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MBBR工艺在污水处理厂提量增效中的应用

北极星水处理网  来源:中国给水排水  作者:路晖 等  2021/6/11 9:41:09  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:MBBR 污水处理 污水厂改造

北极星水处理网讯:摘要:采用MBBR对华东某污水厂进行扩容,在原池基础上扩容2万m³/d,改造后污水厂污水处理规模达到12万m³/d;改造时,保持厌缺氧区不变,好氧区采用两级MBBR设计,采用微动力混合池型,强化系统抗冲击能力;好氧区投加SPR-3型填料,有效比表面积为800㎡/m³,符合《水处理高密度聚乙烯悬浮载体填料》行业标准;同时进行二沉池改造,改建高效沉淀池,新增转鼓过滤,实现工艺系统匹配,达到处理标准。改造后,水量提升20%,出水水质稳定达到一级A标准,优化运行可达到准IV类标准,生化池出水TN均值为10.40mg/L,TN去除率为83.50%,好氧段发生TN去除现象可去除TN6-10mg/L;生化池出水TP为0.43mg/L,TP去除率为93.00%,缺氧段发生显著的TP去除现象,在高效沉淀池投加铁盐絮凝剂后,TP可以降低到0.30mg/L以下;系统内SND及DPB的出现,实现了碳源限制下的同步强化脱氮除磷,未投加碳源情况下TN和TP稳定达标,通过SND途径去除TN占比13.20%,通过DPB途径去除TP达到88.00%,实现了节能降耗。

随着城市化进程的不断发展及人民生活水平的提高,城市人口及用水量逐步增大,很多城市污水厂面临负荷饱和需要提量,解决方案包括原厂址内提量、择地新建增量污水厂、全部拆迁扩建污水厂等。相比新建或扩建,原厂提量无疑是最优选择,经济投资省、见效周期快。污水厂最大亦是最核心的处理构筑物即生化池,具有很大提量空间,尤其是移动床生物膜(MBBR)、膜生物反应器(MBR)等工艺在国内广泛应用后,更增加了多种技术选择,能够实现原池提量。不论是MBBR还是MBR,核心技术思路均为提高生物量,提高处理负荷,强化处理效果,各具优势,需要具体项目具体分析适用性。本研究通过华东某污水厂扩容提效项目分析,以MBBR为核心,实现原厂提量20%,为国内具有类似需求污水厂改造提供技术参考。

01 项目背景

1.1 项目概况

华东某污水厂占地104亩,历经四期工程建设。一期设计处理能力为2.5万m³/d,采用三沟式氧化沟处理工艺,于1995年建设,1999年投入运营;二、三期工程设计处理能力均为3万m³/d,采用A/A/O工艺,分别于2006年、2008年初建设,二期工程2007年投入运营,三期工程2009年1月投入运营;2012年实施的四期工程为对已建工程的改扩建,将一期扩建至4万m³/d,扩建后的污水处理厂总处理规模达到10万m³/d,建设后出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A排放标准。但近几年,随着入住城区的企业、居民增加和排污管网的完善,污水排放量也在不断增加,该污水厂现有规模及处理能力已不能满足城区污水量的增长,因此本次工程根据污水量增长的情况对现状污水厂采用MBBR工艺进行原池扩容改造,扩容后规模为12万m³/d,出水水质仍满足一级A排放标准,并保留水厂再次提标的可能性,设计进水水质如表1所示,现有构筑物参数如表2所示。

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1.2 改造难点

本项目的改造难点包括:

1)原厂区内提量,水量从10万m3/d增加到12万m3/d,提量20%,水厂内已无生化池扩建用地,水厂两边临海,两边为居民区,无法扩建;

2)进水水质波动较大,与当地季节有关,旅游季节人口增加,水质浓度波动也随之变化较大;

3)工期紧,水厂已超负荷运行,出水因超负荷波动,对环境有较大压力;

4)提量同时应保留未来进一步提升至准IV类水的可能性。

02 方案设计与系统调试

2.1 技术路线

项目初步确定在MBBR路线与MBR路线中进行比选。

MBR路线,即对现有四期生化池进行改造,使其处理能力由4万m3/d提高至6万m3/d,总处理能力达到12万m3/d。MBR方案采用A/A/O+MBR的组合,工艺成熟、稳定、可靠,同时结合先进的膜分离技术,其占地小、流程较短、耐水质冲击负荷、出水稳定可靠、控制管理方便,能够保证出水稳定优质达标,出水可以直接成为多种用途的回用水资源。但需要新建曝气设备间且需安装整套膜处理设备,整个项目吨水投资为570.8元/m3。同时由于MBR工艺的运行需要较高的曝气,且需要定期冲洗,所以运行成本相对较高,单位处理成本超过1.5元/m3。MBR直接与生物处理工艺相结合对膜的寿命影响也较大,更换成本较高。MBR方案需进行膜设备间、新曝气系统、二沉池出水管线改造等,施工周期45天。

MBBR路线,即对现有二级设施进行改造,二期、三期、四期增加处理能力,总处理规模增加2万m3/d,改造后污水厂污水处理规模达到12万m3/d。MBBR方案工艺成熟,目前国内应用超过800万吨/天,已在无锡芦村[1]、青岛团岛[2]等项目中被广泛应用。在提量方面,包括山东兖州[3]、青岛李村河[4][5]、崇福污水厂等多个应用,处理效果好。综合考虑二三期二沉池运行情况,MBBR方案运行管理简单,核心组件十五年不需要更换,运行成本相对低。整个项目吨水投资为500元/m3,单位处理成本1.03元/m3。MBBR方案需对生物池部分改造、二沉池改造,施工周期40天。

综上所述,结合该污水处理厂现有条件,综合考虑用地、处理效果、投资及运行等因素,MBBR方案先进、可靠、稳定,因此采用MBBR工艺作为本次扩容工程的处理工艺。

2.2 改造方案

本项目最终的工艺路线如图1所示。

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改造方案主要包括五部分:

1)提量水量分配,对增加的2万m³/d的水量其中二、三期设施各增加7500m³/d,四期设施增加5000m³/d,生化池的改造在原池基础上进行,将原A/A/O工艺的O段镶嵌入MBBR工艺,满足提量要求,强化处理效果,提高系统稳定性;

2)MBBR功能区设计,为了尽可能缩短工期,在改造过程中厌氧区保持不变,把原缺氧区和好氧区的前40%部分变为缺氧区;好氧区采用两级MBBR设计,采用微动力混合池型,强化系统抗冲击能力,且实际运行过程中可以根据氨氮和总氮的去除情况,灵活调控第一级MBBR区溶解氧,实现同步硝化反硝化(SND),平衡氨氮和总氮处理效果;选用SPR-3型填料,有效比表面积为800m2/m3,符合《水处理高密度聚乙烯悬浮载体填料》行业标准[6],具有水力特性好、能耗低、使用寿命长等优点;设计时考虑今后进一步提标的可能性,控制填充区域填充率<45%,为今后可能的提标留有余地;

3)二沉池改造,考虑提量后二沉池表面负荷增高的影响,对二三四期平流式沉淀池采取增加水力挡板和集水槽优化等措施,改造刮吸泥设备;

4)高效沉淀池改造,新增混合区,将原有混合区改为絮凝区,混合和絮凝设备重新优化选型,对加药和回流位置进行优化调整。增加絮凝时间,使其处理能力达到10万m³/d,沉淀区尺寸为29.73m×31.10m,混合时间为1min,絮凝沉淀时间为8min,上升流速为15.30m/h;

5)转鼓过滤器;现有V型滤池尺寸为30×38m,设计规模为8万m3/d,滤料采用石英砂均质滤料,有效粒径d10为0.9-1.2mm,不均匀系数K80≤1.4,滤料厚度为1.20m,滤速为5.97m/h,运行时间为175min。反冲洗时间为25min;考虑到水厂现有空地及工期问题,选用转鼓过滤器对高效出水进行过滤,去除悬浮物指标,设计进水量2万m3/d,出水SS≤10mg/L;

2.3 系统调试

由于调试初期,系统受到冲击,进水COD和氨氮远高于设计值,调试分为两个阶段,第一阶段使系统恢复正常,第二阶段填料挂膜,填料挂膜关键是调节好填料的流化状态,根据出水情况逐步提升水量,控制MBBR-1区溶解氧为2-3mg/L,控制MBBR-2区溶解氧为3-4mg/L,外回流为100%,内回流为200%,系统恢复正常后经过约30d的调试运行,水量达到设计值(12万m³/d),稳定运行。

03 运行效果分析

3.1系统的COD和氨氮处理效果

调试初期(1-4d)进水COD远高于设计值,约为800-1000mg/L之间,疑似部分垃圾渗滤液进入污水管线,正常条件下(5-100d)生物池进水COD均值为600.00mg/L,生化系统对COD去除效果如图2所示。调试初期,考虑到系统受到冲击,加大排泥量,及时将受到冲击的污泥排出系统,促进新的活性污泥的生长。生化系统降解COD的变化规律分为三个阶段,第一阶段是系统恢复期(5-22d),出水COD均值为42.48mg/L;第二阶段为系统恢复后(22-52d),生物池出水COD均值为28.00mg/L;第三阶段为填料成熟后(52-100d),生物池出水COD均值为22.00mg/L。填料挂膜后出水COD比之前降低21.40%,分析原因可能是随着好氧池填料的投加,某些污泥龄较长的专性菌种在填料上富集,提高了COD的去除效果。

调试初期,生化系统已遭受进水冲击,进水COD和氨氮远超设计值,出水严重波动。系统恢复后,水质波动仍然存在,进水氨氮最大值为72.00mg/L、最小值为35.00mg/L、均值为53.30mg/L,超出设计值,但出水水质已经达标,并且随着填料上生物膜的成熟,出水氨氮降低到1.00mg/L以下,生化系统对氨氮的去除效果如图3所示。对比系统恢复后(22-52d)和生物膜成熟后(52-100d)的氨氮数据,生物池出水氨氮均值分别为4.20mg/L和0.50mg/L,去除率分别为92.12%和99.06%。这主要是两方面的原因,一方面是随着悬浮填料的投加,容易使污泥龄较长的硝化菌在填料表面大量生长,增强了系统的硝化能力,另一方面是随着硝化反应的进一步加强,回流的硝态氮浓度的升高,在缺氧区发生的反硝化反应消耗了更多的碳源,降低了好氧区的COD负荷,促进了硝化反应的进行。对于冲击,实质上是有机物超过设计值进入了好氧区,挤占了悬浮态污泥中硝化菌群的代谢和增殖空间,使之在污泥中占比不足,难以达到预期效果;而悬浮载体的加入,尽管仍存在水质冲击,但可提供空间让硝化菌群逐步富集,系统的抗冲击能力提升,系统处理效果逐步改善。

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3.2 系统的TN去除效果

生物池进水TN均值为63.00mg/L,系统恢复后(5-22d)和生物膜成熟后(52-100d)生化池出水TN均值分别为13.70mg/L和10.40mg/L,去除率分别为78.25%和83.50%,出水TN稳定达标,生化系统对TN去除效果如图4所示。改造前,系统的TN去除率平均为75.00%,且需要投加碳源20.00mg/L(BOD计,乙酸钠)以保证处理效果稳定;改造后,未投加碳源、水量增加20.00%的情况下,TN去除率提高至83.50%。之所以改造后系统TN去除性能显著提升,一方面,系统硝化的彻底为反硝化提供了基质,是反硝化良好的前提;另一方面,系统改造后,硝化主要由悬浮载体承担,污泥龄控制在8-12d,显著低于改造前的污泥龄10-20d,泥龄的降低使得污泥活性进一步提升;同时,系统的总回流比为300%,理论上TN去除率为75.00%,实际TN去除率高于理论值,推测伴随着其他途径的总氮去除方式。进一步的,对生化系统好氧MBBR区进出水TN进行了测定,可去除TN6-10mg/L,连续测定一周的平均值为8.30mg/L,对总氮去除率贡献13.20%。从国内其他污水厂运行结果看,MBBR生物膜分层分布的结构,有利于SND现象的产生,且一般TN去除在3-10mg/L[4][5][6][7]。

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3.3 系统的TP去除效果

生物池进水TP均值为6.13mg/L,系统恢复后和生物膜成熟后生物池出水TP均值分别为1.47mg/L和0.43mg/L,去除率分别为76.02%和93.00%,在进水TP基本不变的条件下,TP的去除率增加了17.00%,对比改造前TP去除率平均为60.00%更是有极大幅度的提升,生物除磷效果改善显著,生化系统对TP的去除效果如图5所示。分析原因,包括MBBR的采用使得污泥龄较改造前有大幅度降低,为聚磷菌群创造有利条件;厌氧段ORP在-260mV~-230mV之间,厌氧段TP均值为13.24mg/L,厌氧条件下释磷效果好;缺氧段出水TP均值为0.74mg/L,至缺氧末端系统的TP去除率已达到88.00%,TP在缺氧段去除,具备典型的反硝化除磷效果,实现一碳两用;虽然进水碳源相对充足(C/N>4),但对于同步脱氮除磷碳源(C/N>7)是不足的,而反硝化除磷效果的出现对于碳源可极大节约,使得无需投加碳源情况下,满足脱氮除磷需求。

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好氧段出水TP均值为0.43mg/L,TP去除率达到了93.00%;系统进水STP/TP在67.00%左右,进水SS的含磷率为0.67%,污泥含磷率为3.82%,污泥含磷率达到了较高的水平。缺氧段TP的去除率为88.00%,好氧段TP的去除率为5.00%,通过对比缺氧段和好氧段的聚磷量,缺氧聚磷起主要作用,这不同于我们对传统A/A/O工艺中缺氧段(主要作用是脱氮)的认知。聚磷菌在厌氧段主要是释磷并合成PHB,进入缺氧区,部分聚磷菌以硝酸盐作为电子受体分解细胞内的PHB,降低了聚磷菌体内PHB含量。反硝化除磷(DPB)的出现,对系统氮磷在碳源限制下的同步达标做出了主要贡献。但对于DPB现象的出现,仍需进一步研究,需要做到定量化控制,也需要在其他污水厂进行效果再现。

3.4 二沉池与高效池运行

二沉池作为泥水分离的主要场所,其运行效果的好坏直接影响着生化段的处理效果。改造后二期和三期二沉池的表面负荷从0.75m3/m2·h增加到0.94m3/m2·h,四期表面负荷0.72m3/m2·h增加到0.81m3/m2·h。为了进一步降低二沉池出水悬浮物以及强化除磷效果,高效沉淀池在混合区投加三氯化铁,投加量为10.00mg/L,在絮凝区为了进一步增加絮体体积,增加絮体的沉降性,投加絮凝剂PAM,高效沉淀池出水TP稳定在0.30mg/L以下。

04 结 论

1)采用MBBR改造,系统水量从10万m3/d提升至 12万m3/d,出水水质稳定达到一级A标准,优化运行可达到准IV类标准;

2)生化池出水TN均值为10.40mg/L,TN去除率为83.50%,好氧段发生TN去除现象可去除TN6-10mg/L;

3)生化池出水TP为0.43mg/L,TP去除率为93.00%,缺氧段发生显著的TP去除现象,在高效沉淀池投加铁盐絮凝剂后,TP可以降低到0.30mg/L以下;

4)系统内SND及DPB的出现,实现了碳源限制下的同步强化脱氮除磷,未投加碳源情况下TN和TP稳定达标,通过SND途径去除TN占比13.20%,通过DPB途径去除TP达到88.00%,实现了节能降耗。

参考文献

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[5]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用于高标准污水处理[J]. 中国给水排水, 2017, 33(16):97-102.

[6]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.

[7]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.


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