MSBR工藝在污水處理廠中的應(yīng)用
——以江蘇某污水處理廠為例

梁 郡

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與人們生活水平的日益提高，用水量持續(xù)增加，相應(yīng)污水處理設(shè)施的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。截至2020年1月底，全國共有10 113個(gè)污水處理廠核發(fā)了排污許可。據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，2019年城市和縣城污水處理能力超過2.1億m3/d[1]。目前，全國污水處理廠中污水處理能力約1.9億m3/d，且出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的，占比約83%。2019年，江蘇省共有污水處理廠828座，產(chǎn)能合計(jì)1 746萬t/d，其中，一級(jí)A及以上出水標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能為1 555萬t/d。江蘇某5萬t/d化工園區(qū)污水處理廠提標(biāo)改造后，出水水質(zhì)從一級(jí)B提升至一級(jí)A[2]；無錫某5萬t/d市政污水處理廠擴(kuò)建工程采用MSBR工藝，達(dá)到地表水Ⅳ類的出水標(biāo)準(zhǔn)[3]。目前，污水處理廠的核心處理工藝多采用如AAO、氧化溝等傳統(tǒng)工藝，往往占地面積大，噸水用地指標(biāo)偏高。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增長，城市用地愈發(fā)緊張，集約的污水處理廠設(shè)計(jì)成為趨勢(shì)。MSBR工藝將SBR工藝與AAO工藝的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，生化反應(yīng)速率高，脫氮除磷效果好，運(yùn)行靈活，控制方便，在處理效率、占地及運(yùn)行費(fèi)用方面均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝[4]。

1 工程概況

江蘇某縣的生活污水及工業(yè)廢水由于天然河流造成分隔、管網(wǎng)輸送距離較長，不適宜經(jīng)收集再輸送至現(xiàn)有的污水處理廠進(jìn)行處理，需新建與之相匹配的污水處理設(shè)施。污水處理廠的遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬m3/d，近期設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬m3/d，其中，一階段設(shè)備安裝規(guī)模為2.5萬m3/d。

進(jìn)水由生活污水和工業(yè)廢水組成，其中，工業(yè)廢水約占25%。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)分別考慮生活及工業(yè)污水各自的水質(zhì)特點(diǎn)，通過用水量權(quán)重加權(quán)平均可得。生活污水水質(zhì)以參考設(shè)計(jì)手冊(cè)中典型的生活污水水質(zhì)為基準(zhǔn)，考慮當(dāng)?shù)厣钏?，適當(dāng)下調(diào)。工業(yè)廢水水質(zhì)按照《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 343—2010)表1中最高允許值，根據(jù)水量加權(quán)平均結(jié)果，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)加權(quán)平均結(jié)果Tab.1 Weighted Average Results of Design Influent Water Quality

出水水質(zhì)滿足國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，具體設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表 2所示。外運(yùn)污泥含水率指標(biāo)低于60%。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Design Influent and Effluent Water Quality

2 工藝流程

根據(jù)出水水質(zhì)要求，處理工藝主要以去除污水中的BOD5、CODCr、TN、TP、NH3-N、SS等污染物為目的。目前，國內(nèi)城市污水處理廠大多采用二級(jí)生化污水處理工藝及深度處理工藝，一般為活性污泥法及其變型工藝。這類工藝工程實(shí)際使用歷史最長、應(yīng)用最為廣泛、可靠度高、運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)最為豐富，部分變型工藝對(duì)TN、TP的去除效果較高。

2.1 核心工藝比選

本工程進(jìn)水BOD5/CODCr=170/380=0.45，可生化性較好，可采用生物處理方法去除有機(jī)物。生物強(qiáng)化處理是整個(gè)污水處理工藝流程的核心，處理構(gòu)筑物的水力停留時(shí)間最長，相應(yīng)占地面積也最大。我國城市污水處理廠采用的二級(jí)處理核心工藝中，大部分仍然是傳統(tǒng)活性污泥法在曝氣方式、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)池型等方面發(fā)展出的各種變型工藝，以氧化溝、AAO和SBR為主。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，應(yīng)用這幾種工藝的相似規(guī)模和水質(zhì)的污水處理廠的噸水用地指標(biāo)如表 3所示。根據(jù)用地紅線面積計(jì)算，該污水處理廠的綜合用地指標(biāo)為0.611 m2/(m3·d)，低于上述幾種工藝的一般用地指標(biāo)；按照《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)》，也屬于城市污水處理廠建設(shè)用地控制面積的IV類低值，用地較為緊張。因此，本工程適合采用集約化、一體化程度高的生物處理工藝。

表3 各二級(jí)處理工藝用地指標(biāo)Tab.3 Land Use Index of Varied Secondary Treatment Processes

目前，常用的核心生物處理工藝主要為AAO、氧化溝和SBR工藝。應(yīng)用最多的AAO工藝為利用活性污泥在推流式厭氧-缺氧-好氧環(huán)境中的作用，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物降解和除磷，以及混合液回流實(shí)現(xiàn)脫氮。推流式反應(yīng)池中，底物濃度隨水流呈梯度降低，其起端的反應(yīng)速率高，末端的生物因已經(jīng)開始內(nèi)源呼吸，反應(yīng)速率低，整體反應(yīng)速率不高，導(dǎo)致反應(yīng)池停留時(shí)間偏長，占地偏大。二沉池回流污泥中的硝態(tài)氮對(duì)厭氧區(qū)中聚磷菌的碳源利用有不利影響，影響除磷效果。AAO工藝不是一體化的，其還需后接單獨(dú)的二沉池完成泥水分離，常用的圓形池型二沉池難以緊湊布置，導(dǎo)致AAO工藝的整體占地較不經(jīng)濟(jì)。一體化工藝中較常用的是三溝式氧化溝和SBR。三溝式氧化溝屬于封閉環(huán)流式池型，利用其兩側(cè)邊溝的曝氣和沉淀周期性交替運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)和泥水分離的一體化。氧化溝是一種延時(shí)曝氣活性污泥法，負(fù)荷低，曝氣池的池容大，所需相關(guān)設(shè)備投資大，應(yīng)用受場地、設(shè)備等限制[5]。相較于AAO工藝常用的6 m甚至7 m設(shè)計(jì)水深，氧化溝的設(shè)計(jì)水深往往不超過4.5 m，因此，占地面積更大。SBR即序批式活性污泥法，間歇進(jìn)水，將調(diào)節(jié)池、好氧池、缺氧池及二沉池的功能集中在一個(gè)單元內(nèi)，通過一體化池交替進(jìn)行不同模式的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)活性污泥法的整個(gè)過程，本質(zhì)是將推流式池型從空間上改為時(shí)間上實(shí)施。MSBR是連續(xù)流序批式活性污泥法新工藝(modified sequencing batch reacto)，前半段類似傳統(tǒng)AAO工藝，后半段為2組交替進(jìn)行循環(huán)缺氧反硝化、好氧穩(wěn)定和沉淀作用的序批池。傳統(tǒng)SBR及其變形工藝采用潷水器排水，系統(tǒng)有相當(dāng)一部分時(shí)間不在高水位運(yùn)行，其反應(yīng)體積的使用率降低，反應(yīng)池容積沒有得到充分利用，而MSBR系統(tǒng)始終保持滿水位、恒水位運(yùn)行，在較小的體積內(nèi)可保持高的去除率[6]。MSBR將SBR工藝與AAO工藝的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，尤其是碳源的分配利用較合理，系統(tǒng)的各單元為各優(yōu)勢(shì)菌種的生長繁殖創(chuàng)造了最佳的環(huán)境條件，生化反應(yīng)速率高，脫氮除磷效果好，運(yùn)行靈活，控制方便，在處理效率、占地及運(yùn)行費(fèi)用方面均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

2.2 深度處理工藝比選

經(jīng)過強(qiáng)化生物處理后，二級(jí)出水仍無法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污染物主要為SS和TP。針對(duì)以上2種污染物，目前較為成熟的工藝有混凝-沉淀-過濾工藝和膜工藝[7]。對(duì)于一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)下的生活污水而言，膜工藝的設(shè)備費(fèi)用偏高，運(yùn)行成本偏貴，因此，深度處理工藝較常采用混凝-沉淀-過濾工藝。采用微孔過濾技術(shù)的濾布濾池出水SS穩(wěn)定，設(shè)備緊湊，反洗系統(tǒng)簡單，水損也較砂濾池大幅減小，近年來在污水處理廠中的應(yīng)用越來越多。

2.3 工藝流程

本工程的二級(jí)生物處理工藝采用MSBR，深度處理過濾工藝采用濾布濾池，工藝流程如圖1所示。

3 工藝設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)水泵房

泵房與粗格柵井合建為1座進(jìn)水泵房，廠外污水、廠區(qū)生活污水以及污水污泥處理過程中產(chǎn)生的污水全部進(jìn)入進(jìn)水泵房。土建按照遠(yuǎn)期10萬m3/d規(guī)模(按照綜合變化系數(shù)Kz=1.3考慮峰值流量)建設(shè)，設(shè)備按照2.5萬m3/d(按照綜合變化系數(shù)Kz=1.47考慮峰值流量)配置。平面尺寸為23.95 m×13.4 m，池深約9.65 m，有效水深為1.5 m。配置反撈式格柵除污機(jī)械粗格柵、螺旋輸送柵渣壓實(shí)一體機(jī)、潛水排污泵等。

3.2 曝氣沉砂池

細(xì)格柵井與沉砂池合建為1座曝氣沉砂池，去除污水中較大的漂浮物，并攔截直徑>5 mm的固體物，以保證生物處理及污泥處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。土建按照5萬m3/d規(guī)模建設(shè)，分為并列運(yùn)行的2格，單格設(shè)計(jì)處理能力為2.5萬m3/d(按照綜合變化系數(shù)Kz=1.47考慮峰值流量)。平面尺寸為29.1 m×7.0 m，池高約4.10 m，高峰時(shí)停留時(shí)間為5 min。設(shè)置1臺(tái)橋式吸砂機(jī)，含對(duì)應(yīng)2格的2套吸沙泵系統(tǒng)。近期2.5萬m3/d時(shí)可運(yùn)行1格，因此，主要設(shè)備也按照5萬m3/d配置。另配置砂水分離器、羅茨風(fēng)機(jī)等，砂水分離器分離出來的無機(jī)砂粒作為垃圾外運(yùn)。

3.3 水解酸化池

新建水解酸化池1座，提高污水的可生化性。土建按5萬m3/d建設(shè)，設(shè)備按2.5萬m3/d配備，2格并聯(lián)運(yùn)行，單格處理規(guī)模為2.5萬m3/d，停留時(shí)間為5 h。配置潛水推流器、剩余污泥泵、半固定填料等。

3.4 MSBR池

MSBR池是污水處理工藝的核心，主要功能是在提供足夠氧氣的條件下，在生物反應(yīng)池中營造厭氧、缺氧、好氧環(huán)境，利用生物反應(yīng)池中大量繁殖的活性污泥，降解水中污染物，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。新建2座MSBR池，并聯(lián)運(yùn)行，單座處理規(guī)模為2.5萬m3/d。單座MSBR池分為7個(gè)處理單元，分別編號(hào)池1～7。單池各處理單元的功能、編號(hào)及設(shè)計(jì)尺寸如表4所示，系統(tǒng)流程如圖2、圖3所示。

表 4 MSBR各功能單元設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.4 Design Specifications of MSBR Function Units

圖2 MSBR系統(tǒng)原理平面圖Fig.2 Schematic Diagram of MSBR

圖3 MSBR系統(tǒng)原理流程圖Fig.3 Process Flow of MSBR

污水進(jìn)入MSBR反應(yīng)池后，首先進(jìn)入?yún)捬醭?，與回流自預(yù)缺氧池的污泥混合，富含磷的污泥在厭氧池進(jìn)行釋磷反應(yīng)后進(jìn)入缺氧池。缺氧池在系統(tǒng)中的功能為反硝化，由主曝氣池至缺氧池的回流系統(tǒng)提供硝態(tài)氮。缺氧池出水進(jìn)入主曝氣池，經(jīng)曝氣反應(yīng)完成有機(jī)物的去除、硝化以及吸磷后，進(jìn)入序批池I或序批池II。在序批池I和序批池II中，沉淀和缺氧-好氧反應(yīng)交替進(jìn)行。當(dāng)序批池I作為沉淀池出水時(shí)，序批池II首先進(jìn)行缺氧反應(yīng)，再進(jìn)行好氧反應(yīng)，或交替進(jìn)行缺氧、好氧反應(yīng)。在缺氧、好氧反應(yīng)階段或預(yù)沉階段，序批池的混合液通過回流泵回流至泥水分離池，分離池也具有一定的污泥濃縮作用，其上清液進(jìn)入主曝氣池，沉淀污泥進(jìn)入預(yù)缺氧池。預(yù)缺氧池的功能是讓回流污泥進(jìn)行一定程度的內(nèi)源反硝化脫氮，以降低硝態(tài)氮對(duì)污泥中聚磷菌厭氧釋磷的影響。經(jīng)內(nèi)源反硝化脫氮后的回流污泥再提升進(jìn)入?yún)捬醭?，與進(jìn)廠污水混合釋磷，由此完成1個(gè)循環(huán)周期。1個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期為4 h，分為6個(gè)時(shí)段，3個(gè)時(shí)段組成1.5個(gè)周期，相鄰的0.5個(gè)周期僅序批池的運(yùn)轉(zhuǎn)方式不同。

設(shè)計(jì)總水力停留時(shí)間為16.2 h，其中，厭氧停留時(shí)間為1.2 h，缺氧停留時(shí)間為1.25 h，好氧停留時(shí)間為6.7 h，序批停留時(shí)間為6.2 h?；旌弦夯亓鞅葹?50%，污泥回流比為150%。配置可升降式微孔曝氣器、撇渣浮筒攪拌裝置、低揚(yáng)程回流泵、剩余污泥泵及空氣堰等。

3.5 反應(yīng)沉淀池

新建1座反應(yīng)沉淀池，在反應(yīng)段加入混凝藥劑使污水膠體絮凝，在沉淀段分離較大粒徑絮凝體，污水澄清后出水，減輕后續(xù)濾池的負(fù)荷。在沉淀池前端投加PAC化學(xué)除磷，保證出水TP和磷酸鹽達(dá)標(biāo)排放。土建按照5萬m3/d規(guī)模建設(shè)，設(shè)備按照2.5萬m3/d配置。平面尺寸為37.35 m×26.65 m，池深為6.6 m。設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間為19.5 min，設(shè)計(jì)沉淀表面負(fù)荷為4.44 m3/(m2·h)。PAC加藥量為10 mg/L，PAM加藥量為0.5 mg/L。配置濃縮刮泥機(jī)、加藥攪拌器、反應(yīng)攪拌機(jī)、污泥泵等。

3.6 濾布濾池及消毒池

作為深度處理的濾布濾池，主要功能是利用壓差使懸浮物通過多孔性介質(zhì)，使固體顆粒被截留，實(shí)現(xiàn)懸浮液中固、液的有效分離，進(jìn)一步去除污水中的SS及附著在SS上的BOD5、CODCr和TP。新建1座2格濾池及消毒池，單格處理規(guī)模為2.5萬m3/d。土建按照5萬m3/d規(guī)模建設(shè)，設(shè)備按照2.5萬m3/d配置。平面總尺寸為20.8 m×8.9 m，池深為3.5 m。配置圓盤形濾布過濾裝置，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為2.79 L/(s·m2)濾布，固體顆粒負(fù)荷為15.87 kg TSS/(m2濾布·d)。

出水消毒采用紫外消毒。設(shè)計(jì)為渠道式消毒，設(shè)置2根并聯(lián)渠道，每格溝道各設(shè)置1套消毒成套設(shè)備，用253.7 nm波長的紫外光照射澄清的出水，通過紫外光破壞細(xì)菌細(xì)胞蛋白質(zhì)達(dá)到滅活細(xì)菌的目的。

3.7 儲(chǔ)泥池

新建1座2格儲(chǔ)泥池，每座處理規(guī)模為5.0萬m3/d，用于儲(chǔ)存廠內(nèi)排放的剩余污泥，保證濃縮裝置正常運(yùn)行。單座平面尺寸為10.75 m×5.5 m，有效水深為3.5 m。濕污泥流量為381.25 m3/d，含水率為99.2%。 設(shè)計(jì)污泥存儲(chǔ)時(shí)間為5.5 h。配置潛水葉輪攪拌器等。

3.8 脫水機(jī)房

新建污泥脫水機(jī)房1座，用機(jī)械濃縮方式濃縮剩余污泥，用板框壓濾脫水方式降低污泥含水率至60%以下后外運(yùn)處置。平面尺寸為42.0 m×18.0 m，高度為11.0 m。處理絕干污泥量為3 050 kg/d，添加PAM進(jìn)行污泥調(diào)理。配置機(jī)械污泥濃縮機(jī)、機(jī)進(jìn)料螺桿泵、板框壓濾機(jī)和除臭設(shè)備等。

3.9 鼓風(fēng)機(jī)房及變配電間

新建鼓風(fēng)機(jī)房1座，為生物反應(yīng)池提供氧氣，保證生物系統(tǒng)正常運(yùn)行。土建規(guī)模為10萬m3/d，近期配置設(shè)備2.5萬m3/d。平面尺寸為45.0 m×12.0 m，高度為7.7 m。設(shè)計(jì)氣水比為6.9∶1。配置空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)。

4 實(shí)際運(yùn)行情況

工程完成調(diào)試后,于2017年投入生產(chǎn)運(yùn)行。2018年9月—2019年2月的進(jìn)出水主要污染物月平均濃度及去除率如圖4、圖5所示。

圖4 進(jìn)出水NH3-N及去除率Fig.4 Influent and Effluent Concentrations and Removal Rate of NH3-N

圖5 進(jìn)出水TN及去除率Fig.5 Influent and Effluent Concentrations and Removal Rate of TN

由圖4～圖5可知，MSBR對(duì)NH3-N及TN的去除效果良好，進(jìn)水NH3-N平均濃度為28.9 mg/L，出水NH3-N平均濃度為0.61 mg/L，平均去除率達(dá)到97.9%。由進(jìn)水濃度曲線可知，6個(gè)月的運(yùn)行中，進(jìn)水NH3-N月平均濃度最高為39.16 mg/L，最低為17.79 mg/L；根據(jù)日監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)水NH3-N最高濃度達(dá)到43.8 mg/L，最低濃度為4.17 mg/L，波動(dòng)較大。在此情況下，出水NH3-N月平均濃度穩(wěn)定低于1.0 mg/L，最低為0.43 mg/L，可見，MSBR在去除NH3-N上具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力。進(jìn)水TN平均濃度為31.80 mg/L，最高為42.43 mg/L，出水TN平均濃度為10.98 mg/L，最低為9.76 mg/L，TN的平均去除率為65.4%，平均出水TN濃度穩(wěn)定低于15 mg/L。出水的NH3-N及TN濃度均達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即一級(jí)A指標(biāo)。

5 投資及成本

本工程總投資為10 507.33萬元，單位處理成本為1.28元/m3，其中，單位經(jīng)營成本為0.82元/m3，單位處理可變成本為0.35元/m3。

6 結(jié)論

(1)MSBR池為各功能區(qū)合建的高度集約一體化池體，與傳統(tǒng)SBR相比，容積利用率更高，占地更小，泥水分離區(qū)進(jìn)行脫氮后回流的污泥可減少對(duì)除磷的影響。

(2)水解酸化+MSBR+濾布濾池工藝的脫氮效果達(dá)到出水NH3-N濃度低于1.0 mg/L，出水TN濃度低于11.0 mg/L。

(3)MSBR工藝結(jié)合了AAO和SBR工藝優(yōu)點(diǎn)，適合脫氮要求高和用地緊張的污水處理廠采用。