摘要： 华南某微污染水处理厂总处理规模260万m ³ /d，为改善河道水质，需对原工艺进行升级改造，其中核心控制指标为氨氮。通过对比曝气生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、纯膜MBBR对微污染水氨氮的适用性，并综合考虑进出水水质、投资运维成本、施工难易程度等因素，最终选取纯膜MBBR工艺对水厂进行改造，切割部分沉淀区改造为纯膜MBBR区。分析了不同水力池型，对于悬浮载体流态的影响。选用侧进侧出微动力混合池型的改造部分，改造后出水水质稳定，氨氮浓度低于0.5mg/L，沉淀时间降低情况下TP去除率仍维持在81%以上，优于排放要求；在水量长期超标情况下出水水质保持稳定，抗冲击负荷能力强。纯膜MBBR工艺路线简单、占地省，投资运维成本低，适于微污染水处理厂新改扩建。

微污染水，一般指受污染程度较轻的水，水质一般优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准，但劣于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中III类水标准，水质特点更接近地表水。微污染水的存在，一方面降低了河道水体评级，另一方面当作为水源水时需进行额外处理以满足给水相关标准。微污染水水质特点更接近给水，处理方法与给水流程相似。微污染水去除氨氮，若采用传统折点加氯方法，成本高，效果不理想，一般借鉴污水生化脱氮方式，生物膜法是最常用的硝化方案，曝气生物滤池（BAF）是典型的工艺之一。BAF应用时多新建为独立系统，难以在已有构筑物内改建，需额外新增占地，同时也存在投资运行费用高等问题。纯膜MBBR工艺（Pure-MBBR），作为连续流生物膜法的工艺之一，是微污染水脱氮的另一种选择方案。本文以华南某微污染水处理厂纯膜MBBR工艺升级改造项目为例，介绍了平流沉淀池内镶嵌纯膜MBBR工艺以增加脱氮功能的方法，并分析了纯膜MBBR悬浮载体流动的水力设计，以期为微污染水处理新改扩建提供参考。

1.1  项目简介

华南某微污染水处理厂处理规模260万m ³ /d，主要处理河道水，解决城区段的河道水污染问题。该厂原工艺采用一级强化混凝沉淀工艺，有效地削减了水体悬浮物、有机物、总磷等污染物，改善了河道水质。但该工艺对氨氮几乎没有处理效果，针对氨氮的污染问题，需对水厂进行改造，使其同时具备硝化、除磷功能。考虑进水氨氮浓度变化范围较大，根据不同进水氨氮浓度分别设定出水氨氮限制、氨氮去除率和氨氮去除量要求，当进水氨氮＜3.0mg/L 时，出水氨氮≤0.5mg/L；当3.0≤进水氨氮<6mg/L时，氨氮去除率≥84%；当进水氨氮≥6.0mg/L时，氨氮去除量≥5.0mg/L，具体设计进出水水质见表1。

表1 设计进出水水质

1.2  项目难点

对于微污染水硝化，若采用活性污泥法难以有效富集微生物，一般采用生物膜法。常规的生物膜法，包括曝气生物滤池（BAF）、生物转盘、生物接触氧化等，近年来，移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR）也得到了广泛应用，其工艺对比如 表2 所示。

MBBR，即通过向反应器中投加悬浮载体富集生物膜，在悬浮载体流动的过程中，实现微生物的动态更新及污染物的高效去除，其在国内的工程应用规模已超过2000万m ³ /d。MBBR工艺，按照其系统内微生物主要存在方式，分为泥膜复合MBBR工艺（S-MBBR）和纯膜MBBR工艺（P-MBBR）。S-MBBR，行业内又称为IFAS，但IFAS包含范围更广，也包括其他载体与活性污泥复合的工艺，而S-MBBR专指悬浮载体。S-MBBR中，既包含悬浮态的活性污泥，也包含附着态的悬浮载体生物膜，处理能力以活性污泥为主，生物膜为辅，多用于污水厂提标改造和节地新建。P-MBBR工艺中，不设置污泥回流，不富集活性污泥，微生物主要以附着态的悬浮载体生物膜方式富集，其应用方式灵活，可分别用于预处理、二级处理、深度处理等。但P-MBBR在国内的应用起步较晚，近3年逐步涌现相关工程应用。肇庆某市政污水厂设计处理水量3万m ³ /d，二级工艺采用纯膜MBBR工艺，可实现出水氨氮低于1.5mg/L的处理目标。广东某水质净化厂设计处理水量1.8万m ³ /d，采用纯膜MBBR工艺作为深度处理工艺持续强化去除氨氮，保障出水氨氮稳定达到地表IV类水要求。针对于微污染水治理，纯膜MBBR工艺已在江苏盐城取了大规模的成功应用，该项目为新建源水预处理厂，处理水量30万m ³ /d，采用纯膜MBBR工艺保障出水水质达到地表III类水，实际运行在进水氨氮为1.4mg/L的条件下，最优可使出水氨氮低于0.1mg/L，取得了良好的应用效果 。已有项目均证明了P-MBBR工艺在应对高标准情况下良好的处理效果。S-MBBR多用于改造，P-MBBR多用于新建，而P-MBBR改造还鲜有工程应用报道。

综上，结合本项目的难点及需求，拟采用纯膜MBBR进行改造，实现强化氨氮去除的目标。

表2 常见生物膜法处理微污染水对比

3.1  工艺流程

图1 改造后工艺流程图

3.2 MBBR池型设计

MBBR工艺的工程应用，流化是核心，池型是关键。该工艺于2000年引入国内，但迟迟未得到工程化应用，核心是流化问题未能解决。2008年，MBBR工艺在国内实现了首个大规模的成功应用，破除了流化对于MBBR工程应用的壁垒 。在该项目中，MBBR池型为循环流动池型，即在悬浮载体投加区域安装推流器，增加导流墙，形成内部循环，类似于氧化沟池型。本项目由于已有池型所限，不适合采用 循环流动池型 。随着MBBR工艺的不断优化与创新，已形成了好氧区在无推流作用下的悬浮载体流化池型，称之为微动力混合池 。与循环流动池中悬浮载体在平面循环流动不同，微动力混合池中，悬浮载体主要是在曝气的作用下纵向循环流动。通过合理布置进出水方向，降低池内行径流速，同时曝气优化布置下在系统内部 构建了池内上部自出水端指向进水端、池内下部自进水端指向出水端的内循环。 对于微动力混合池的应用，核心是需要平衡气速和水的行径流速，从而确保悬浮载体良好的流化效果。

针对本项目，结合池型特点，不适合采用循环流动池。在工程设计上，综合考虑平流沉淀池出水方向、池内行径流速、处理效果等，提供两种池型，分别为侧进侧出微动力混合池型和推流池型，见图2。其中，S为侧进侧出两级微动力混合池型，P为三级推流式池型。根据实际进水水量、具体的池型规格得出池型S的水平流速以及单级长宽比分别为24.6m/h、2.7。池型P的水平流速以及单级长宽比分别为65.3m/h、1.8。不同的进水方式，导致了其水平流速差距达到2.7倍。最新发布的《 室外排水设计标准 》（GB50014-2021）提出，MBBR池内水平流速不应大于35m/h，且长宽比宜为2:1～4:1，当不满足此条件时，应增设导流隔墙和弧形导流隔墙，强化悬浮载体的循环流动 。 所以根据标准要求，本次改造纯膜MBBR工艺池型选用侧进侧出两级微动力混合池型。

图2 MBBR区改造池型比选

3.3  功能区改造

3.3.1  沉淀池改造

水厂现有平流沉淀池12座，长×宽×高分别为115.0m×40.7m×6.5m，池底坡度0.01。每座分成5格，每格净宽 7.9m。每格设计流量4.33万m ³ /d，水平流速18.1mm/s，表面负荷2.0m ³ /(m ² ·h)，停留时间为106 min。本次改造将沉淀池末端45m处区域切割改造为纯膜MBBR工艺，如图3所示。拆除了沉淀池末端45m处的刮泥设施。改造后平流沉淀池池长70m，表面负荷升高至3.3 m ³ /(m ² ·h)，沉淀池停留时间缩短至64min， 采用网格絮凝方式实现混凝药剂充分混合。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处。

图3 平流式沉淀池改造前后示意图（A.改造前；B.改造后）

3.3.2  MBBR区改造

3.3.3  其他附属构筑物

1） 更换细格栅：主要用于拦截进水中的悬浮物和漂浮物。考虑原细格栅使用时间较长、故障率大、拦截效果差等问题，本次改造同时对细格栅进行了更换。共更换18台细格栅及2套皮带输送机。细格栅采用回转式齿耙清污机，Q=6500m ³ /h，渠宽2890mm，渠深2060mm，格栅间隙由原10mm降低为8mm，安装角度α=70°，功率3kW，304不锈钢材质，含电气自控系统。皮带输送机B=500mm，L=52m，N≤11kW。共2套，机架为304不锈钢材质，含电气自控系统；

2）新建鼓风机房：由于原厂未设置鼓风机房，本次改造需要新建。鼓风机房占地647.16m ² ，配套离心式鼓风机16台，共分为2组，每组8台，每组7用1备，P=43kPa，N=240kW，风量260m ³ /min；

3）提升泵房更换水泵：由于水厂运行时间较长，提升泵磨损严重，运行效率差，本次改造新增备用水泵2台。新增水泵采用原厂同规格、同类型水泵，为 抽芯式混流泵，单台流量Q=7.523m ³ /s，扬程H=9.628m，带变频，采用立式异步电动机，额定转速为298r/min，额定电压为10kV，电机功率 P=710kW。

图4 悬浮载体挂膜效果（分别为投加1d、5d、15d和30d）

本项目建设总投资2.63亿元，针对微污染水脱氮纯膜MBBR工艺包吨水投资55元/m ³ 。项目运行增加能耗主要为电费，吨水电耗增加0.015～0.020kWh/m ³ 。纯膜MBBR区不需要添加药剂及菌种，药剂费用未增加。采用PAC进行化学除磷，项目整体电药成本为0.009～0.012元/m ³ 。