HPB技术在城镇污水处理厂提标扩容中的创新与实践

随着城镇人口的增加及污水收集率的提高，污水排放量与日俱增。另外，污水处理厂还面临着从一级B标准提升至一级A标准、准IV类或更高标准的任务。这就使得污水处理厂新建扩容及提标改造势在必行，在城镇污水处理中追求技术上的创新也是大势所趋。

日前在杭州举办的中国城镇水务发展国际研讨会上，湖南科友环保有限公司技术高级总监韩红波以《HPB技术在城镇污水处理厂提标扩容中的创新与实践》为题作了报告，详细介绍了HPB的技术背景、技术原理及优势，从复合粉末载体、专业机械搅拌系统和载体回收系统等5个方面阐明了其技术核心，并以“长沙市新开铺污水厂改扩建工程”等实际案例分享了HPB技术的产业化应用，分析了HPB技术的应用前景。

一、高浓度复合粉末载体生物流化床（HPB）技术介绍

1、技术背景

（1）技术需求

污水量与日俱增：随着城镇人口的增加、生活水平的提高以及污水收集率的提高等，污水量与日俱增；新建或扩容污水处理厂势在必行。

排放标准不断提高：污水处理厂面临从《城镇污水处理厂污染物排放标准》 一级B标准提升至一级A标准、准IV类或更高标准的任务；合流制溢流（CSO）污染控制需求。

（2）技术瓶颈

建设用地制约：传统提标扩容工艺对扩建用地要求较高；预留用地紧张、征地和拆迁困难。

建设、运营资金的增加：传统提标扩容工艺对建设和运营资金要求较高；对初期雨水仅能做预处理，全处理投资大、成本高。

2、发展历程

（1）1964-1991 厚积薄发

1964年：同济大学首次开展《硅藻土过滤技术研究》，进入“文革”期间，研究中断。

1989年：重启该项目研究。

（2）1992-2002 攻坚克难

1992年：通过上海市科委组织的专家鉴定；开发出硅藻土预涂膜过滤器；第一套设备应用于浙江省宁海县游泳馆泳池水循环过滤。

2000年：硅藻土浮选技术的推广，使原材料的加工成本降低，硅藻土在水处理中的应用得到进一步推广。

（3）2003-2017 科技创新

2003年：硅藻土应用的深入研究列入《上海城市水环境改善技术及综合示范项目》（国家863计划）子课题——《改性硅藻土滤池处理技术研究》。

2006年：子课题通过上海市教委组织的专家鉴定，研究成果达到国际先进水平。

（4）2018-2020 产业突破

2018年湖南三友环保科技有限公司结合产学研优势，对复合粉末载体用于城镇污水处理大规模产业化研发进行投资，解决多项关键技术难题。

2019年湖南科友环保有限公司完成中试试验、生产性试验。进行大规模产业化和工程化应用。

3、技术原理

高浓度复合粉末载体生物流化床（High Concentration Powder Carrier Bio-fluidized Bed，简称HPB），基于污水生物处理的技术原理，通过向生化池中投加复合粉末载体，提高生物池混合液浓度的同时，构建了悬浮生长和附着生长“双泥”共生的流化床系统；并通过污泥浓缩分离单元（Concentrated Unit）、复合粉末载体回收单元（Recycled Unit），实现了“双泥龄” ，强化了生物脱氮除磷效率。

从原理上讲，HPB工艺属于复合生物反应器IFAS工艺（Integrated Fixed-film Activated Sludge) 的一种，与传统相比具有明显的创新和优势。

创新点之一：HPB工艺采用微米级复合粉末载体。

（1）可伴随活性污泥实现全过程流化、回流等，无需设置专用的拦截与防护设施。

（2）良好的流化状态，提高了传质效果，进一步加快生化反应速率。

（3）更大的比表面积，单位容积生物量更高，容积负荷更高，抗冲击负荷能力更强。

创新点之二：HPB工艺配备粉末载体回收装置。

（1）可将附着微生物的复合粉末载体回收利用，在“双泥法”的基础上实现“双泥龄”，同步提高脱氮除磷效果。

（2）将大部分载体回收利用，减少日常载体投加量，降低运行成本。

4、技术优势

HPB技术的优势可概括为：三省三高。

省投资：新建项目节约投资20%以上；

省占地：新建项目生化池占地较传统工艺节省一半，提标扩容无需新增用地可实现生化池水量翻倍、水质提升；

省周期：建设周期缩短约30%以上；

高效率：实现双泥龄，短泥龄微生物强化除磷，长泥龄微生物强化脱氮；

高标准：出水水质可以达到 “准IV类”及以上标准；

高保障：可实现不停产改造、不停产检修、保障稳定运行。

5、技术核心

（1）复合粉末载体

HPB技术的核心复合粉末载体，其主要成分是一类直径约20-50 μm、多孔结构、具有高生物亲和性的天然无机颗粒；同时复配有特殊制剂，有利于脱氮微生物附着并形成生物膜，不仅可提高反应器中的微生物量，还可优化微生物种群结构，为HPB系统的高效城镇污水生物处理提供保证。

城镇污水处理厂采用HPB工艺，在生化池采样进行微生物高通量检测，结果显示：复合粉末载体加入后，参与硝化和反硝化作用的微生物，如变形菌门丰度相比活性污泥法12.62%提升到22.62%（厌氧段）和28.67%（好氧段）；且成为系统内优势微生物种群。HPB工艺混合液中各脱氮功能微生物丰度高于活性污泥法。此外，属丝状菌的绿弯菌门微生物丰度大幅下降，说明HPB系统运行更为稳定。

HPB生化池混合液中参与氮循环相关酶丰度的检测结果：硝基还原酶（Nitroreductase）、硝酸盐还原酶（Nitrate reductase）、铁氧蛋白亚硝酸还原酶（Ferredoxin nitrite reductase）等丰度，较活性污泥系统均较大幅提升，说明HPB系统较常规活性污泥系统脱氮反应增强。

（2）专业机械搅拌系统

为了保证HPB生化池的生物反应的效率、防止初始投加复合粉末载体沉积、加强对流传质、提升溶解氧利用率等，采用专业的低速机械搅拌。

考虑到安装、维修以及在好氧池中使用稳定性，专业搅拌机械采用空心式浆叶设计、顶置式电机及减速箱、垂直悬挂式安装，具有浆叶展开面积大、透气性好、水平传输动能大、能耗低等特点。

（3）载体回收系统

基于水力旋流分离法原理，可将不同密度颗粒物利用质量差分离。

复合粉末载体分离回收系统实现了污泥“双泥龄” ，有效地缓解了聚磷菌与反硝化菌在世代周期上的矛盾，强化了系统同步脱氮除磷效果。

回收系统可实现复合粉末载体重复利用，节约运行成本。

（4）精准控制系统

基于HPB数学模型，以及在线仪表提供不同流量和水质条件下的实时变量，可以计算得出生化池各部分单元操作的过程参数，并通过计算机下达给执行单元实时调整。

控制系统的关键节点：

数据的实时性；

分区变量的监测；

智能化学习系统分析。

（5）在线检修功能

采用独立单元格设计，各单元格之间可以通过闸板隔离，被隔离单元格的前后可以通过专用超越管连通。

不影响系统正常运行的情况下，做到不停水检修，避免污水下河。

6、知识产权

知识产权

国际专利（PCT）3项；

国内发明专利7项（已授权3项）；

国内实用新型专利4项（已授权3项）。

技术认定

科技成果处于国际先进水平；

技术标准入选工信部《绿色标准》研究项目；

国家环保机械行业协会水污染防治装备技术目录；

湖南省环境保护先进技术；

湖南省政府采购两型产品目录；

二 新开铺污水厂改扩建工程HPB技术应用

1、项目背景

现状：10×10⁴m³/d，国标一级A标准；目标：19×10⁴m³/d，省地标一级标准；

问题：用地紧张、征拆困难、投资高；

需求：寻找更高效的处理工艺，在原厂内完成提标扩容；

原设计总投资：7.4亿元征拆费用，4.9亿元建设费用；

采用HPB总投资：无需征地拆迁，建设费用约3.8亿元。

一阶段工程目标

2、生化池改造

改造前总停留时间9.6h；

改造后总停留时间4.8h，厌氧0.5h，缺氧0.7h，好氧3.6h，污泥浓度8g/L左右。

3、处理水量及温度

4、出水水质分析

（1）COD

进水COD：51~474mg/L，进水均值230.4mg/L；

出水均值9.35mg/L，平均去除率94.93%。

（2）NH3-N进水NH3-N：1.84~16.88mg/L，进水均值7.96mg/L；出水均值0.13mg/L，平均去除率98.32%。

（3）TN进水TN：10.70~56.40mg/L，进水均22.57mg/L；

出水均值6.96mg/L，平均去除率66.82%。

（4）TP进水TP：1.42~22.52mg/L，进水均值4.85mg/L；

出水均值0.13mg/L，平均去除率96.68%。

（5）SS进水SS：48~1640mg/L，进水均值296mg/L；

出水均值1.5mg/L，平均去除率99.30%。

5、产泥量

产泥系数（kg/m³）

6、水质情况分析小结

生化停留时间最短可做到3h，系统冗余更大；

强化生物除磷，深度处理加药量更少；

生化段控制TN达标，后续无需考虑脱氮；

厌氧氨氧化+同步硝化反硝化，所需外加碳源更少；

双泥法，抗冲击负荷能力更强。

7、电耗分析（与改造前一级A标相比）

尾水提升电耗约占全厂45%。

8、药耗分析（与改造前一级A标相比）

综合上述，电耗、药耗分析，HPB技术用一级A的运行成本达到了省地标一级标准的水质。

4月17日，新开铺污水厂二期改扩建工程应用HPB工艺专家论证会。

专家包括哈工大教授、中国工程院任南琪院士、原北京排水集团总经理杨向平教授、原北京市政设计院总工程师杭世珺教授、湖南大学柯水洲教授、湖南省建筑设计院副总工程师罗惠云教授等。

HPB工艺可有效解决城镇污水处理厂在新建、提标、扩容、过程中面临的征地拆迁难、投资和运营成本高、建设周期长等突出问题，新开铺污水处理厂二期改扩建工程应用HPB工艺具有示范效应和推广意义，建议该项技术研发团队后续应不断创新优化，并在城镇污水处理基础上，更进一步拓展其应用范围。

三 其他应用案例

案例一：益阳首创团洲污水处理厂应急项目

首创团洲污水处理厂原规模为10.0×10⁴m³/d，提标扩建工程目标为16.0×10⁴m³/d，出水标准为一级B标准升级至一级A标准。在提标扩建中需要将氧化沟和二沉池分组停水改造。采用HPB技术进行应急强化，在二级处理构筑物减半的情况下，维持水量水质不变。目前已结束服务运营（130天）。

案例二：宁乡市大成桥镇污水处理厂项目

近期设计规模1000m³/d ，远期设计规模2000m³/d ，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002)一级A标准。目前已完成竣工验收。

案例三：湖南新邵高铁新城污水处理厂项目

设计规模6000m³/d ，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

案例四：长沙县北山污水处理厂提标项目

设计规模2000m³/d ，原工艺为接触氧化，出水标准一级B，采用HPB进行提标改造，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

其他应用案例

四 应用前景

1、提标扩容

无需新建生化池，利用现有生化池实现水质水量双提升；

二沉池出水水质好，后端深度处理无需考虑进一步脱氮；

不停水改造，且改造施工周期短。

2、新建

容积负荷高，为常规活性污泥法的2-3倍，生化池土建工程量大大减少；

出水水质可通过工艺参数调整适应不同的排放标准（一级A、准IV及以上）；

对城市排水系统提质增效后污水厂进水浓度上升有良好的适应性；

独立单元格设计，可实现不停水检修功能。

3、适合城镇合流制污水处理

面临困难：城镇合流制污水的特点为旱季流量小、浓度高，雨季流量大、浓度低，平均截流倍数1-3，给目前城镇污水处理系统带来很大困难；采取的措施多为针对SS和TP做简易处理后排放，关键污染物指标，如COD、氨氮、总氮均不达标，仍然对受纳水体污染较严重。

解决措施：采用常规污水生物处理的池容，结合HPB技术的特点，可接纳全部旱季和雨季合流制污水，实现全部处理达标排放。

原标题：HPB技术在城镇污水处理厂提标扩容中的创新与实践