MBBR 工藝用于污水處理廠提標改造調試運行解析

廖夢運，范 強，吳露薇，梅英杰，吳旭東

(1.杭州臨安排水有限公司，浙江 杭州 311310；2.浦華控股有限公司，北京 100084)

浙江省杭州市某污水處理廠，總設計規(guī)模為6 萬t·d-1，采用“三溝式氧化溝+高效植物脫氮除磷深度處理”工藝，提標前總出水水質執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A 標準，其中一期工程生化段只設置了厭氧池、氧化溝處理單元，整體對總氮削減效果較差。為進一步削減污染物排放量，全面提升至浙江省地方標準《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標準》（DB33/2169-2018）（以下簡稱《浙江省地方標準》，見表1），該污水處理廠于2019 年啟動了清潔排放標準的提標改造。

表1 《浙江省地方標準》（DB 33/ 2169-2018）城鎮(zhèn)污水處理廠主要污染物排放限值Tab.1 Discharge Standard of Major Water Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant in Zhejiang Province（DB 33/ 2169-2018）

1 原有工藝運行方案分析

生化工藝段設置了厭氧池和氧化溝兩級處理單元。厭缺氧段對硝態(tài)氮的去除率均較低，分析原因如下：

（1）厭缺氧段有效池容不足 池子設計池容810m3，無必要攪拌措施，長期未清理底部淤積污泥，致有效池容不足，實際水力停留時間極短，無法發(fā)揮反硝化功能；

（2）厭缺氧段的回流比偏低 采用11kW 立式排污泵作回流，設備使用時間長，存在流量損耗，瞬時流量在300m·3h-1，計算回流比僅為90%；

（3）厭缺氧段的進水硝態(tài)氮濃度均小于理論計算值，說明回流點或回流管路設置不合理，回流混合液的硝態(tài)氮濃度偏低；

（4）實測厭缺氧段的反硝化速率極低，約為0.005~0.01kg-N/kgMLSS·d，與池容不足、缺氧條件差、污泥活性低有關，即使借助大量外加碳源也無法在厭缺氧段產生良好的反硝化效果。

2 工程改造措施

該污水處理廠通過近3 年運行數(shù)據(jù)的綜合分析，得出本次提級提標的難點是TN。而TN 提級提標思路從改善缺氧環(huán)境、提高反硝化菌數(shù)量、增大回流比等方面入手，可供選擇方案有增設缺氧池、反硝化深床濾池等。因受污水處理廠用地限制，本工程不具備新建構筑物的條件。同時，該工程面臨新標準執(zhí)行的過渡時間緊迫，該污水處理廠需在2020 年底達到《浙江省地方標準》。移動床生物膜反應器（MBBR）工藝正是一種用于污水廠生化段的原位強化技術，已應用于很多污水處理廠的提標改造[1-5]。對于本工程來說，MBBR 工藝改造無需新增用地審批，實施難度較低，施工工期短，對原生產影響較小，故經過論證，最終選擇充分利用現(xiàn)有構筑物設施進行原位改造，并結合MBBR 工藝，實現(xiàn)生化段出水TN 的穩(wěn)定達標。

該污水廠厭氧池改造后池體實際有效水深4.2m，有效池容810m3，改造仍保留了原池形，見圖1。

圖1 改造中的池體Fig.1 Anoxic pool in modification

在流態(tài)上增設了4 臺攪拌機，以充分實現(xiàn)混流效果，見圖2、3。

圖2 運行中的池體Fig.2 Anoxic pool in operation

圖3 工藝流程簡圖Fig.3 Diagram of anoxic treatment process

在池內投加缺氧懸浮活性生物填料，填充比為20%，進行生物膜培養(yǎng)，并在流化過程中對菌種進行篩選，保障氨氮穩(wěn)定達標的同時增強生化系統(tǒng)的脫氮效果。

3 結果與討論

3.1 系統(tǒng)的脫氮效果

本文對改造工藝及對照組進行了為期8 個月（2020 年3~11 月）的進出水主要指標（CODCr、NH3-N、TN、TP）采樣跟測，采樣點設置見圖4 及氧化溝出水指標（CODCr、NH3-N、TN、TP），缺氧池污泥濃度等數(shù)據(jù)進行對比采樣監(jiān)測，其總氮的去除效果見圖5、6。

圖4 采樣點位示意圖Fig.4 Diagram of sampling

對照組進水TN 濃度在5.75~23.3mg·L-1之間，TN 的去除率緩坡上升，主要原因為硝化菌和反硝化菌的活性隨著水溫帶來的上升而增強，表現(xiàn)在一段時間段內TN 去除率的整體升高。在實驗后半段（2020 年7 月14 日~11 月17 日）的TN 平均去除率在19.95%，較試驗組低10.67%，見圖5。

圖5 對照組厭氧段進出水TN 及去除率Fig.5 Removal effect of TN by control group Anoxic treatment process

試驗組進水TN 濃度在9.88~26.9mg·L-1之間，在實驗前半段（2020 年3 月24 日~6 月30 日）TN去除波動大，不具有規(guī)律性；而在實驗后半段（2020年7 月14 日~11 月17 日）TN 去除整體呈上升趨勢，上升幅度較對照組明顯，該期間TN 平均去除率在30.62%，見圖6。

圖6 試驗組缺氧段進出水TN 及去除率Fig.6 Removal effect of TN by test group Anoxic treatment process

缺氧區(qū)移動床工藝段出水主要指標均經歷從初期填料投放的相對較低去除效果，到中期去除效果相對穩(wěn)定并提升到一定水平的階段。另實驗期間，尤其在試驗后半段（2020 年7 月14 日~11 月17 日），缺氧區(qū)移動床出水除COD 外，NH3-N、TP 指標濃度及去除率表現(xiàn)均優(yōu)于對照組（表2）。

表2 兩組缺氧池出水主要指標及去除率（mg·L-1）Tab.2 Removal effect of COD、NH3-N、TP and TN of anoxic treatment process by two groups（mg·L-1）

從統(tǒng)計的生化段出水主要指標及去除率（表3）可以分析得出：

表3 兩組氧化溝出水主要指標及去除率Table3 Removal effect of COD、NH3-N、TP and TN of oxidation ditch treatment process by two group

（1）在氧化溝段，試驗組與對照組的氧化溝工藝運行模式相同，在COD、NH3-N、TN 指標及去除率表現(xiàn)相近；

（2）試驗組對TP 的削減要差于對照組，分析原因為經工藝改造后的缺氧區(qū)進行脫氮的同時也完成了大部分的TP 去除，故氧化溝段TP 去除效果相對減弱。

試驗組整個氧化溝段的平均出水TN 在10.0mg·L-1，出水TN 濃度在10mg·L-1以內的個數(shù)占128 個監(jiān)測樣本的44.5%，對照組整個氧化溝段的平均出水TN在10.5mg·L-1，出水TN 濃度在10mg·L-1以內的個數(shù)占128 個監(jiān)測樣本的34.4%。

3.2 微生物鏡檢

移動床生物膜的培養(yǎng)是直接進行厭氧掛膜，經培養(yǎng)至7 月中旬填料上的生物膜已附著肉眼可見的較薄一層生物膜（圖7A、B），7C 是顯微鏡下觀測的生物膜形態(tài)，此時觀測生物膜可見生長良好的鐘蟲（圖7D）；

至11 月中旬填料上的生物膜除可觀測到鐘蟲外，還可觀測到輪蟲（圖7E）、累枝蟲（圖7F）、表殼蟲等，這也說明經過培養(yǎng)馴化，填料上正在富集越來越多的微生物量并逐步形成一定厚度的生物膜。

圖7 填料掛膜觀測情況Fig.7 Microscopic examination diagram of suspend carrier

3.3 硝化菌種群結構

微生物群落分析選取了實驗運行10 個月的3個樣品進行微生物高通量分類測序（圖8），分別為樣品tanliao（取自填料上的膜）、樣品wuni1（取自對照組厭氧池活性污泥）和樣品wuni2（取自填料所在系統(tǒng)活性污泥）。3 個樣品中均有檢測到硝化螺旋菌門（Nitrospirota），相對豐度分別為1.67%、2.98%和3.59%。

圖8 門水平上微生物菌群的相對豐度Fig.8 Percent of community abundance on phylum level

Nitrospirota 是目前為止，很多文獻中報道的在生物脫氮過程中占主導地位的亞硝酸鹽氧化菌（NOB）[6-8]。樣品wuni2 和樣品tianliao 為同一個處理系統(tǒng)的不同樣本，樣品wuni1 為對照處理系統(tǒng)的樣本，結果表明，試驗組微生物環(huán)境中的硝化螺旋菌（Nitrospirota）所占比例達5.26%，要高于對照組硝化螺旋菌的比例，但仍低于異養(yǎng)菌在該系統(tǒng)中的比例。

4 結論

（1）缺氧區(qū)移動床作為改造工藝中一個單元，出水TN 指標經歷從初期填料投放時的相對效果不穩(wěn)定，到中期去除效果提升并穩(wěn)定在一定水平的階段。尤其在試驗后半段，填料上的生物膜已形成并達到一定程度時，對TN 的脫除率開始趨于相對穩(wěn)定，平均可以達到30%。

（2）浙江省某污水處理廠進行缺氧區(qū)MBBR 工藝原位改造，實際運行效果顯示，生化段出水COD、NH3-N、TP、TN 平均為25.9、0.546、1.13、10.0mg·L-1，通過橫向對照和縱向同期比較，缺氧區(qū)移動床+氧化溝工藝有效提升了系統(tǒng)脫氮能力，NH3-N 和TN穩(wěn)定達到了提標改造目標。

（3）高通量測序結果顯示，系統(tǒng)內的主要硝化菌門為Nitrospirota，在試驗組活性污泥中相對豐度達3.59%，填料上相對豐度為1.67%，而在對照組活性污泥中的相對豐度為2.98%。表明懸浮填料對硝化菌種有著良好的富集效果，微觀上進一步解釋了改造后工藝的生物脫氮效果良好的原因。