隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的全面推進(jìn)，污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)愈來(lái)愈高。《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求TN≤15mg/L，而北京、山東等地方標(biāo)準(zhǔn)則明確提出TN≤10mg/L。標(biāo)準(zhǔn)的提升不僅限于水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)出水水質(zhì)穩(wěn)定性方面的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。因此，需強(qiáng)化污水處理工藝的脫氮能力，一方面可以通過(guò)增大原工藝碳源投加量的方式來(lái)提升反硝化效果，但運(yùn)行費(fèi)用較高，且增加了碳排放量；另一方面，可以通過(guò)新增深度脫氮設(shè)施的方式強(qiáng)化TN去除，常采用生物膜法，通過(guò)高效富集反硝化菌群實(shí)現(xiàn)脫氮效率的提升，降低外碳源的投加和碳排放量。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）基于其功能菌富集能力強(qiáng)、占地面積小、運(yùn)維簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，在污水處理廠新、改、擴(kuò)建中得到了廣泛應(yīng)用，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)以上排放標(biāo)準(zhǔn)，在污水處理廠深度脫氮方面具有較大的潛力和優(yōu)勢(shì)。

以山東某污水處理廠為例，分析純膜MBBR工藝應(yīng)用于污水處理廠深度脫氮的設(shè)計(jì)思路及運(yùn)行效果，以期為污水高效脫氮提供技術(shù)參考。

1、項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

山東某污水處理廠分兩期建設(shè)，其中一期工程采用百樂(lè)克（BIOLAK）工藝，于2003年11月正式投產(chǎn)，處理規(guī)模為4×104m3/d。百樂(lè)克工藝平面布置及升級(jí)改造可用地如圖1所示。項(xiàng)目建成初期，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)》（GB18918—2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)；2020年，通過(guò)強(qiáng)化碳源投加和新增深度處理，出水水質(zhì)提升至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；至2023年，該項(xiàng)目已運(yùn)行3年，出水水質(zhì)整體能夠滿(mǎn)足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但在脫氮方面面臨藥劑費(fèi)用高以及穩(wěn)定性差兩大難題。

①碳源投加量大：為實(shí)現(xiàn)TN≤15mg/L的目標(biāo)，需投加大量碳源。根據(jù)沿程斷面核算，C/N高達(dá)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(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時(shí)大量的碳源投加也影響了好氧硝化過(guò)程，導(dǎo)致好氧區(qū)曝氣需求量的提升。

②脫氮穩(wěn)定性差：由于硝化和反硝化在同一池體中進(jìn)行且兩者需要的反應(yīng)條件不同，因此需根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)變化頻繁調(diào)整運(yùn)行條件，氨氮與總氮控制面臨矛盾，難以實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化穩(wěn)定的平衡關(guān)系，系統(tǒng)耐沖擊能力一般，出水穩(wěn)定性較差。

因此，需對(duì)原百樂(lè)克工藝進(jìn)行升級(jí)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(yùn)行費(fèi)用，提高出水穩(wěn)定性。

1.2 升級(jí)難點(diǎn)

由于百樂(lè)克工藝不適合采用原池改造方式強(qiáng)化處理性能，因此擬通過(guò)新建深度脫氮單元的方式予以強(qiáng)化，原百樂(lè)克工藝以硝化為主、脫氮為輔，而新建工藝以脫氮為主。針對(duì)實(shí)際改造需求，該項(xiàng)目面臨新建工藝可用地少、運(yùn)行效率要求高兩大難題。

①新建工藝可用地少：該項(xiàng)目需在廠內(nèi)完成新建，但該廠基本無(wú)預(yù)留地，僅能在靠近百樂(lè)克工藝旁的綠化帶進(jìn)行建設(shè)，可用地面積400m2，新建項(xiàng)目噸水占地≤0.01m2（/m3·d-1）。

②運(yùn)行效率要求高：該項(xiàng)目并非簡(jiǎn)單的升級(jí)改造，而是生化功能區(qū)的進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)計(jì)改造后新建項(xiàng)目承擔(dān)20mg/L的脫氮任務(wù)。該過(guò)程不僅要求在有限的土地上完成，還需在原百樂(lè)克工藝脫氮的基礎(chǔ)上降低碳源投加量，并保證穩(wěn)定的脫氮效果。因此，無(wú)論是對(duì)脫氮效率，還是對(duì)碳源利用效率，均有較高的要求。

2、工藝比選

污水經(jīng)百樂(lè)克工藝處理后，出水TN以硝態(tài)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(diǎn)是微生物以附著態(tài)形式高效富集在載體表面，功能菌富集效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)活性污泥法。生物膜法根據(jù)載體流態(tài)的不同又可以分為固定床式和移動(dòng)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(zhǎng)載體，通過(guò)外加碳源充分發(fā)揮生物膜的反硝化脫氮作用以及濾料的過(guò)濾作用，實(shí)現(xiàn)NO3--N和SS等多項(xiàng)污染物的同步去除，具有處理水質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)需設(shè)置二沉池和工藝緊湊的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于污水廠的提標(biāo)改造，可作為深度處理單元強(qiáng)化去除二級(jí)生化系統(tǒng)的出水TN，但在運(yùn)行過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注C/N對(duì)深度脫氮效果的影響。坪塘污水處理廠一期提標(biāo)改造項(xiàng)目處理規(guī)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(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，噸水占地約為0.045m2（/m3·d-1），實(shí)現(xiàn)了節(jié)約占地和高效處理的目的，但C/N高達(dá)18.34。成都市第九再生水廠為滿(mǎn)足新地標(biāo)對(duì)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(biāo)工藝，C/N為5.7，實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)下的深度處理。海寧丁橋污水處理廠無(wú)法滿(mǎn)足錢(qián)塘江流域要求的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)接近地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但C/N高達(dá)15.68，脫氮費(fèi)用較高。此外，濾池工藝需定期進(jìn)行反沖洗，常采用氣水反沖的方式，對(duì)運(yùn)行穩(wěn)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(wěn)定性的問(wèn)題，將硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)應(yīng)用于反硝化濾池的研究受到廣泛關(guān)注。硫自養(yǎng)反硝化是在厭氧或缺氧條件下，利用硫單質(zhì)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(wú)需碳源、運(yùn)行成本低、污泥產(chǎn)量低的優(yōu)點(diǎn)。宋慶原等研究了硫自養(yǎng)反硝化濾池對(duì)二級(jí)出水的脫氮效果，在優(yōu)化中試工況后，硝酸鹽氮去除率穩(wěn)定在95%以上，但濾料消耗率每年達(dá)20%，同時(shí)出現(xiàn)了出水硫酸鹽濃度增加和pH降低的現(xiàn)象。為避免硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，李天昕等以硫與石灰石粉混合造粒的方式制備填料，通過(guò)在濾床內(nèi)加入一定比例的石灰石，中和產(chǎn)生的酸度，同時(shí)生成CaSO4沉淀，降低了出水硫酸鹽濃度，有效解決了產(chǎn)酸和硫酸根含量高的問(wèn)題；但石灰石在系統(tǒng)內(nèi)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(yùn)行成本。目前關(guān)于硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)的研究主要為小試和中試，可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)不足，在推廣至工業(yè)產(chǎn)業(yè)化之前還需一定應(yīng)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(diǎn)關(guān)注的新型污水處理技術(shù)，其利用密度接近于水的懸浮載體專(zhuān)性富集微生物形成生物膜，達(dá)到深度脫氮的目的，同時(shí)流化床生物膜法也無(wú)濾料堵塞及反沖洗問(wèn)題。目前，純膜MBBR用于污水廠深度脫氮在國(guó)外已有20余年的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鄭志佳等以?xún)杉?jí)純膜MBBR工藝進(jìn)行深度反硝化脫氮，當(dāng)C/N=4.0時(shí)，系統(tǒng)出水硝態(tài)氮穩(wěn)定在（1.87±1.07）mg/L，TN平均去除率為93.3%；某市開(kāi)發(fā)區(qū)污水處理廠新建MBBR生物池作為三級(jí)深度處理強(qiáng)化脫氮，純膜MBBR缺氧段的TN去除負(fù)荷為1.1g/（m2·d），提高了系統(tǒng)脫氮的可靠性；高彥博等為實(shí)現(xiàn)原廠提量，新建兩級(jí)AO的純膜MBBR生物池，出水TN穩(wěn)定低于5mg/L，脫氮效率較高。可見(jiàn)，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(fù)荷高、占地面積小的優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)設(shè)備的要求亦較高，需要可靠的設(shè)備支撐工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。深度脫氮常用工藝對(duì)比如表1所示。

綜合對(duì)比來(lái)看，硫自養(yǎng)反硝化工藝雖無(wú)需碳源投加，但目前應(yīng)用尚不成熟且存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，此次升級(jí)改造暫不考慮選用；反硝化濾池雖應(yīng)用廣泛，但其多用于污水廠提標(biāo)改造，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水TN大多分別為15、12mg/L，可承擔(dān)的TN去除量較少。由于該項(xiàng)目需滿(mǎn)足長(zhǎng)期高TN去除的要求，在運(yùn)行上會(huì)大幅縮短濾池的反沖洗周期，增加運(yùn)維難度和不穩(wěn)定性，而純膜MBBR工藝兼具碳源利用率高、無(wú)需反沖洗以及應(yīng)用成熟、無(wú)二次污染的優(yōu)勢(shì)。綜合考慮工藝難點(diǎn)與改造需求，該項(xiàng)目最終采用新建純膜MBBR生物池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MBBR池）作為一期工程的深度脫氮方案，按照C/N=4.5進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)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(jìn)水經(jīng)細(xì)格柵、旋流沉砂池和初沉池處理后，在百樂(lè)克生物池完成有機(jī)物、氨氮等的去除，經(jīng)提升泵進(jìn)入MBBR池，進(jìn)行TN的深度去除。MBBR池設(shè)計(jì)進(jìn)水TN為35mg/L、出水TN≤15mg/L。MBBR池出水經(jīng)二次提升泵進(jìn)入原廠深度處理，進(jìn)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(yùn)處理處置。

3.2 新建MBBR池

MBBR池采用AO工藝，采用利浦罐進(jìn)行裝配式施工，用時(shí)30d。系統(tǒng)總停留時(shí)間1.43h。罐體內(nèi)分別投加SPR-Ⅲ型好氧和缺氧專(zhuān)用懸浮載體，好氧區(qū)填充率60%，缺氧區(qū)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(qū)設(shè)置MBBR專(zhuān)用變頻攪拌器（SPR型）4臺(tái)，N=5.5kW，為懸浮載體提供均勻充分的流化動(dòng)力，保障流化效果；懸浮載體掛膜成熟后，攪拌器常規(guī)開(kāi)啟2臺(tái)，另外2臺(tái)作為熱備。好氧區(qū)采用螺桿風(fēng)機(jī)曝氣，單臺(tái)風(fēng)量14.50m3/min，風(fēng)壓90kPa，N=22kW，設(shè)好氧區(qū)專(zhuān)用穿孔管曝氣器（SPR型）1套，由于所需曝氣量較少，平時(shí)可利用原廠一期風(fēng)機(jī)進(jìn)行曝氣，新置風(fēng)機(jī)與一期風(fēng)機(jī)互為備用。好氧區(qū)和缺氧區(qū)安裝新材料攔截篩網(wǎng)（SPR型），厚12mm，滿(mǎn)足30年使用壽命要求。

3.3 新建配套設(shè)施

進(jìn)水系統(tǒng)：百樂(lè)克生物池出水經(jīng)提升后進(jìn)入MBBR池，設(shè)進(jìn)水泵4臺(tái)（2用2備），單臺(tái)Q=840m3/h、H=65kPa、N=30kW。

碳源投加系統(tǒng)：一期百樂(lè)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(shè)4臺(tái)計(jì)量泵（2用2備），單臺(tái)Q=300L/h、H=200kPa、N=0.37kW。

4、運(yùn)行效果

該項(xiàng)目建成后總占地296m2，噸水占地0.0074m2（/m3·d-1），有效解決了實(shí)施周期短、用地受限等難題。該項(xiàng)目于2023年9月正式投產(chǎn)，連續(xù)監(jiān)測(cè)運(yùn)行效果至2024年1月，取日均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該項(xiàng)目處理水量為（38758.14±783.16）m3/d，達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)水量的96.9%。運(yùn)行上百樂(lè)克生物池?zé)o需兼顧系統(tǒng)硝化與反硝化的平衡，專(zhuān)注于強(qiáng)化去除進(jìn)水氨氮，出水氨氮僅（0.77±0.15）mg/L；同時(shí)，百樂(lè)克生物池實(shí)現(xiàn)了碳源的“零投加”。MBBR池進(jìn)水TN達(dá)（27.98±2.23）mg/L，出水TN僅（10.11±1.67）mg/L，穩(wěn)定優(yōu)于設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行反硝化速率測(cè)定，在最優(yōu)運(yùn)行條件下，反硝化速率達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.8倍，大幅提高了系統(tǒng)的脫氮效率。MBBR池仍通過(guò)傳統(tǒng)反硝化過(guò)程進(jìn)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(dá)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(xiàng)目可以節(jié)省30%~40%的碳源投加量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。項(xiàng)目升級(jí)改造后，由于外投碳源的減量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的污泥減量。

該項(xiàng)目總投資為800萬(wàn)元，實(shí)際投資回收期僅為3.02年，較設(shè)計(jì)期限縮短59.02%，實(shí)現(xiàn)了污水廠的低碳改造和節(jié)能降耗。值得注意的是，在進(jìn)水高硝態(tài)氮、低C/N的條件下，MBBR池缺氧區(qū)出水TN中亞硝態(tài)氮濃度達(dá)4.34mg/L。亞硝態(tài)氮是實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化過(guò)程的核心基質(zhì)，也是限制主流厭氧氨氧化過(guò)程的主要因素，該項(xiàng)目采用生物膜法實(shí)現(xiàn)了亞硝態(tài)氮的積累，為后續(xù)主流厭氧氨氧化的調(diào)試提供了基礎(chǔ)條件。

5、結(jié)語(yǔ)

山東某污水處理廠通過(guò)新建純膜MBBR設(shè)施對(duì)原廠百樂(lè)克工藝進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)滿(mǎn)足節(jié)能降耗、深度脫氮的需求。新建設(shè)施利用邊角空地建設(shè)，噸水占地僅為0.0074m2（/m3·d-1）。項(xiàng)目實(shí)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(lè)克原池實(shí)現(xiàn)碳源“零投加”，碳源費(fèi)用較改造前降低37.29%。該項(xiàng)目實(shí)際投資回收期僅為3.02年，較設(shè)計(jì)值縮短59.02%。通過(guò)新建純膜MBBR工藝深度脫氮，解決了百樂(lè)克工藝硝化與脫氮之間的矛盾，顯著提升了系統(tǒng)的抗沖擊能力，大幅提高了出水穩(wěn)定性，為污水處理廠提質(zhì)增效和節(jié)能降耗提供了新的解決方案。