移動床生物膜工藝(MovingBedBiofilmReactor，MBBR)是國際上成熟的污水生化處理技術(shù)。MBBR工藝汲取了生物接觸氧化及生物流化床的優(yōu)點，以懸浮載體為微生物提供生長載體，通過懸浮載體的充分流化，使其既具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長、剩余污泥少的恃點，又具有活性污泥法的高效性和運轉(zhuǎn)靈活性，最終實現(xiàn)污水的高效處理。自1989年挪威Stenshoh市政污水廠工程首次應(yīng)用MBBR以來，全球已在50多個國家建成了超過600座市政和工業(yè)廢(污)水處理設(shè)施，取得了良好的效果。MBBR因其生物系統(tǒng)的獨特性，對雌激素內(nèi)分泌干擾物為代表的痕量污染物去除效率也高于傳統(tǒng)污水處理工藝。四川某污水處理廠設(shè)計總規(guī)模12萬m3/d，受周邊環(huán)境限制，建設(shè)用地有限，且進(jìn)水受雌激素內(nèi)分泌干擾物影響較大，因而采用了基于A2/O的MBBR工藝。本文通過介紹該污水廠MBBR設(shè)計和運行，為相關(guān)工程提供技術(shù)參考。
一、工程概況
本項目設(shè)計總規(guī)模12萬m3/d，分二期建設(shè)，一期工程規(guī)模6萬m3/d，同時預(yù)留二期擴(kuò)建用地。污水處理廠進(jìn)水以生活污水為主，含有部分工業(yè)廢水，在設(shè)計中依據(jù)了污水廠服務(wù)范圍內(nèi)各污水排放口的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、充分考慮了城市的發(fā)展需要，以及西南地區(qū)城市排水管網(wǎng)特性和雨季泥沙進(jìn)入等的水質(zhì)特點，確定的設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)詳見表1。設(shè)計出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)，出水就近排人蜋江。
在本工程用地紅線范圍內(nèi)，圍墻內(nèi)用地37498m2，若按總規(guī)模12萬m3/d規(guī)模布置污水處理廠，需將生化池水深由常規(guī)的6.0m增加至9.0m，將較大的增加土建成本和污水廠的運行能耗。因此本工程在設(shè)計時選擇了占地面積小、運行能耗低，運行成本少、處理效果穩(wěn)定的工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，并最終選擇了MBBR生化池+二沉池+D型濾池+紫外線消毒主體處理工藝，如圖1所示。MBBR工藝所需占地面積小，能強化脫氮除磷，且生物膜系統(tǒng)的優(yōu)勢可以有效避免活性污泥中惰性成分過高。D型濾池同樣具有傳統(tǒng)快濾池的主要優(yōu)點，且節(jié)省占地面積，抗沖擊負(fù)荷。污水廠噸水占地僅為0.31m2/(m3•d)，與國內(nèi)其他同類型污水廠相比，優(yōu)勢明顯，如表2所示
二、MBBR工藝設(shè)計
MBBR工藝并不是簡單的懸浮載體投加，而是一個完整的系統(tǒng)。設(shè)備上包含了懸浮載體、進(jìn)出水系統(tǒng)、流化系統(tǒng)等，設(shè)計上包括懸浮載體有效生物膜面積的確定、懸浮載體投加區(qū)域的確定、推流攪拌器選型等。在實際工程中，容易出現(xiàn)局部懸浮載體堆積，或懸浮載體難以形成流化狀態(tài)，或懸浮載體流失等現(xiàn)象，因此需在原生化池設(shè)計的基礎(chǔ)上基于MBBR工藝的特點進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。
2.1 生化池設(shè)計
生化池設(shè)計通過準(zhǔn)確確定硝化速率和反硝化速率，計算出硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)所需容積，并將池體分為預(yù)脫硝區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)(加懸浮載體)和好氧區(qū)(無懸浮載體)五個區(qū)，如圖2所示，其容積分別為1262、2590、7529、9338及1606m3。
好氧懸浮載體區(qū)采取完全混合流態(tài)，中間設(shè)置導(dǎo)流墻，以保證懸浮載體在池中流態(tài)好，避免懸浮載體堆積。污泥回流比100%，混合液回流比200%，厭氧反應(yīng)區(qū)接受來自沉淀池的回流污泥，在該區(qū)域完成磷的釋放;缺氧反應(yīng)區(qū)接收內(nèi)部硝化液回流，主要作用是反硝化脫氮。參考同類型污水廠的MLSS值并通過實地應(yīng)用，最終確定MLSS為4.0g/L。在缺氧區(qū)與好氧懸浮載體區(qū)間及好氧懸浮載體區(qū)與非懸浮載體區(qū)間的孔洞處設(shè)置攔截網(wǎng)，保證懸浮載體與混合液正常分離，出水口不堵塞，不堆積。最后，為滿足除臭要求，池體頂部加蓋，覆土并種植草坪，池頂布置通風(fēng)除臭管路系統(tǒng)及放置除臭設(shè)備。
2.2 懸浮栽體選擇
懸浮載體是微生物棲息的場所，是生物膜的載體。懸浮載體應(yīng)具有密度稍小于水、有效比表面積大、空隙率高、表面積粗糙且利于微生物附著的特點。Odegarrd等的研究表明，為了使懸浮載體能在反應(yīng)器內(nèi)自由運動，從流化角度考慮，生物懸浮載體的最大填充率應(yīng)小于70%。該團(tuán)隊通過對各式懸浮載體的對比，得出影響運行效果的主要因素為懸浮載體的有效比表面積(即單位體積懸浮載體懸浮載體能實現(xiàn)良好的傳質(zhì)傳氧，且能生長有效微生物的受保護(hù)面積)，其典型值為450~1200m2/m3。懸浮載體的材質(zhì)以有機材料為主，綜合考慮材料重量、密度、耐老化性、耐磨性等因素，多采用高密度聚乙烯(HDPE)作為MBBR工藝處理污水的懸浮載體，并實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。目前，HDPE扁圓柱狀懸浮載體，如圖3所示，已成為MBBR工藝懸浮載體主流應(yīng)用，在國外應(yīng)用超過25年，國內(nèi)最長也超過10年，效果良好。
本工程在好氧區(qū)放置懸浮載體，選用SPR-II型HDPE懸浮載體，其直徑為25mm±0.5mm，高10mm±1mm，掛膜后比重與水接近，有效比表面積大于620m2/m3，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》(CJJ461-2014)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于其掛膜前其密度略小于水(0.94~0.97g/cm3)，掛膜后與水接近(1.000±0.003g/cm3)，可以依靠微小擾動使載體流化。HDPE懸浮載體具有抗老化及耐磨性強等特點。從流化角度考慮，好氧池填充率應(yīng)<67%，從運行能耗及運行維護(hù)管理角度考慮，一般要求填充率>15%。實際工程中，好氧池懸浮載體填充率一般為25~60%，在團(tuán)島和鹽城城東污水處理廠好氧池MBBR好氧池中的填充率分別為29%和30~40%。綜合考慮，本次工程好氧池懸浮載體的設(shè)計填充率約為25%。好氧MBBR區(qū)采用循環(huán)流動池型，該池型利用原有氧化溝廊道使懸浮載體在池內(nèi)循環(huán)流動。為防止懸浮載體在末端堆積，通過加裝推流器同曝氣產(chǎn)生的剪切力共同實現(xiàn)懸浮載體流化，該池型具有水力條件好、無水力死角等特點。
2.3 曝氣系統(tǒng)
對于MBBR系統(tǒng)，DO濃度與曝氣強度之間相互影響。在曝氣作用下，水流紊流程度與無懸浮載體時相比更大，氧的傳遞速率提高，氧的利用率也隨之提高。同時，反應(yīng)器中的懸浮載體依靠曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)。但隨著曝氣強度的增大，強烈的流化作用反而會導(dǎo)致懸浮載體上的生物數(shù)量減少，進(jìn)而影響污水處理效果。在保證供養(yǎng)充分的情況下，合理減少曝氣量，從而保證懸浮載體合適的流化狀態(tài)。因此，曝氣量的設(shè)計需要綜合考慮需氧量及懸浮載體流化。張忠華等在研究移動式生物膜反應(yīng)器啟動掛膜的影響因素中得到，DO質(zhì)量濃度在5.0mg/L時，紊流劇烈，不利于掛膜，而在掛膜前5天調(diào)節(jié)DO質(zhì)量濃度為1.5mg/L，有利于微生物在懸浮載體表面粘附及膜的生長和形成，之后調(diào)節(jié)DO質(zhì)量濃度為3mg/L，有利于掛膜和縮短啟動時間。王學(xué)江等在對DO對MBBR同步硝化反硝化生物脫氮影響研究中表明DO質(zhì)量濃度為2mg/L、水力停留時間為8h、懸浮載體填充率為50%時，MBBR工藝可通過同步硝化反硝化實現(xiàn)90%以上的脫氮效果。
項目的曝氣設(shè)計需氣量為360m3/min，鼓風(fēng)機選用空氣懸浮鼓風(fēng)機，風(fēng)機臺數(shù)3臺(2用1備)，每臺風(fēng)機風(fēng)量Q=180m3/min，可滿足設(shè)計需要風(fēng)量。采用盤式橡膠膜微孔曝氣器，單盤供氣量Q=0〜5.0m3/h，共計7024套。另外，為避免懸浮載體堆積，另設(shè)輔助穿孔曝氣系統(tǒng)2套，安裝于好氧懸浮載體區(qū)，ABS材質(zhì)。
三、運行效果
根據(jù)污水廠2018年6月至12月的實測監(jiān)測數(shù)據(jù)，污水廠出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)，污水廠進(jìn)出水C0D(>、BOD5、氨氮、總氮、總磷和雌激素(雌酮、雌二醇和炔雌醇)的進(jìn)出水濃度和去除率如圖4所示。
設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)C0Dcr、B0D5、氨氮、總氮、總磷分別為400、200、35、50和3~4mg/L，但實際進(jìn)水水質(zhì)C0Dcr、B0D5、氨氮、總氮、總磷分別為134±36、40±12、22±7、2.5±0.5和27±5mg/L，其值都低于設(shè)計值，且B0D/TN和B0D/TP值分別為1.48和15.8，均不利于生物脫氮除磷。但從處理效果來看，出水C0Dcr、BOD5、氨氮、總氮和總磷的濃度均值分別為12.73、2.52、0.31、11.40和0.28mg/L，平均去除率分別為89.9、93.3、98.6、57.3和88.7%，可以穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。這說明懸浮填料上的附著生物系統(tǒng)增強了生物脫氮除磷效果。MBBR工藝填料區(qū)污泥齡長，增大了微生物種群的豐度，同時局部存在好氧、缺氧微環(huán)境，有利于其對于惡劣水質(zhì)條件下，適應(yīng)微生物的篩選與富集。特別是在冬季溫度較低不利于硝化時，污水廠的出水各指標(biāo)的濃度也無明顯的提升，這表明MBBR工藝在添加懸浮填料后形成的泥膜復(fù)合工藝增加了系統(tǒng)內(nèi)菌群的多樣性，而生物膜傳質(zhì)比活性污泥慢，同樣生物降解產(chǎn)生的熱量與水體交換較慢，提高微生物的局部環(huán)境溫度，有利于細(xì)菌活性的維系，在宏觀上表現(xiàn)出了MBBR對于低溫的適應(yīng)性。
實際工程中，懸浮載體對系統(tǒng)硝化的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到70%，投加懸浮填料增強生物硝化能力也使MBBR工藝在去除雌激素有著良好效果。經(jīng)檢測楊灣污水處理廠雌酮(E1)、雌二醇(E2)和炔雌醇(EE2)獲得的總雌激素濃度(以雌二醇為當(dāng)量，TE=[El]/3+[E2]+10[EE2])，進(jìn)水平均總雌激素濃度為110.5ng/L，經(jīng)過MBBR生化池處理后的中間出水平均總雌激素濃度為15.8ng/L，而經(jīng)過D型濾池過濾之后，總雌激素濃度降為了7.1ng/L(詳見圖4)。對比西南地區(qū)長江流域某采用卡魯賽爾氧化溝工藝的污水廠，其總的雌激素進(jìn)出水濃度為112.8和24.8ng/L。這表明采用MBBR工藝是可以有效提高雌激素去除效果的，而且在雌激素進(jìn)水濃度差別不大的情況下，MBBR工藝對雌激素的去除效果略優(yōu)于采用卡魯賽爾氧化溝工藝。說明采用懸浮填料的強化硝化工藝可提高污水處理過程中的雌激素去除能力，而且D型濾池的深度處理則進(jìn)一步加強了該痕量有機物的去除效果。
四、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
本工程總投資約1.8億元，工程直接投資約1.4億元，噸水基建投資為2300元，單位處理成本1.04元/m3，單位經(jīng)營成本0.63元/m3，工程投資及運行費用均較低。
五、結(jié)語
四川某污水處理廠是西南地區(qū)幾個采用MBBR工藝的大型污水廠之一，結(jié)合深度過濾采用D型濾池，占地僅0.31m2(m3•d)。該廠采用SPR-II型懸浮載體，填充率為25%，運行效果良好，出水主要水質(zhì)指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，且較常規(guī)污水處理工藝對雌激素內(nèi)分泌干擾物有良好的去除效果。本項目設(shè)計及運行經(jīng)驗對現(xiàn)有污水廠的挖潛改造及污水廠新建有重大的參考意義。( >
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