浙江某污水厂准Ⅳ类水Bardenpho-MBBR提标改造分析

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

[1]杨晓美,宋美芹,吴迪,杨宇星,于振滨.新型悬浮载体强化脱氮除磷技术在地表IV类水处理中的应用[J].中国给水排水,2017,(16):97-102.

[2]杨宇星,吴迪,宋美芹,等.新型MBBR用于类地表IV类水排放标准升级改造工程[J].中国给水排水,2017(14):93-98.

[3]吴迪,李闯修.北方某污水厂Bardenpho-MBBR改造运行分析[J].中国给水排水,2018,34(9):106-110+115.

[4]韩萍,许斌,宋美芹,张晶晶,吴迪.团岛污水厂MBBR工艺的升级改造及运行效果[J].中国给水排水,2014,30(12):110-114.

[5]刘宜龙,吴迪,刘飞,杨永刚,于振滨.MBBR在工业园区废水处理升级改造中的应用[J].中国给水排水,2017,33(17):14-18.

[6]张晶晶,吴迪.新型MBBR一体化设备用于黑臭水体点源污染治理[J].中国给水排水,2017,33(22):102-105.

[7]吴迪.水处理用悬浮载体行业标准解读与投加量设计[J].中国给水排水,2017,33(16):13-17.

[8]杨小梅,张月,潘丹华,王羽华,李勇.STR对A2/O-MBBR工艺中聚磷菌特性的影响[J].安全与环境学报，2017,17(1):256-261.

[9]刘翔.活性污泥和生物膜的胞外聚合物性质及其对污泥性能影响的比较研究[D].复旦大学,2009.

[10]DaimsH,LebedevaEV,PjevacP,etal.CompletenitrificationbyNitrospirabacteria[J].Nature,2015,528(7583):504.

[11]vanKesselMAHJ,SpethDR,AlbertsenM,etal.Completenitrificationbyasinglemicroorganism[J].Nature,2015,528(7583):555.

[12]姚倩,彭党聪,赵俏迪,王博.活性污泥中硝化螺菌(Nitrospira)的富集及其动力学参数[J].环境科学,2017,38(12):5201-5207.

[13]KuskeCR,BarnsSM,BuschJD.DiverseuncultivatedbacterialgroupsfromsoilsofthearidsouthwesternUnitedStatesthatarepresentinmanygeographicregions[J].AppliedandEnvironmentalMicrobiology,1997,63(9):3614-3621.