华南某微污染水处理厂纯膜MBBR工艺改造工程设计！
摘要：华南某微污染水处理厂总处理规模260万m3/d，为改善河道水质，需对原工艺进行升级改造，其中核心控制指标为氨氮。通过对比曝气生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、纯膜MBBR对微污染水氨氮的适用性，并综合考虑进出水水质、投资运维成本、施工难易程度等因素，最终选取纯膜MBBR工艺对水厂进行改造，切割部分沉淀区改造为纯膜MBBR区。分析了不同水力池型，对于悬浮载体流态的影响。选用侧进侧出微动力混合池型的改造部分，改造后出水水质稳定，氨氮浓度低于0.5mg/L，沉淀时间降低情况下TP去除率仍维持在81%以上，优于排放要求；在水量长期超标情况下出水水质保持稳定，抗冲击负荷能力强。纯膜MBBR工艺路线简单、占地省，投资运维成本低，适于微污染水处理厂新改扩建。
微污染水，一般指受污染程度较轻的水，水质一般优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准，但劣于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中III类水标准，水质特点更接近地表水。微污染水的存在，一方面降低了河道水体评级，另一方面当作为水源水时需进行额外处理以满足给水相关标准。微污染水水质特点更接近给水，处理方法与给水流程相似。微污染水去除氨氮，若采用传统折点加氯方法，成本高，效果不理想，一般借鉴污水生化脱氮方式，生物膜法是最常用的硝化方案，曝气生物滤池（BAF）是典型的工艺之一。BAF应用时多新建为独立系统，难以在已有构筑物内改建，需额外新增占地，同时也存在投资运行费用高等问题。纯膜MBBR工艺（Pure-MBBR），作为连续流生物膜法的工艺之一，是微污染水脱氮的另一种选择方案。本文以华南某微污染水处理厂纯膜MBBR工艺升级改造项目为例，介绍了平流沉淀池内镶嵌纯膜MBBR工艺以增加脱氮功能的方法，并分析了纯膜MBBR悬浮载体流动的水力设计，以期为微污染水处理新改扩建提供参考。
01 项目背景
1.1 项目简介
华南某微污染水处理厂处理规模260万m3/d，主要处理河道水，解决城区段的河道水污染问题。该厂原工艺采用一级强化混凝沉淀工艺，有效地削减了水体悬浮物、有机物、总磷等污染物，改善了河道水质。但该工艺对氨氮几乎没有处理效果，针对氨氮的污染问题，需对水厂进行改造，使其同时具备硝化、除磷功能。考虑进水氨氮浓度变化范围较大，根据不同进水氨氮浓度分别设定出水氨氮限制、氨氮去除率和氨氮去除量要求，当进水氨氮＜3.0mg/L 时，出水氨氮≤0.5mg/L；当3.0≤进水氨氮<6mg/L时，氨氮去除率≥84%；当进水氨氮≥6.0mg/L时，氨氮去除量≥5.0mg/L，具体设计进出水水质见表1。
1.2 项目难点
本项目的主要难点包括：1）无新建用地：水厂原有工艺为一级强化混凝沉淀工艺，对悬浮物、有机物和总磷等污染物有较好的去除，但该工艺无生物处理单元，对氨氮基本无处理能力，需要增加生物处理单元，强化硝化能力，实现出水稳定达标。由于水厂内已无新建用地，需要在原混凝沉淀池的基础上进行提标改造，同时实现硝化、除磷功能；2）进水水质水量波动大：该微污染水处理厂涵盖水系多，涉及流域面广，导致进水水质水量波动较大，尤其是氨氮浓度范围广，系统处理难度大，改造后工艺需具有较强的抗冲击能力；3）实施周期短：微污染水氨氮胁迫已然形成，需快速实施，实现河道水体的恢复；4）项目投资受限：项目体量大，但总投资受限，需选择经济型工艺，降低投资。综合以上项目难点，需寻求高效、原位、稳定、快速、经济的降氨氮技术对水质净化厂进行工艺升级改造。
02 工艺选择
对于微污染水硝化，若采用活性污泥法难以有效富集微生物，一般采用生物膜法。常规的生物膜法，包括曝气生物滤池（BAF）、生物转盘、生物接触氧化等，近年来，移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR）也得到了广泛应用，其工艺对比如表2所示。
MBBR，即通过向反应器中投加悬浮载体富集生物膜，在悬浮载体流动的过程中，实现微生物的动态更新及污染物的高效去除，其在国内的工程应用规模已超过2000万m3/d。MBBR工艺，按照其系统内微生物主要存在方式，分为泥膜复合MBBR工艺（S-MBBR）和纯膜MBBR工艺（P-MBBR）。S-MBBR，行业内又称为IFAS，但IFAS包含范围更广，也包括其他载体与活性污泥复合的工艺，而S-MBBR专指悬浮载体。S-MBBR中，既包含悬浮态的活性污泥，也包含附着态的悬浮载体生物膜，处理能力以活性污泥为主，生物膜为辅，多用于污水厂提标改造和节地新建。P-MBBR工艺中，不设置污泥回流，不富集活性污泥，微生物主要以附着态的悬浮载体生物膜方式富集，其应用方式灵活，可分别用于预处理、二级处理、深度处理等。但P-MBBR在国内的应用起步较晚，近3年逐步涌现相关工程应用。肇庆某市政污水厂设计处理水量3万m3/d，二级工艺采用纯膜MBBR工艺，可实现出水氨氮低于1.5mg/L的处理目标。广东某水质净化厂设计处理水量1.8万m3/d，采用纯膜MBBR工艺作为深度处理工艺持续强化去除氨氮，保障出水氨氮稳定达到地表IV类水要求。针对于微污染水治理，纯膜MBBR工艺已在江苏盐城取了大规模的成功应用，该项目为新建源水预处理厂，处理水量30万m3/d，采用纯膜MBBR工艺保障出水水质达到地表III类水，实际运行在进水氨氮为1.4mg/L的条件下，最优可使出水氨氮低于0.1mg/L，取得了良好的应用效果。已有项目均证明了P-MBBR工艺在应对高标准情况下良好的处理效果。S-MBBR多用于改造，P-MBBR多用于新建，而P-MBBR改造还鲜有工程应用报道。
综上，结合本项目的难点及需求，拟采用纯膜MBBR进行改造，实现强化氨氮去除的目标。
03 工艺设计
3.1 工艺流程
该水质净化厂原工艺以一级强化混凝沉淀工艺为核心，上游河道水依次经过粗、细格栅、平流式沉砂池、絮凝反应池和平流沉淀池后流入河道下游，削减水体悬浮物、有机物、总磷等污染物。栅渣及污泥脱水后外运行。本次改造，将原平流沉淀池末端45m切割改造为纯膜MBBR区，其余构筑物保持原有状态不动，最大限度减少工程量。原池实现除磷、硝化的目标。改造后工艺流程见图1。
3.2 MBBR池型设计
MBBR工艺的工程应用，流化是核心，池型是关键。该工艺于2000年引入国内，但迟迟未得到工程化应用，核心是流化问题未能解决。2008年，MBBR工艺在国内实现了首个大规模的成功应用，破除了流化对于MBBR工程应用的壁垒。在该项目中，MBBR池型为循环流动池型，即在悬浮载体投加区域安装推流器，增加导流墙，形成内部循环，类似于氧化沟池型。本项目由于已有池型所限，不适合采用循环流动池型。随着MBBR工艺的不断优化与创新，已形成了好氧区在无推流作用下的悬浮载体流化池型，称之为微动力混合池。与循环流动池中悬浮载体在平面循环流动不同，微动力混合池中，悬浮载体主要是在曝气的作用下纵向循环流动。通过合理布置进出水方向，降低池内行径流速，同时曝气优化布置下在系统内部构建了池内上部自出水端指向进水端、池内下部自进水端指向出水端的内循环。对于微动力混合池的应用，核心是需要平衡气速和水的行径流速，从而确保悬浮载体良好的流化效果。
针对本项目，结合池型特点，不适合采用循环流动池。在工程设计上，综合考虑平流沉淀池出水方向、池内行径流速、处理效果等，提供两种池型，分别为侧进侧出微动力混合池型和推流池型，见图2。其中，S为侧进侧出两级微动力混合池型，P为三级推流式池型。根据实际进水水量、具体的池型规格得出池型S的水平流速以及单级长宽比分别为24.6m/h、2.7。池型P的水平流速以及单级长宽比分别为65.3m/h、1.8。不同的进水方式，导致了其水平流速差距达到2.7倍。最新发布的《室外排水设计标准》（GB50014-2021）提出，MBBR池内水平流速不应大于35m/h，且长宽比宜为2:1～4:1，当不满足此条件时，应增设导流隔墙和弧形导流隔墙，强化悬浮载体的循环流动。所以根据标准要求，本次改造纯膜MBBR工艺池型选用侧进侧出两级微动力混合池型。
3.3 功能区改造
3.3.1 沉淀池改造
水厂现有平流沉淀池12座，长×宽×高分别为115.0m×40.7m×6.5m，池底坡度0.01。每座分成5格，每格净宽 7.9m。每格设计流量4.33万m3/d，水平流速18.1mm/s，表面负荷2.0m3/(m2·h)，停留时间为106 min。本次改造将沉淀池末端45m处区域切割改造为纯膜MBBR工艺，如图3所示。拆除了沉淀池末端45m处的刮泥设施。改造后平流沉淀池池长70m，表面负荷升高至3.3m3/(m2·h)，沉淀池停留时间缩短至64min，采用网格絮凝方式实现混凝药剂充分混合。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处。
3.3.2 MBBR区改造
纯膜MBBR工艺段在原沉淀池末端45m范围内进行改造。包括新增进出水拦截系统、曝气系统、悬浮载体、MBBR智慧管理系统及配套在线仪表（氨氮仪、DO仪）等。纯膜MBBR区停留时间0.69h。投加SPR-III型悬浮载体，悬浮载体比重约 0.94～0.97，材质为HDPE，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》行业标准（CJ/T461-2014)，各级悬浮载体填充率均为40%<67%，符合悬浮载体流化要求。纯膜MBBR池设计硝化负荷＞0.174kgNH3-N/(m3·d)，确保系统的抗冲击性能。纯膜MBBR区末端有效水深3.5m，底部坡度0.01，最深处3.95m。采用微孔配合穿孔的曝气方式，为悬浮载体流化提供动力并实现充氧，由于水深较浅且进水氨氮浓度波动较大，气水比按最不利情况考虑最大为2:1。
3.3.3 其他附属构筑物
1）更换细格栅：主要用于拦截进水中的悬浮物和漂浮物。考虑原细格栅使用时间较长、故障率大、拦截效果差等问题，本次改造同时对细格栅进行了更换。共更换18台细格栅及2套皮带输送机。细格栅采用回转式齿耙清污机，Q=6500m3/h，渠宽2890mm，渠深2060mm，格栅间隙由原10mm降低为8mm，安装角度α=70°，功率3kW，304不锈钢材质，含电气自控系统。皮带输送机B=500mm，L=52m，N≤11kW。共2套，机架为304不锈钢材质，含电气自控系统；
2）新建鼓风机房：由于原厂未设置鼓风机房，本次改造需要新建。鼓风机房占地647.16m2，配套离心式鼓风机16台，共分为2组，每组8台，每组7用1备，P=43kPa，N=240kW，风量260m3/min；
3）提升泵房更换水泵：由于水厂运行时间较长，提升泵磨损严重，运行效率差，本次改造新增备用水泵2台。新增水泵采用原厂同规格、同类型水泵，为抽芯式混流泵，单台流量Q=7.523m3/s，扬程H=9.628m，带变频，采用立式异步电动机，额定转速为298r/min，额定电压为10kV，电机功率 P=710kW。
04 工艺效果
本项目规模260万m3/d，其中130万m3/d部分由青岛思普润水处理股份有限公司提供MBBR工艺包，采用侧进侧出微动力混合池型（S方案）进行改造。纯膜MBBR区投加悬浮载体后，未接种活性污泥，自然挂膜，挂膜效果如图4所示，悬浮载体投加5d后表面已经富集生物膜，30d后表面已完全被生物膜覆盖，实现了低基质条件下、无接种污泥的快速挂膜，稳定期一、二级悬浮载体生物量均值分别为2.66g/m2和2.14g/m2。跟踪了2020年8月至2021年2月项目的运行情况。水质监测期间，虽然沉淀池沉淀时间缩短了40%，但并未影响其除磷效果，在进水TP为0.89±0.22mg/L的基础上，出水TP为0.17±0.04mg/L，TP去除率达到81%，稳定优于设计标准。MBBR区进水氨氮浓度维持在3-5mg/L，均值为3.85±0.44mg/L，悬浮载体投加完成10d后，系统出水氨氮即达到设计要求，出水氨氮浓度持续稳定在0.5mg/L以下，达到0.42±0.07mg/L，稳定性强。在实际进水水量连续超过设计值15%的情况下，出水水质稳定，此外，在生物膜弹性负荷的作用下，系统能够轻松应对进水氨氮的波动，保障出水水质的稳定达标，纯膜MBBR工艺具备良好的抗水质水量冲击性能。另外130万m3/d部分采用了（P方案），工程实践也表明了其行进流速过高的问题，需进一步优化。
05 经济分析
本项目建设总投资2.63亿元，针对微污染水脱氮纯膜MBBR工艺包吨水投资55元/m3。项目运行增加能耗主要为电费，吨水电耗增加0.015～0.020kWh/m3。纯膜MBBR区不需要添加药剂及菌种，药剂费用未增加。采用PAC进行化学除磷，项目整体电药成本为0.009～0.012元/m3。
06 结论
采用纯膜MBBR工艺处理微污染水，在已有平流沉淀池末端45m区域改造，使原工艺同时具备硝化、除磷的功能。实际运行效果显示，在沉淀池沉淀时间缩短40%的情况下，未影响混凝沉淀池的除磷效果，出水TP为0.17±0.04mg/L；悬浮载体自然挂膜，投加10d后氨氮即实现了稳定达标，出水氨氮长期稳定低于0.5mg/L，系统具备良好的抗水质水量冲击性能，得益于侧进侧出微动力混合池型的设计；项目运行电药综合成本为0.009～0.012元/m3。纯膜MBBR工艺处理微污染水时吨水投资在50-100元/t，具备经济、高效、持续、稳定的优势，适于微污染原水的预处理及河道断面控制。
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