MBBR在污水厂中的应用

　　移动床生物膜工艺(MovingBedBiofilmReactor，MBBR)是国际上成熟的污水生化处理技术。MBBR工艺汲取了生物接触氧化及生物流化床的优点，以悬浮载体为微生物提供生长载体，通过悬浮载体的充分流化，使其既具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的恃点，又具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，最终实现污水的高效处理。自1989年挪威Stenshoh市政污水厂工程首次应用MBBR以来，全球已在50多个国家建成了超过600座市政和工业废(污)水处理设施，取得了良好的效果。MBBR因其生物系统的独特性，对雌激素内分泌干扰物为代表的痕量污染物去除效率也高于传统污水处理工艺。四川某污水处理厂设计总规模12万m3/d，受周边环境限制，建设用地有限，且进水受雌激素内分泌干扰物影响较大，因而采用了基于A2/O的MBBR工艺。本文通过介绍该污水厂MBBR设计和运行，为相关工程提供技术参考。

　　一、工程概况

　　本项目设计总规模12万m3/d，分二期建设，一期工程规模6万m3/d，同时预留二期扩建用地。污水处理厂进水以生活污水为主，含有部分工业废水，在设计中依据了污水厂服务范围内各污水排放口的水质监测数据、充分考虑了城市的发展需要，以及西南地区城市排水管网特性和雨季泥沙进入等的水质特点，确定的设计进水水质详见表1。设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，出水就近排人�江。

　　在本工程用地红线范围内，围墙内用地37498m2，若按总规模12万m3/d规模布置污水处理厂，需将生化池水深由常规的6.0m增加至9.0m，将较大的增加土建成本和污水厂的运行能耗。因此本工程在设计时选择了占地面积小、运行能耗低，运行成本少、处理效果稳定的工艺进行经济技术比较，并最终选择了MBBR生化池+二沉池+D型滤池+紫外线消毒主体处理工艺，如图1所示。MBBR工艺所需占地面积小，能强化脱氮除磷，且生物膜系统的优势可以有效避免活性污泥中惰性成分过高。D型滤池同样具有传统快滤池的主要优点，且节省占地面积，抗冲击负荷。污水厂吨水占地仅为0.31m2/(m3•d)，与国内其他同类型污水厂相比，优势明显，如表2所示

　　二、MBBR工艺设计

　　MBBR工艺并不是简单的悬浮载体投加，而是一个完整的系统。设备上包含了悬浮载体、进出水系统、流化系统等，设计上包括悬浮载体有效生物膜面积的确定、悬浮载体投加区域的确定、推流搅拌器选型等。在实际工程中，容易出现局部悬浮载体堆积，或悬浮载体难以形成流化状态，或悬浮载体流失等现象，因此需在原生化池设计的基础上基于MBBR工艺的特点进行系统设计。

　　2.1 生化池设计

　　生化池设计通过准确确定硝化速率和反硝化速率，计算出硝化反应和反硝化反应所需容积，并将池体分为预脱硝区、厌氧区、缺氧区、好氧区(加悬浮载体)和好氧区(无悬浮载体)五个区，如图2所示，其容积分别为1262、2590、7529、9338及1606m3。

　　好氧悬浮载体区采取完全混合流态，中间设置导流墙，以保证悬浮载体在池中流态好，避免悬浮载体堆积。污泥回流比100%，混合液回流比200%，厌氧反应区接受来自沉淀池的回流污泥，在该区域完成磷的释放;缺氧反应区接收内部硝化液回流，主要作用是反硝化脱氮。参考同类型污水厂的MLSS值并通过实地应用，最终确定MLSS为4.0g/L。在缺氧区与好氧悬浮载体区间及好氧悬浮载体区与非悬浮载体区间的孔洞处设置拦截网，保证悬浮载体与混合液正常分离，出水口不堵塞，不堆积。最后，为满足除臭要求，池体顶部加盖，覆土并种植草坪，池顶布置通风除臭管路系统及放置除臭设备。

　　2.2 悬浮栽体选择

　　悬浮载体是微生物栖息的场所，是生物膜的载体。悬浮载体应具有密度稍小于水、有效比表面积大、空隙率高、表面积粗糙且利于微生物附着的特点。Odegarrd等的研究表明，为了使悬浮载体能在反应器内自由运动，从流化角度考虑，生物悬浮载体的最大填充率应小于70%。该团队通过对各式悬浮载体的对比，得出影响运行效果的主要因素为悬浮载体的有效比表面积(即单位体积悬浮载体悬浮载体能实现良好的传质传氧，且能生长有效微生物的受保护面积)，其典型值为450~1200m2/m3。悬浮载体的材质以有机材料为主，综合考虑材料重量、密度、耐老化性、耐磨性等因素，多采用高密度聚乙烯(HDPE)作为MBBR工艺处理污水的悬浮载体，并实现了工程化应用。目前，HDPE扁圆柱状悬浮载体，如图3所示，已成为MBBR工艺悬浮载体主流应用，在国外应用超过25年，国内最长也超过10年，效果良好。

　　本工程在好氧区放置悬浮载体，选用SPR-II型HDPE悬浮载体，其直径为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》(CJJ461-2014)行业标准。由于其挂膜前其密度略小于水(0.94~0.97g/cm3)，挂膜后与水接近(1.000±0.003g/cm3)，可以依靠微小扰动使载体流化。HDPE悬浮载体具有抗老化及耐磨性强等特点。从流化角度考虑，好氧池填充率应<67%，从运行能耗及运行维护管理角度考虑，一般要求填充率>15%。实际工程中，好氧池悬浮载体填充率一般为25~60%，在团岛和盐城城东污水处理厂好氧池MBBR好氧池中的填充率分别为29%和30~40%。综合考虑，本次工程好氧池悬浮载体的设计填充率约为25%。好氧MBBR区采用循环流动池型，该池型利用原有氧化沟廊道使悬浮载体在池内循环流动。为防止悬浮载体在末端堆积，通过加装推流器同曝气产生的剪切力共同实现悬浮载体流化，该池型具有水力条件好、无水力死角等特点。

　　2.3 曝气系统

　　对于MBBR系统，DO浓度与曝气强度之间相互影响。在曝气作用下，水流紊流程度与无悬浮载体时相比更大，氧的传递速率提高，氧的利用率也随之提高。同时，反应器中的悬浮载体依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态。但随着曝气强度的增大，强烈的流化作用反而会导致悬浮载体上的生物数量减少，进而影响污水处理效果。在保证供养充分的情况下，合理减少曝气量，从而保证悬浮载体合适的流化状态。因此，曝气量的设计需要综合考虑需氧量及悬浮载体流化。张忠华等在研究移动式生物膜反应器启动挂膜的影响因素中得到，DO质量浓度在5.0mg/L时，紊流剧烈，不利于挂膜，而在挂膜前5天调节DO质量浓度为1.5mg/L，有利于微生物在悬浮载体表面粘附及膜的生长和形成，之后调节DO质量浓度为3mg/L，有利于挂膜和缩短启动时间。王学江等在对DO对MBBR同步硝化反硝化生物脱氮影响研究中表明DO质量浓度为2mg/L、水力停留时间为8h、悬浮载体填充率为50%时，MBBR工艺可通过同步硝化反硝化实现90%以上的脱氮效果。

　　项目的曝气设计需气量为360m3/min，鼓风机选用空气悬浮鼓风机，风机台数3台(2用1备)，每台风机风量Q=180m3/min，可满足设计需要风量。采用盘式橡胶膜微孔曝气器，单盘供气量Q=0〜5.0m3/h，共计7024套。另外，为避免悬浮载体堆积，另设辅助穿孔曝气系统2套，安装于好氧悬浮载体区，ABS材质。

　　三、运行效果

　　根据污水厂2018年6月至12月的实测监测数据，污水厂出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，污水厂进出水C0D(>、BOD5、氨氮、总氮、总磷和雌激素(雌酮、雌二醇和炔雌醇)的进出水浓度和去除率如图4所示。

　　设计进水水质C0Dcr、B0D5、氨氮、总氮、总磷分别为400、200、35、50和3~4mg/L，但实际进水水质C0Dcr、B0D5、氨氮、总氮、总磷分别为134±36、40±12、22±7、2.5±0.5和27±5mg/L，其值都低于设计值，且B0D/TN和B0D/TP值分别为1.48和15.8，均不利于生物脱氮除磷。但从处理效果来看，出水C0Dcr、BOD5、氨氮、总氮和总磷的浓度均值分别为12.73、2.52、0.31、11.40和0.28mg/L，平均去除率分别为89.9、93.3、98.6、57.3和88.7%，可以稳定达到一级A标准。这说明悬浮填料上的附着生物系统增强了生物脱氮除磷效果。MBBR工艺填料区污泥龄长，增大了微生物种群的丰度，同时局部存在好氧、缺氧微环境，有利于其对于恶劣水质条件下，适应微生物的筛选与富集。特别是在冬季温度较低不利于硝化时，污水厂的出水各指标的浓度也无明显的提升，这表明MBBR工艺在添加悬浮填料后形成的泥膜复合工艺增加了系统内菌群的多样性，而生物膜传质比活性污泥慢，同样生物降解产生的热量与水体交换较慢，提高微生物的局部环境温度，有利于细菌活性的维系，在宏观上表现出了MBBR对于低温的适应性。

　　实际工程中，悬浮载体对系统硝化的贡献率可以达到70%，投加悬浮填料增强生物硝化能力也使MBBR工艺在去除雌激素有着良好效果。经检测杨湾污水处理厂雌酮(E1)、雌二醇(E2)和炔雌醇(EE2)获得的总雌激素浓度(以雌二醇为当量，TE=[El]/3+[E2]+10[EE2])，进水平均总雌激素浓度为110.5ng/L，经过MBBR生化池处理后的中间出水平均总雌激素浓度为15.8ng/L，而经过D型滤池过滤之后，总雌激素浓度降为了7.1ng/L(详见图4)。对比西南地区长江流域某采用卡鲁赛尔氧化沟工艺的污水厂，其总的雌激素进出水浓度为112.8和24.8ng/L。这表明采用MBBR工艺是可以有效提高雌激素去除效果的，而且在雌激素进水浓度差别不大的情况下，MBBR工艺对雌激素的去除效果略优于采用卡鲁赛尔氧化沟工艺。说明采用悬浮填料的强化硝化工艺可提高污水处理过程中的雌激素去除能力，而且D型滤池的深度处理则进一步加强了该痕量有机物的去除效果。

　　四、主要技术经济指标

　　本工程总投资约1.8亿元，工程直接投资约1.4亿元，吨水基建投资为2300元，单位处理成本1.04元/m3，单位经营成本0.63元/m3，工程投资及运行费用均较低。

　　五、结语

　　四川某污水处理厂是西南地区几个采用MBBR工艺的大型污水厂之一，结合深度过滤采用D型滤池，占地仅0.31m2(m3•d)。该厂采用SPR-II型悬浮载体，填充率为25%，运行效果良好，出水主要水质指标均稳定达到一级A标准，且较常规污水处理工艺对雌激素内分泌干扰物有良好的去除效果。本项目设计及运行经验对现有污水厂的挖潜改造及污水厂新建有重大的参考意义。(来源：中国市政工程西南设计研究总院有限公司;重庆大学环境与生态学院)