已經富集生物膜，30d后表面已完全被生物膜覆蓋，實現了低基質條件下、無接種污泥的快速掛膜，穩定期一、二級懸浮載體生物量均值分別為2.66g/m2和2.14g/m2。跟蹤了2020年8月至2021年2月項目的運行情況。水質監測期間，雖然沉淀池沉淀時間縮短了40%，但并未影響其除磷效果，在進水TP為0.89±0.22mg/L的基礎上，出水TP為0.17±0.04mg/L，TP去除率達到81%，穩定優于設計標準。MBBR區進水氨氮濃度維持在3-5mg/L，均值為3.85±0.44mg/L，懸浮載體投加完成10d后，系統出水氨氮即達到設計要求，出水氨氮濃度持續穩定在0.5mg/L以下，達到0.42±0.07mg/L，穩定性強。在實際進水水量連續超過設計值15%的情況下，出水水質穩定，此外，在生物膜彈性負荷的作用下，系統能夠輕松應對進水氨氮的波動，保障出水水質的穩定達標，純膜MBBR工藝具備良好的抗水質水量沖擊性能。另外130萬m3/d部分采用了（P方案），工程實踐也表明了其行進流速過高的問題，需進一步優化。
05 經濟分析
本項目建設總投資2.63億元，針對微污染水脫氮純膜MBBR工藝包噸水投資55元/m3。項目運行增加能耗主要為電費，噸水電耗增加0.015～0.020kWh/m3。純膜MBBR區不需要添加藥劑及菌種，藥劑費用未增加。采用PAC進行化學除磷，項目整體電藥成本為0.009～0.012元/m3。
06 結論
采用純膜MBBR工藝處理微污染水，在已有平流沉淀池末端45m區域改造，使原工藝同時具備硝化、除磷的功能。實際運行效果顯示，在沉淀池沉淀時間縮短40%的情況下，未影響混凝沉淀池的除磷效果，出水TP為0.17±0.04mg/L；懸浮載體自然掛膜，投加10d后氨氮即實現了穩定達標，出水氨氮長期穩定低于0.5mg/L，系統具備良好的抗水質水量沖擊性能，得益于側進側出微動力混合池型的設計；項目運行電藥綜合成本為0.009～0.012元/m3。純膜MBBR工藝處理微污染水時噸水投資在50-100元/t，具備經濟、高效、持續、穩定的優勢，適于微污染原水的預處理及河道斷面控制。
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