摘要
浙江某污水处理厂设计规模16万m3/d，采用Bardenpho-MBBR工艺进行改造，出水由一级B提标至准IV类水。生化部分，总容积不变且未改变厌氧及缺氧段，通过对好氧段功能重新划分，增加后置缺氧和后置好氧，并在好氧区投加悬浮载体，原池实现Bardenpho-MBBR，强化脱氮除磷效果；MBBR区采用微动力混合池型，无需使用推流器，节约投资和运行成本，利于系统运行维护。改造后，生化段COD、NH4+-N、TN出水均值分别为18.80mg/L、0.27mg/L、8.43mg/L，在未投加碳源的情况下稳定达到地表准IV类水标准，生化段出水TP均值0.48mg/L，大大减轻后深度处理负荷；TN去除率较改造前提高一倍，得益于前置缺氧脱氮效率的提高、填料区SND现象及后置缺氧区的脱氮能力；通过对系统微生物进行高通量测序，结果表明，填料对系统的硝化贡献率达到85%，并且填料上附着的反硝化菌占比达到6.46%，证明了好氧区悬浮载体上存在同步硝化反硝化过程。MBBR与Bardenpho工艺相结合技术能耗低、容积效率高、运行效果稳定，突破了常规工艺对TN去除的限制，适用于对TN要求严格的准IV类等高标准水质要求的污水处理厂新建及改造工程。
作者：吴迪郑志佳周家中孙庆花
（青岛思普润水处理股份有限公司，山东青岛266555）
随着水环境质量要求的提高，部分地区提出了准IV类水概念，即在一级A基础上，对污染物排放标准进一步限定，一般典型的准IV类水要求氨氮≤1.5mg/L，TN≤10mg/L，TP≤0.3mg/L，SS≤6mg/L，COD≤30mg/L。多数污水厂在进行一级A升级改造中已增加了深度处理以强化TP和SS的去除，通过增加投药量或降低运行负荷可能以优化运行的方式实现出水TP和SS达到准IV类水标准，但对于氨氮和TN缺乏明确的升级改造路线。污水厂历经几次提标，整体工艺流程基本定型，难有扩建用地，也难以改换工艺。生化池是污水厂池容最大的构筑物，自然也是潜力最多的构筑物；从污水处理的整体布局上，应当建立科学的改造观，氮磷处理也应当回归生化。生化工艺的强化本质上多是增加生物量，途径上区分为强化泥水分离以富集更高污泥浓度的膜工艺(MBR)，增加悬浮载体以提高污泥性能的生物膜工艺(MBBR)。由于MBBR可直接与已有活性污泥法镶嵌，改造灵活，能最大化利用现有池容和工艺流程，受到了广泛关注。自2008年无锡芦村污水处理厂成功进行了MBBR升级改造以来，近10年，国内采用MBBR工艺的市政污水厂已超过800万吨/天，涵盖各类废水、工艺、池型、标准的改造[1-6]。本文以浙江省某污水厂准IV类水升级改造工程为例，分析MBBR工艺改造方案的应用效果，为污水厂准IV类水提标改造项目提供技术参考。
1项目概况
浙江省某污水处理厂，设计规模为16万m3/d，原生化段采用A/A/O工艺，尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准。2016年该污水厂进行提标改造，要求在设计进水水量不变的情况下，尾水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（2015年征求意见稿）的特别排放限值，即准IV类水标准，如表1所示。
表1污水厂升级改造设计进出水水质表
2技术路线与设计方案
2.1改造难点
提标改造所面临的主要问题有：
1）升级改造难度大，出水水质由一级B标准直接升级至准Ⅳ类，跨度较大；
2）出水标准高，出水总氮、总磷和SS等指标都需大幅提升，对改造工艺要求更高；
3）原池改造，厂内用地有限，无生化池扩建用地，需充分挖潜现有生物池的处理能力；
4）施工难度大，生物池为全封闭结构，施工难度较大。
2.2技术路线选择
综合考虑进、出水水质及预留用地等情况先后提出两条技术路线：
技术路线I，A/A/O+高效沉淀池+反硝化深床滤池。
技术路线II，Bardenpho-MBBR+高效沉淀池+反硝化深床滤池。
技术路线I，生物池保持不变，深度处理新增高效沉淀池、反硝化深床滤池和加氯接触池，前者可以强化TP的去除，而后者可强化TN和有机物的去除，保证各项出水指标的稳定达标，但是该路线存在一系列问题：
1）升级改造仅通过新建“高效沉淀池+反硝化深床滤池”完成，将所有出水指标压力放在了深度处理构筑物上；
2）高效沉淀池仅用于化学除磷和过滤，去除TP和SS，而反硝化滤池则需承担剩余指标的去除，导致反硝化深床滤池承担负荷高，并且去除指标多，工艺控制复杂；
3）深度处理对氨氮没有降解作用，如果前端生物处理的氨氮降解不完全则会导致出水不达标；此外，硝化不足也会影响反硝化效果，导致TN出水不达标；
4）反硝化深床滤池的外加碳源利用率、需要脱除的硝态氮浓度、进水COD、出水COD指标，四者相互制约，工程上反硝化滤池一般可去除3-5mg/L硝氮，若去除更多，则面临COD超标风险，且易产生较多的污泥，出水SS较高，需要反洗频繁，而频繁反洗又不利于反硝化菌群富集，最终将导致系统运行不稳定；
5）在设计过程中，反硝化深床滤池承担越多TN的去除，投资和运行成本越高。
技术路线II，生物池由A/A/O三段式改为五段Bardenpho强化TN去除，好氧段投加填料形成MBBR工艺用以弥补五段式分隔带来的好氧硝化池容不足，新建反硝化滤池作为出水达标的保障。
考虑到技术路线I在总投资、运行费用上均较高，此外运行稳定性也较为欠缺，最终确定技术路线II作为本项目升级改造方案。技术路线II的工艺优势表现在：
1）工艺流程设置合理，充分发挥了二级生物处理的作用，Bardenpho-MBBR工艺可以保证出水COD、BOD、氨氮及TN指标的达标，深度处理确保TP及SS达标即可；
2）采用Bardenpho-MBBR工艺在确保TN达标的前提下，可以充分利用原水碳源，减少外投碳源用量；
3）MBBR工艺具有较强的抗冲击性，在进水水质水量波动较大的情况下，也能很快恢复系统的稳定性；
4）在设计中反硝化滤池无需考虑大量的TN去除，仅考虑在极端条件下的情况即可，进一步降低了占地面积。在保证TP及SS的前提下，控制指标较少，操作运行简单，且无碳源泄露等风险。
5）投资及运行成本较低。
2.3生化段改造方案
生化段原有厌氧区和缺氧区不变，将好氧池根据设计方案进行重新划分为OAO，将原A/A/O工艺改造为A/A/O+A/O(Bardenpho工艺)；第一级好氧池投加SPR-2型悬浮载体形成MBBR泥膜复合工艺，填料直径为25mm±0.5mm，高10mm±1mm，挂膜后比重与水接近，有效比表面积大于620m2/m3，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体》（CJ/T461-2014）行业标准[7]；好氧MBBR区域采用微动力混合池型，该池型具有水力条件好、无水力死角、无需推流器等特点，本项目采用微动力混合池型可节省16台专用推流器，以及每年84.096万元的电费，大大降低了投资和运行能耗。采取逐池改造的方式，不影响污水厂的正常生产。
图1改造前后生化段工艺流程图
3改造后运行效果分析
本次升级改造工程于2017年6月17日开始，到8月中旬，水量达到设计值16万m3/d条件下，所投加的悬浮载体挂膜完成。分析2017年8月20日至2018年4月10日共计234d的进出水水质数据（包含整个冬季运行阶段），并与改造前同期上一年运行数据进行对比。
3.1系统改造后对COD、TP、氨氮的去除效果
COD不是本项目的难点，改造前已基本能达到准IV类水水平。经过MBBR+Bardenpho改造后生物池进出水COD均值分别为197.12mg/L、18.80mg/L，COD去除率均值为90.46%，出水COD稳定达到准IV水标准，如图2所示。
改造后，生化池除磷效果显著增加，由于生化池并未投加混凝剂，生化池除磷效果均为生物除磷过程。改造前生物池进出水TP均值分别为4.20mg/L，1.04mg/L，去除率均值为75.24%。经过MBBR改造后生物池进出水TP均值分别为4.00mg/L、0.48mg/L，TP去除率均值为88.00%，较改造前提升11.23%，如图3所示。生物除磷效果的提升，主要是MBBR工艺对于提升生物除磷的间接效果。污泥龄是生物除磷的重要影响因素之一，聚磷菌需短泥龄。改造前，由于需要保障氨氮效果，一般运行中污泥浓度较高，泥龄更长，以确保硝化菌群在污泥中的占比，保证硝化；改造后，好氧区投加悬浮载体，实现了硝化菌群的固定富集作用，保证了硝化菌群的长泥龄，这样在一定程度上可以降低悬浮态污泥的污泥龄，强化生物除磷，特别是对溶解性TP的去除作用[8]。仅靠生物作用就使生化段出水TP低于0.5mg/L，大大减轻了后续深度处理设施的负荷，节省了运行费用。
图2改造后生化系统对COD的处理效果
图3改造后生化系统对TP的处理效果
改造前后氨氮处理水平相当，改造后生物池进出水氨氮均值分别为16.02mg/L、0.27mg/L，氨氮去除率均值为98.31%，如图4所示。改造前，由于好氧池容较大，水力停留时间长达7.8h，对氨氮有较好的处理效果，但是当进水水质水量存在冲击时，氨氮处理效果较差，系统的抗冲击能力差，此外，冬季低温时也经常出现氨氮波动的情况。MBBR改造后，在好氧区投加悬浮载体，保证了好氧区附着态微生物的泥龄大于30d，有利于长泥龄的硝化菌群的富集。填料的挂膜过程与胞外聚合物(EPS)密不可分，当微生物活性越强时，EPS分泌越旺盛，越容易挂膜；微生物活性减弱时，EPS分泌减少，在流化水力剪切的作用下脱离老化生物膜，实现生物膜的自然动态更新，保障了填料上的微生物一直处于较高的活性[9]。
图4改造后生化系统对氨氮的处理效果
3.2系统改造前后对TN的去除效果
系统在改造前进水TN均值21.55mg/L，出水均值13.91mg/L，平均去除率为35.45%，并且出水TN波动较大，不稳定。经过Bardenpho-MBBR改造后，进水TN均值为24.73mg/L，出水TN均值8.43mg/L，TN平均去除率65.91%，如图5、图6所示。
从两组数据可以对比出，系统经过Bardenpho-MBBR改造后，在进水TN负荷升高的情况下，出水依然能够稳定达标，平均去除率比改造前高出近一倍。
为进一步探索系统TN去除效果改善的原因，在2017年12月底，对系统各工艺段进行了TN去除分析。系统内各区域均有总氮去除，厌氧区、前置缺氧区、好氧MBBR区、后置缺氧区和后置好氧区的总氮去除率分别为9.57%、29.92%、9.02%、11.31%和3.62%，总氮去除率为63.44%，如图7所示。
改造前后系统的总回流比均为150%，厌氧区和前置缺氧区共去除TN39.49%，略优于改造前，原因在于系统运行的污泥浓度不再受硝化菌群长泥龄要求的限制，整个系统内污泥活性较改造前有明显提升。
图5改造前系统对TN的去除效果
图6改造后系统对TN的去除效果
在好氧区发生了明显的TN去除现象，好氧段同步硝化反硝化对TN的去除率为12.64%，合计去除氮素3.08mg/L，占总去除率的20.00%。生物膜上典型的缺/好氧微环境，以及对功能微生物的富集作用，促进了同步硝化反硝化作用的进行，使得在好氧区仍有对TN的进一步去除。在众多采用MBBR的污水厂，均在好氧填料区发现了显著的SND现象[1-3]，TN去除量在3-8mg/L不等，且基质浓度较高的污水厂，SND效果更佳显著。由于好氧填料区有机物含量已很低，进一步推测SND的碳源可能与生物膜的内碳源相关。关于生物膜、泥膜复合系统SND的研究有待进一步深化，但对于进水TN50mg/L、出水TN要求10mg/L的污水厂，TN去除率要求80%，总回流比至少需400%；当SND去除5mg/LTN时，总回流比可降至350%，且可减少25mg/LBOD碳源投加，节能降耗显著。而对于进水基质浓度不高的污水厂，甚至可完全节约外投碳源，使得MBBR除了在池容做到深度挖潜外，真正实现了基质利用上的深度挖潜，应用前景广阔。
后置缺氧区对TN的去除量为2.76mg/L，由于该区域无碳源投加，且原水碳源基本已在前端消耗殆尽，分析该段内可能是发生了内碳源的水解，产生了部分碳源被微生物利用。系统该区域内出现氨氮的少量溶解也证明了内碳源水解的发生。
图7沿程断面氮素变化
由于改造前，对于准IV类水标准，系统的COD已可稳定达到，氨氮基本可达到，COD、氨氮和TP并非改造难点，效果与经济的核心矛盾在TN上。通过Bardenpho工艺的采用，有效开发了系统的内碳源，增加了后置反硝化区，强化TN去除效果；而MBBR的使用，是系统实现原池改造Bardenpho的前提，在大幅削减好氧池容的前提下，系统氨氮处理效果并未受到影响，好氧泥龄大幅缩小的前提下未影响硝化菌群的活动，悬浮载体上SND的出现，更为节约碳源投加、降低回流比创造了条件。
在实际的运行过程中，TN的去除基本上在生化段就可以完成，深度处理的反硝化深床滤池作为保障性工艺，正常状态下按普通滤池运行，保证SS以及TP达标即可。
4MBBR工艺对功能微生物的选择作用
为进一步探究悬浮载体的作用，对本项目悬浮载体上的生物膜和悬浮态污泥进行了高通量测序分析，并同期检测了其他两个采用MBBR污水厂进行对比，结果如图8、图9所示。
图8功能菌群在污泥与填料上的占比
图9不同污水厂功能菌群在污泥与填料上的分布热图
对于本项目（XZ），分析发现，系统中主要的硝化菌群为Nitrosomonas（AOB）和Nitrospira（NOB），在悬浮载体和污泥中分别占比2.5%和27.8%、0.5%和3.8%。结合生物量测定，系统中85%的硝化过程的来自填料，15%的来自污泥，因此在对氨氮的去除过程中，填料发挥着重要的作用。最新研究表明，Nitrospira兼具AOB和NOB功能，其比生长速率低，对基质的亲和力更大，在氨氮浓度较低的环境中更具优势[10-12]。对比多个稳定达标的污水厂发现，Nitrospira是否是硝化菌群的优势菌种及占比是系统是否稳定的良好指示性微生物。另外，在填料也检出大量的反硝化菌，如Simplicispira、Terrimonas、Hyphomicrobium等，在填料上分别占比1.47%、0.18%、0.17%，尤其是Simplicispira在填料中的占比高于污泥系统，说明该类反硝化菌更适合以附着态形式存在。反硝化菌群在填料上占比达到6.46%，从微观上提供了好氧区填料上发生SND的证据。同时发现，MBBR系统内，酸杆菌门(Acidobacteria)占比往往显著高于活性污泥系统，如优势种群Gp4、Gp6、Gp10等也基本来源于填料。酸杆菌门菌群多嗜酸[13]，其存在可能与SND现象有关联。进一步推测，生物膜EPS若作为碳源供给SND，则EPS可被利用的前提即存在相关菌群能够将其水解转化为低碳有机物，酸杆菌门可能具有相关的作用。
不同MBBR系统内，悬浮载体上硝化菌群（Nitrospira、Nitrosomonas）的数量均远高于污泥，而反硝化菌群则呈现出三类情况，即主要在污泥中、污泥填料占比相当和主要在填料上，这与各类菌群的生化特性相关。另外，不同水厂硝化优势菌种还是存在一定的差异。以硝化种群为例，Nitrospira在XZ、LCH、YQ三个项目中，XZ最高、LCH次之，YQ最低，而Nirtosomonas却相反，YQ最高、LCH次之、XZ最低。差异性可能与水质标准、运行控制等息息相关，仍需要进一步的研究探索。
5结论
1）采用Bardenpho-MBBR工艺对污水厂进行提标改造，生化段出水COD、氨氮、TN均值分别为18.80gm/L、0.27mg/L、8.43mg/L，稳定达到地表准IV水标准，生化段出水TP均值0.48mg/L，良好生物除磷大大减轻了深度处理负荷；
2）采用Bardenpho-MBBR强化了系统对TN的去除，TN去除率达到65.91%，是改造前的一倍；TN去除的提升，主要在于前置缺氧脱氮效率的提高、好氧区的SND过程以及后缺氧的内源反硝化过程，好氧区的SND带来的TN去除占整个工艺对总氮去除的20.0%；
3）悬浮载体对硝化细菌的筛选和富集具有重要作用，填料上微生物对硝化过程的贡献率达到85%；填料上反硝化菌占比约6.46%，填料本身的缺氧/好氧分层为SND过程提供了微观保证，有效降低了碳源投加，提高了TN的去除率；
4）MBBR工艺采用微动力混合池形，相比循环流动池型，可以节约专用推流器至少16台，每年节省运行费用84.096万；
5）Bardenpho-MBBR工艺采用“镶嵌”原理实现原池改造，处理效果稳定，适用于污水厂地表准IV水尤其是对TN有严格排放要求的污水厂升级改造。
参考文献
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