華南某微污染水處理廠純膜MBBR工藝改造工程設(shè)計！
摘要：華南某微污染水處理廠總處理規(guī)模260萬m3/d，為改善河道水質(zhì)，需對原工藝進(jìn)行升級改造，其中核心控制指標(biāo)為氨氮。通過對比曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化、純膜MBBR對微污染水氨氮的適用性，并綜合考慮進(jìn)出水水質(zhì)、投資運維成本、施工難易程度等因素，最終選取純膜MBBR工藝對水廠進(jìn)行改造，切割部分沉淀區(qū)改造為純膜MBBR區(qū)。分析了不同水力池型，對于懸浮載體流態(tài)的影響。選用側(cè)進(jìn)側(cè)出微動力混合池型的改造部分，改造后出水水質(zhì)穩(wěn)定，氨氮濃度低于0.5mg/L，沉淀時間降低情況下TP去除率仍維持在81%以上，優(yōu)于排放要求；在水量長期超標(biāo)情況下出水水質(zhì)保持穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。純膜MBBR工藝路線簡單、占地省，投資運維成本低，適于微污染水處理廠新改擴(kuò)建。
微污染水，一般指受污染程度較輕的水，水質(zhì)一般優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)，但劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中III類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)特點更接近地表水。微污染水的存在，一方面降低了河道水體評級，另一方面當(dāng)作為水源水時需進(jìn)行額外處理以滿足給水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。微污染水水質(zhì)特點更接近給水，處理方法與給水流程相似。微污染水去除氨氮，若采用傳統(tǒng)折點加氯方法，成本高，效果不理想，一般借鑒污水生化脫氮方式，生物膜法是最常用的硝化方案，曝氣生物濾池（BAF）是典型的工藝之一。BAF應(yīng)用時多新建為獨立系統(tǒng)，難以在已有構(gòu)筑物內(nèi)改建，需額外新增占地，同時也存在投資運行費用高等問題。純膜MBBR工藝（Pure-MBBR），作為連續(xù)流生物膜法的工藝之一，是微污染水脫氮的另一種選擇方案。本文以華南某微污染水處理廠純膜MBBR工藝升級改造項目為例，介紹了平流沉淀池內(nèi)鑲嵌純膜MBBR工藝以增加脫氮功能的方法，并分析了純膜MBBR懸浮載體流動的水力設(shè)計，以期為微污染水處理新改擴(kuò)建提供參考。
01 項目背景
1.1 項目簡介
華南某微污染水處理廠處理規(guī)模260萬m3/d，主要處理河道水，解決城區(qū)段的河道水污染問題。該廠原工藝采用一級強(qiáng)化混凝沉淀工藝，有效地削減了水體懸浮物、有機(jī)物、總磷等污染物，改善了河道水質(zhì)。但該工藝對氨氮幾乎沒有處理效果，針對氨氮的污染問題，需對水廠進(jìn)行改造，使其同時具備硝化、除磷功能?？紤]進(jìn)水氨氮濃度變化范圍較大，根據(jù)不同進(jìn)水氨氮濃度分別設(shè)定出水氨氮限制、氨氮去除率和氨氮去除量要求，當(dāng)進(jìn)水氨氮＜3.0mg/L 時，出水氨氮≤0.5mg/L；當(dāng)3.0≤進(jìn)水氨氮<6mg/L時，氨氮去除率≥84%；當(dāng)進(jìn)水氨氮≥6.0mg/L時，氨氮去除量≥5.0mg/L，具體設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。
1.2 項目難點
本項目的主要難點包括：1）無新建用地：水廠原有工藝為一級強(qiáng)化混凝沉淀工藝，對懸浮物、有機(jī)物和總磷等污染物有較好的去除，但該工藝無生物處理單元，對氨氮基本無處理能力，需要增加生物處理單元，強(qiáng)化硝化能力，實現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。由于水廠內(nèi)已無新建用地，需要在原混凝沉淀池的基礎(chǔ)上進(jìn)行提標(biāo)改造，同時實現(xiàn)硝化、除磷功能；2）進(jìn)水水質(zhì)水量波動大：該微污染水處理廠涵蓋水系多，涉及流域面廣，導(dǎo)致進(jìn)水水質(zhì)水量波動較大，尤其是氨氮濃度范圍廣，系統(tǒng)處理難度大，改造后工藝需具有較強(qiáng)的抗沖擊能力；3）實施周期短：微污染水氨氮脅迫已然形成，需快速實施，實現(xiàn)河道水體的恢復(fù)；4）項目投資受限：項目體量大，但總投資受限，需選擇經(jīng)濟(jì)型工藝，降低投資。綜合以上項目難點，需尋求高效、原位、穩(wěn)定、快速、經(jīng)濟(jì)的降氨氮技術(shù)對水質(zhì)凈化廠進(jìn)行工藝升級改造。
02?工藝選擇
對于微污染水硝化，若采用活性污泥法難以有效富集微生物，一般采用生物膜法。常規(guī)的生物膜法，包括曝氣生物濾池（BAF）、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化等，近年來，移動床生物膜反應(yīng)器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR）也得到了廣泛應(yīng)用，其工藝對比如表2所示。
MBBR，即通過向反應(yīng)器中投加懸浮載體富集生物膜，在懸浮載體流動的過程中，實現(xiàn)微生物的動態(tài)更新及污染物的高效去除，其在國內(nèi)的工程應(yīng)用規(guī)模已超過2000萬m3/d。MBBR工藝，按照其系統(tǒng)內(nèi)微生物主要存在方式，分為泥膜復(fù)合MBBR工藝（S-MBBR）和純膜MBBR工藝（P-MBBR）。S-MBBR，行業(yè)內(nèi)又稱為IFAS，但I(xiàn)FAS包含范圍更廣，也包括其他載體與活性污泥復(fù)合的工藝，而S-MBBR專指懸浮載體。S-MBBR中，既包含懸浮態(tài)的活性污泥，也包含附著態(tài)的懸浮載體生物膜，處理能力以活性污泥為主，生物膜為輔，多用于污水廠提標(biāo)改造和節(jié)地新建。P-MBBR工藝中，不設(shè)置污泥回流，不富集活性污泥，微生物主要以附著態(tài)的懸浮載體生物膜方式富集，其應(yīng)用方式靈活，可分別用于預(yù)處理、二級處理、深度處理等。但P-MBBR在國內(nèi)的應(yīng)用起步較晚，近3年逐步涌現(xiàn)相關(guān)工程應(yīng)用。肇慶某市政污水廠設(shè)計處理水量3萬m3/d，二級工藝采用純膜MBBR工藝，可實現(xiàn)出水氨氮低于1.5mg/L的處理目標(biāo)。廣東某水質(zhì)凈化廠設(shè)計處理水量1.8萬m3/d，采用純膜MBBR工藝作為深度處理工藝持續(xù)強(qiáng)化去除氨氮，保障出水氨氮穩(wěn)定達(dá)到地表IV類水要求。針對于微污染水治理，純膜MBBR工藝已在江蘇鹽城取了大規(guī)模的成功應(yīng)用，該項目為新建源水預(yù)處理廠，處理水量30萬m3/d，采用純膜MBBR工藝保障出水水質(zhì)達(dá)到地表III類水，實際運行在進(jìn)水氨氮為1.4mg/L的條件下，最優(yōu)可使出水氨氮低于0.1mg/L，取得了良好的應(yīng)用效果。已有項目均證明了P-MBBR工藝在應(yīng)對高標(biāo)準(zhǔn)情況下良好的處理效果。S-MBBR多用于改造，P-MBBR多用于新建，而P-MBBR改造還鮮有工程應(yīng)用報道。
綜上，結(jié)合本項目的難點及需求，擬采用純膜MBBR進(jìn)行改造，實現(xiàn)強(qiáng)化氨氮去除的目標(biāo)。
03 工藝設(shè)計
3.1 工藝流程
該水質(zhì)凈化廠原工藝以一級強(qiáng)化混凝沉淀工藝為核心，上游河道水依次經(jīng)過粗、細(xì)格柵、平流式沉砂池、絮凝反應(yīng)池和平流沉淀池后流入河道下游，削減水體懸浮物、有機(jī)物、總磷等污染物。柵渣及污泥脫水后外運行。本次改造，將原平流沉淀池末端45m切割改造為純膜MBBR區(qū)，其余構(gòu)筑物保持原有狀態(tài)不動，最大限度減少工程量。原池實現(xiàn)除磷、硝化的目標(biāo)。改造后工藝流程見圖1。
3.2 MBBR池型設(shè)計
MBBR工藝的工程應(yīng)用，流化是核心，池型是關(guān)鍵。該工藝于2000年引入國內(nèi)，但遲遲未得到工程化應(yīng)用，核心是流化問題未能解決。2008年，MBBR工藝在國內(nèi)實現(xiàn)了首個大規(guī)模的成功應(yīng)用，破除了流化對于MBBR工程應(yīng)用的壁壘。在該項目中，MBBR池型為循環(huán)流動池型，即在懸浮載體投加區(qū)域安裝推流器，增加導(dǎo)流墻，形成內(nèi)部循環(huán)，類似于氧化溝池型。本項目由于已有池型所限，不適合采用循環(huán)流動池型。隨著MBBR工藝的不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，已形成了好氧區(qū)在無推流作用下的懸浮載體流化池型，稱之為微動力混合池。與循環(huán)流動池中懸浮載體在平面循環(huán)流動不同，微動力混合池中，懸浮載體主要是在曝氣的作用下縱向循環(huán)流動。通過合理布置進(jìn)出水方向，降低池內(nèi)行徑流速，同時曝氣優(yōu)化布置下在系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)建了池內(nèi)上部自出水端指向進(jìn)水端、池內(nèi)下部自進(jìn)水端指向出水端的內(nèi)循環(huán)。對于微動力混合池的應(yīng)用，核心是需要平衡氣速和水的行徑流速，從而確保懸浮載體良好的流化效果。
針對本項目，結(jié)合池型特點，不適合采用循環(huán)流動池。在工程設(shè)計上，綜合考慮平流沉淀池出水方向、池內(nèi)行徑流速、處理效果等，提供兩種池型，分別為側(cè)進(jìn)側(cè)出微動力混合池型和推流池型，見圖2。其中，S為側(cè)進(jìn)側(cè)出兩級微動力混合池型，P為三級推流式池型。根據(jù)實際進(jìn)水水量、具體的池型規(guī)格得出池型S的水平流速以及單級長寬比分別為24.6m/h、2.7。池型P的水平流速以及單級長寬比分別為65.3m/h、1.8。不同的進(jìn)水方式，導(dǎo)致了其水平流速差距達(dá)到2.7倍。最新發(fā)布的《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014-2021）提出，MBBR池內(nèi)水平流速不應(yīng)大于35m/h，且長寬比宜為2:1～4:1，當(dāng)不滿足此條件時，應(yīng)增設(shè)導(dǎo)流隔墻和弧形導(dǎo)流隔墻，強(qiáng)化懸浮載體的循環(huán)流動。所以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，本次改造純膜MBBR工藝池型選用側(cè)進(jìn)側(cè)出兩級微動力混合池型。
3.3 功能區(qū)改造
3.3.1 沉淀池改造
水廠現(xiàn)有平流沉淀池12座，長×寬×高分別為115.0m×40.7m×6.5m，池底坡度0.01。每座分成5格，每格凈寬 7.9m。每格設(shè)計流量4.33萬m3/d，水平流速18.1mm/s，表面負(fù)荷2.0m3/(m2·h)，停留時間為106 min。本次改造將沉淀池末端45m處區(qū)域切割改造為純膜MBBR工藝，如圖3所示。拆除了沉淀池末端45m處的刮泥設(shè)施。改造后平流沉淀池池長70m，表面負(fù)荷升高至3.3m3/(m2·h)，沉淀池停留時間縮短至64min，采用網(wǎng)格絮凝方式實現(xiàn)混凝藥劑充分混合。沉淀池末端水深3.95m，底部坡度0.01，坡向絮凝池方向，便于沉淀池污泥聚集至泥斗處。
3.3.2 MBBR區(qū)改造
純膜MBBR工藝段在原沉淀池末端45m范圍內(nèi)進(jìn)行改造。包括新增進(jìn)出水?dāng)r截系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、懸浮載體、MBBR智慧管理系統(tǒng)及配套在線儀表（氨氮儀、DO儀）等。純膜MBBR區(qū)停留時間0.69h。投加SPR-III型懸浮載體，懸浮載體比重約 0.94～0.97，材質(zhì)為HDPE，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CJ/T461-2014)，各級懸浮載體填充率均為40%<67%，符合懸浮載體流化要求。純膜MBBR池設(shè)計硝化負(fù)荷＞0.174kgNH3-N/(m3·d)，確保系統(tǒng)的抗沖擊性能。純膜MBBR區(qū)末端有效水深3.5m，底部坡度0.01，最深處3.95m。采用微孔配合穿孔的曝氣方式，為懸浮載體流化提供動力并實現(xiàn)充氧，由于水深較淺且進(jìn)水氨氮濃度波動較大，氣水比按最不利情況考慮最大為2:1。
3.3.3 其他附屬構(gòu)筑物
1）更換細(xì)格柵：主要用于攔截進(jìn)水中的懸浮物和漂浮物。考慮原細(xì)格柵使用時間較長、故障率大、攔截效果差等問題，本次改造同時對細(xì)格柵進(jìn)行了更換。共更換18臺細(xì)格柵及2套皮帶輸送機(jī)。細(xì)格柵采用回轉(zhuǎn)式齒耙清污機(jī)，Q=6500m3/h，渠寬2890mm，渠深2060mm，格柵間隙由原10mm降低為8mm，安裝角度α=70°，功率3kW，304不銹鋼材質(zhì)，含電氣自控系統(tǒng)。皮帶輸送機(jī)B=500mm，L=52m，N≤11kW。共2套，機(jī)架為304不銹鋼材質(zhì)，含電氣自控系統(tǒng)；
2）新建鼓風(fēng)機(jī)房：由于原廠未設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)房，本次改造需要新建。鼓風(fēng)機(jī)房占地647.16m2，配套離心式鼓風(fēng)機(jī)16臺，共分為2組，每組8臺，每組7用1備，P=43kPa，N=240kW，風(fēng)量260m3/min；
3）提升泵房更換水泵：由于水廠運行時間較長，提升泵磨損嚴(yán)重，運行效率差，本次改造新增備用水泵2臺。新增水泵采用原廠同規(guī)格、同類型水泵，為抽芯式混流泵，單臺流量Q=7.523m3/s，揚(yáng)程H=9.628m，帶變頻，采用立式異步電動機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為298r/min，額定電壓為10kV，電機(jī)功率 P=710kW。
04 工藝效果
本項目規(guī)模260萬m3/d，其中130萬m3/d部分由青島思普潤水處理股份有限公司提供MBBR工藝包，采用側(cè)進(jìn)側(cè)出微動力混合池型（S方案）進(jìn)行改造。純膜MBBR區(qū)投加懸浮載體后，未接種活性污泥，自然掛膜，掛膜效果如圖4所示，懸浮載體投加5d后表面已經(jīng)富集生物膜，30d后表面已完全被生物膜覆蓋，實現(xiàn)了低基質(zhì)條件下、無接種污泥的快速掛膜，穩(wěn)定期一、二級懸浮載體生物量均值分別為2.66g/m2和2.14g/m2。跟蹤了2020年8月至2021年2月項目的運行情況。水質(zhì)監(jiān)測期間，雖然沉淀池沉淀時間縮短了40%，但并未影響其除磷效果，在進(jìn)水TP為0.89±0.22mg/L的基礎(chǔ)上，出水TP為0.17±0.04mg/L，TP去除率達(dá)到81%，穩(wěn)定優(yōu)于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。MBBR區(qū)進(jìn)水氨氮濃度維持在3-5mg/L，均值為3.85±0.44mg/L，懸浮載體投加完成10d后，系統(tǒng)出水氨氮即達(dá)到設(shè)計要求，出水氨氮濃度持續(xù)穩(wěn)定在0.5mg/L以下，達(dá)到0.42±0.07mg/L，穩(wěn)定性強(qiáng)。在實際進(jìn)水水量連續(xù)超過設(shè)計值15%的情況下，出水水質(zhì)穩(wěn)定，此外，在生物膜彈性負(fù)荷的作用下，系統(tǒng)能夠輕松應(yīng)對進(jìn)水氨氮的波動，保障出水水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，純膜MBBR工藝具備良好的抗水質(zhì)水量沖擊性能。另外130萬m3/d部分采用了（P方案），工程實踐也表明了其行進(jìn)流速過高的問題，需進(jìn)一步優(yōu)化。
05 經(jīng)濟(jì)分析
本項目建設(shè)總投資2.63億元，針對微污染水脫氮純膜MBBR工藝包噸水投資55元/m3。項目運行增加能耗主要為電費，噸水電耗增加0.015～0.020kWh/m3。純膜MBBR區(qū)不需要添加藥劑及菌種，藥劑費用未增加。采用PAC進(jìn)行化學(xué)除磷，項目整體電藥成本為0.009～0.012元/m3。
06 結(jié)論
采用純膜MBBR工藝處理微污染水，在已有平流沉淀池末端45m區(qū)域改造，使原工藝同時具備硝化、除磷的功能。實際運行效果顯示，在沉淀池沉淀時間縮短40%的情況下，未影響混凝沉淀池的除磷效果，出水TP為0.17±0.04mg/L；懸浮載體自然掛膜，投加10d后氨氮即實現(xiàn)了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，出水氨氮長期穩(wěn)定低于0.5mg/L，系統(tǒng)具備良好的抗水質(zhì)水量沖擊性能，得益于側(cè)進(jìn)側(cè)出微動力混合池型的設(shè)計；項目運行電藥綜合成本為0.009～0.012元/m3。純膜MBBR工藝處理微污染水時噸水投資在50-100元/t，具備經(jīng)濟(jì)、高效、持續(xù)、穩(wěn)定的優(yōu)勢，適于微污染原水的預(yù)處理及河道斷面控制。
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