隨著城區(qū)經(jīng)濟和城市建設的發(fā)展，對污水廠排放區(qū)域水質(zhì)及其周邊環(huán)境的影響越來越重視，對污水廠尾水排放標準也提出了更高的要求。與排放標準越來越嚴格相對應的則是處理水量不斷增加，水質(zhì)也越來越復雜。工業(yè)廢水中一般存在一些抑制硝化菌生長的物質(zhì)如游離氨(freeammonia，F(xiàn)A)、鋅、銅、鉛等重金屬及氰化物等，這些抑制性物質(zhì)嚴重影響廢水中氨氮的去除。同時，由于其成分復雜、水質(zhì)水量波動性較大等特點，使用傳統(tǒng)的活性污泥工藝很難達到理想的去除效果。對于排放標準越來越嚴格的污水廠，需要選擇合適的工藝進行升級改造。
移動床生物膜反應器(movingbedbioflimreactor，MBBR)是一種將生物膜法與活性污泥相結(jié)合的高效污水處理工藝，具有占地省、生物膜耐受力強、運行效果穩(wěn)定、抗沖擊能力強等特點。目前，國內(nèi)已對MBBR工藝進行了多項試驗性研究，已成功應用于生活污水和工業(yè)廢水的處理，并取得了較好的效果，對于印染廢水、含油廢水、石化廢水等工業(yè)廢水也有成功改造的案例。本文以浙江某工業(yè)廢水污水廠升級改造為例，分析了“MBBR+磁混凝”組合工藝用于工業(yè)廢水的提標改造過程，為工業(yè)廢水的提標提量提供了設計和改造思路。
一、項目概況
浙江省某污水處理廠，原處理水量為3萬m3/d，生化段采用分點進水AAO工藝，具備脫氮除磷能力，尾水通過加氯消毒后排放，剩余污泥經(jīng)脫水后統(tǒng)一運送至電廠干化焚燒。原出水COD、SS執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)二級標準，NH3-N、TN和TP執(zhí)行一級B標準。近年來，隨著城區(qū)經(jīng)濟和城市建設發(fā)展的加快，對于水質(zhì)水量都有了更高的要求，故亟需在原污水廠基礎上進行提標提量升級改造，改造后污水廠處理量由3萬m3/d提升至4萬m3/d，出水水質(zhì)全部達到一級A標準。
該污水廠服務范圍內(nèi)有大量工業(yè)企業(yè)，企業(yè)采用“企業(yè)預處理+納管集中處理排放”為主的工業(yè)廢水治理模式，其生產(chǎn)廢水經(jīng)過各自預處理后排入污水處理廠進行終端處理。升級改造前實際處理量約為2.8萬m3/d，其中70%為工業(yè)廢水。工業(yè)廢水的種類主要有印染廢水、紡織廢水、化工廢水等，印染紡織廢水水量約為1.2萬m3/d，CODCr濃度為600~1200mg/L，SS濃度約為600mg/L，色度為400倍，化工廢水水量約為0.8萬m3/d，CODCr濃度約為15000mg/L，經(jīng)預處理后達到150mg/L，生活污水水量約為0.5~0.8萬m3/d。污水中COD、SS含量較高，NH3-N、TN和TP含量較低。
改造后新增部分工業(yè)預處理廢水，廢水來源為污水廠服務范圍內(nèi)的兩家紡織廠和兩家印染廠，紡織廢水水量約為5700m3/d，印染廢水水量約為2700m3/d，新增工業(yè)廢水經(jīng)集中預處理后排入污水廠，預處理后出水水質(zhì)和污水廠原進水水質(zhì)相當。
升級改造設計進出水水質(zhì)如表1所示。
二、技術路線與設計方案
2.1 改造難點
升級改造面臨的主要問題有以下兩點。
(1)提標+提量。
增加1萬m3/d工業(yè)污水，部分指標從二級直接提升至一級A，升級改造難度大。
(2)原工藝抗沖擊能力弱。
進水以工業(yè)廢水為主，水質(zhì)波動較大，進水CODCr濃度最高為550mg/L，TN濃度為53.7mg/L，進水水質(zhì)沖擊負荷增大時，出水COD、TN濃度迅速升高，不能穩(wěn)定達標，抗沖擊性能較差。
(3)無擴建用地。
廠內(nèi)用地已飽和，無生化池擴建用地，需充分挖掘現(xiàn)有生化池處理能力。
2.2 工藝方案確定原則
針對現(xiàn)狀工藝處理效果，工藝方案確定時遵循以下原則。
(1)根據(jù)進水水質(zhì)特點，針對現(xiàn)狀工程處理能力的不足，以及出水水質(zhì)要求的提高，結(jié)合工程的實際需要，采用抗沖擊負荷能力強，且具有強化脫氮除磷效果的生化處理工藝，提高水質(zhì)達標的穩(wěn)定性和可靠性。
(2)結(jié)合廠區(qū)用地特點，深度處理采用技術先進、效果可靠、占地較省的處理工藝，保證出水經(jīng)深度處理后達標排放。
(3)全廠污水、污泥處理工藝力求技術成熟先進、穩(wěn)定可靠、操作、管理方便、節(jié)省投資、運營成本低。
2.3 工藝方案確認
本次污水廠升級改造工程分析設計進、出水水質(zhì)指標以及現(xiàn)狀污水廠進、出水水質(zhì)指標，污水廠實際進水水質(zhì)濃度偏低，但是水質(zhì)波動較大，活性污泥處理工藝抗沖擊性能弱。由于排放標準的提高，現(xiàn)狀處理工藝已不能穩(wěn)定達標，而單純依靠增加深度處理工藝去除現(xiàn)狀二級出水污染物的成本較高。因此，將現(xiàn)狀二級處理中AAO工藝嵌入MBBR調(diào)整為AAO-MBBR工藝。向生化池投加懸浮載體，載體上豐富的生物菌群類型增加了對難降解有機物的處理性能，生物膜的污泥齡長，適宜硝化菌的生長，硝化菌含量高，NH3-N去除效果顯著。污水廠工業(yè)廢水占比高，且以紡織印染廢水為主，處理難度大，二級處理出水除NH3-N和TN外，仍難穩(wěn)定達到一級A標準，出水中的COD、TP需進一步進行深度處理。考慮到廠里用地緊張、水質(zhì)復雜，以及脫氮除磷方面的綜合考慮，選擇磁混凝作為深度處理工藝。磁混凝適用于進水水質(zhì)復雜、脫氮除磷要求高、用地緊張的污水廠項目，通過向反應器內(nèi)投加磁粉強化混凝及絮凝效果，可以進一步降低出水不溶性COD及TP水平。經(jīng)過論證后，確定本次提標工程的技術路線為“AAO-MBBR+磁混凝+紫外線/次氯酸鈉消毒”。
(1)生化池改造方案
生化段原有厭氧區(qū)和缺氧區(qū)保持不變，好氧區(qū)呈S型分布的3個廊道中，在前兩個廊道投加懸浮載體，填充率為11%，為防止懸浮載體在好氧池末端堆積，在每個廊道末尾設置攔截篩網(wǎng)，對懸浮載體進行持留，懸浮載體型號為SPR-Ⅱ型，直徑為(25±0.5)mm，高為(10±1)mm，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》(CJ/T461—2014)行業(yè)標準，好氧MBBR區(qū)域采用微動力混合池型，通過在生化池底部合理布置曝氣管、設置進水渠降低斷面流速的手段，在無需推流器的情況下，實現(xiàn)懸浮載體在好氧區(qū)內(nèi)的均勻流化。該池型具有水力條件好、無水力死角等優(yōu)勢。采用微動力混合池型可節(jié)省6臺專用推流器，以及每年30萬元的電費，大大降低了投資和運行費用。采取逐池改造的方式，不影響污水廠的正常運行，實現(xiàn)了原池改造。
(2)增設磁混凝澄清池，進一步去除污水中的不溶性COD、TP
磁混凝澄清池尺寸為32.9m×12.3m，占地約為400m2，共分為2座，總停留時間約40min。二沉池出水經(jīng)提升后進入磁混凝澄清池，依次投加混凝劑PAC、磁粉和助凝劑PAM，PAC投加量為55mg/L，PAM投加量為1.33mg/L，磁粉投加量為2.5mg/L。反應生成比重較大的含磁粉絮體顆粒，然后進入磁分離池，通過磁輥進行泥水分離，經(jīng)磁輥吸附的含磁污泥經(jīng)高剪切機，實現(xiàn)磁粉和污泥的分離，并進入磁鼓進行磁粉回收，回收的磁粉再回流至絮凝池前繼續(xù)參與反應，剩余污泥則進入后續(xù)污泥處理系統(tǒng)。
(3)現(xiàn)狀二氧化氯消毒更改為“紫外線消毒+次氯酸鈉消毒”
由于現(xiàn)狀廠區(qū)構(gòu)筑物布置緊湊，增設深度處理工藝后需增加深度處理構(gòu)筑物。為保證工藝流程的順暢，本次設計將二氧化氯消毒池拆除調(diào)整為次氯酸鈉加藥間，在消毒池位置設置紫外線消毒渠，同時根據(jù)實際出水狀況補加次氯酸鈉消毒，次氯酸鈉投加量為25mg/L。
改造后工藝流程如圖1所示。
三、改造后運行效果分析
本次升級改造工程于2018年8月中旬完成，水量達到設計值4萬m3/d條件下，所投加的懸浮載體完成掛膜。分析2019年1月1日—2019年6月25日共計176d的進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)(包含整個冬季運行階段)，結(jié)果如表2所示。
使用MBBR工藝改造后，強化了原池處理能力。NH3-N處理負荷力從0.029kgNH3/(m3•d)增加至0.036kgNH3/(m3•d)，增大了24%。MBBR工藝屬長泥齡，有利于硝化菌群富集，且通過水力剪切的作用，保障懸浮載體上的硝化菌一直處于較高的活性。生化池出水TP濃度為(0.35±0.083)mg/L，已經(jīng)達到一級A標準，通過磁混凝工藝進一步保障了TP的達標。
沿程分析發(fā)現(xiàn)，好氧MBBR區(qū)發(fā)生了明顯的同步硝化反硝化(simultaneousnitrificationanddenitrification，SND)現(xiàn)象，TN去除率為22.44%，TN去除貢獻率達到35.01%。生物膜上典型的缺/好氧微環(huán)境，以及對功能微生物的富集作用，促進了同步硝化反硝化作用的進行，使得在好氧區(qū)仍有TN的進一步去除，也大大降低了碳源的投加費用，故對于進水基質(zhì)濃度不高的污水廠，甚至可完全節(jié)約外投碳源，使得MBBR除了在池容做到深度挖潛外，真正實現(xiàn)了基質(zhì)利用上的深度挖潛，應用前景廣闊。對眾多使用MBBR的污水廠進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在好氧填料區(qū)均存在顯著的SND現(xiàn)象，TN去除量在3~8mg/L，且基質(zhì)濃度較高的污水廠，SND效果更佳顯著。
四、改造前后經(jīng)濟指標分析
該工程總投資為9747萬元，其中工程費用為7659萬元。如表3所示，改造前噸水處理費用為0.491元/m3，改造后噸水處理費用為0.584元/m3，與改造前相比，增加了0.093元/m3。改造后混凝劑投加量減少，但是增加了磁粉的消耗，故總的噸水藥劑投加費用基本不變，均為0.10~0.11元/m3，改造前污泥處理量均值為20t/d，污泥處理成本為272元/t，改造后污泥處理量為25t/d，處理成本為303元/t，噸水污泥處理費用由0.173元/m3增加至0.202元/m3，改造前噸水電費為0.214元/m3，改造后增加至0.282元/m3，其原因為磁混凝工藝的增加使得噸水電耗有所提高。
改造前出水水質(zhì)執(zhí)行二級標準，運行平均能耗為0.279kW•h/m3，改造后出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標準，運行平均能耗為0.322kW•h/m3，與改造前相比，增加了0.043kW•h/m3。由于改造后新增4臺二次提升泵且磁混凝池也需攪拌，該部分增加電耗為0.053kW•h/m3，生化池能耗變化不大且出水水質(zhì)得到了提高。
五、MBBR微生物分析
為進一步探究懸浮載體的作用，對該污水廠投加的懸浮載體和活性污泥進行了高通量測序分析，結(jié)果如圖2所示。
圖2中MBBR-1和MBBR-2為生化池不同區(qū)域的懸浮載體，污泥為生化池活性污泥。各部分的主要菌種及相對豐度如表4所示。
系統(tǒng)中的優(yōu)勢硝化菌群為Nitrospira(Comammox)，其在懸浮載體中的相對豐度分別為3.90%、7.33%，在污泥中相對豐度為0.75%。對懸浮載體生物膜和好氧污泥進行MLVSS測定，由表5核算得出，系統(tǒng)中69.8%的硝化菌來自懸浮載體，30.2%來源于污泥，表明在硝化過程中，懸浮載體起到了重要的作用。
此外，在懸浮載體中也檢測出反硝化菌，如Ferruginibacter、Hyphomicrobium等，反硝化菌在懸浮載體和污泥中的相對豐度分別為4.05%、2.31%和3.65%。在MBBR-2區(qū)的懸浮載體上發(fā)現(xiàn)了大量Acinetobacter，相對豐度為27.18%，該菌種屬于不動桿菌，也具有反硝化作用。反硝化菌群在填料上存在，從微觀上提供了好氧區(qū)填料上發(fā)生SND的證據(jù)。
六、結(jié)論
使用“MBBR+磁混凝”工藝對工業(yè)廢水進行原池提標提量升級改造，充分利用了現(xiàn)有空地，投資運行成本低，改造周期短，運行高效穩(wěn)定。改造后水量增加至4萬m3/d，出水COD、NH3-N、TP、TN均值分別為(30.52±5.73)、(0.90±0.92)、(0.09±0.075)、(8.26±2.55)mg/L，穩(wěn)定達到一級A標準。改造前后生化池能耗不變，處理負荷提升，且抗沖擊性能更好，噸水處理費用由0.491元/m3增加至0.584元/m3，適用于工業(yè)廢水提標提量升級改造。(來源：寧波北侖巖東水務有限公司，青島思普潤水處理股份有限公司)
