污水处理厂冬季低温运行期间硝化速率显著下降，面临氨氮达标困难的问题，需进行工艺升级以强化系统的硝化能力，核心是提高系统的有效生物量，常用的工艺有膜生物反应器（ MBR）及移动床生物膜反应器（MBBR）。MBR工艺通过膜的过滤作用，可实现更高的污泥浓度和更长的污泥龄， 增加了系统生物量， 但膜污染是该工艺难以避免的问题。一方面高污泥浓度下活性污泥微生物絮体容易在膜表面形成滤饼层 ，另一方面小分子物质如胞外聚合物（ EPS）或溶解性微生物产物（SMP）等堵塞膜孔隙，并可能会造成不可逆污染 ，膜污染问题也提高了 MBR工艺的运行成本和膜更换成本。MBBR工艺则是通过投加悬浮载体，为微生物提供附着生长的场所，在悬浮载体表面形成附着态生物膜，实现了菌群的高效富集，从而保证低温条件下氨氮的稳定去除。Leiknes和?degaard等提出了MBBR+MBR组合工艺 ， MBBR工艺对某些EPS或SMP有降解作用，使其组成成分发生变化 ，进而缓解 MBR工艺膜污染问题；通过MBR工艺的过滤作用，同步实现MBBR工艺的泥水分离过程，节省后端二沉池占地。

MBBR+MBR组合工艺已在小试及中试规模的试验中取得了良好的处理效果 ，但目前关于 MBBR+MBR组合工艺应用于实际污水处理厂研究案例鲜有报道。 本文以长春市某污水处理厂同时提标提量改造项目为例，介绍了 MBBR+MBR组合工艺在实际污水厂占地受限条件下的工程设计和应用，并介绍了季相温度变化时的运行情况，以期为同类型项目提标改造提供参考。

1.1 项目简介

长春某污水处理厂处理规模2.5×10 ⁴ m ³ /d，处理工艺为“A ² /O+MBR”工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18918-2002）中的一级A标准。随着城市发展，该污水厂已接近满负荷运行且水量增长迅速，现状设计水量已难以满足实际需求，急需进行扩建，处理规模需提升至6.0×10 ⁴ m ³ /d。同时，根据受纳水体水环境功能目标的要求，污水厂出水水质标准需在一级A基础上进一步提升，其中COD _cr 、BOD ₅ 、SS、TP要求达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类水标准要求（以下简称“准III类”），氨氮执行地表IV类水标准。因此，本项目需同时进行扩容提标，具体设计进出水水质见表1，设计水温8℃。

表 1 设计进出水水质

1.2 项目难点与工艺选择

1） 冬季长时间低水温严重影响系统硝化性能：项目运行期间生化池最低水温低至8℃，且持续时间长达近2个月；面对一级A排放标准，低温期间，出水水质稳定达标尚有难度，减量至2.0×10 ⁴ m ³ /d运行后出水能够勉强达到一级A标准，但达到出水氨氮浓度＜1.5mg/L的标准仍存在难度；MBR本质仍属活性污泥法，其长时间低温运行硝化性能降低明显，虽已大幅度提高系统内污泥浓度至12g/L以上，延长污泥龄，但仍不能从本质上解决系统低温硝化不稳定问题；

2） MBR长期高污泥浓度运行运维成本高：为应对冬季2个月的低温期，系统污泥浓度始终保持在12g/L以上，长期的高MLSS运行，致使膜污染严重，膜通量降低，提高了工艺的运维成本；

3） 项目可用土地紧缺：本项目处理水量需从2.5×10 ⁴ m ³ /d提升至6×10 ⁴ m ³ /d，但由于厂区周边多为农田、道路及防洪堤坝，可征用扩建用地少，需采取节地措施，生化池HRT需控制在24h以下，即原2.5×10 ⁴ m ³ /d最低可减量至2×10 ⁴ m ³ /d运行，并按此HRT新建4×10 ⁴ m ³ /d的污水处理设施；

4） 进水水质冲击负荷较大：该项目进水含有一定比例的 工业废水，占比在 10-40%，CODcr、氨氮和TN浓度波动大，现有工艺在遭受冲击时达标困难，需强化系统抗冲击负荷能力；

5） 出水水质标准提高进一步加大达标压力：该项目出水标准从一级A提升至“准III类”，出水水质更加严格，而现有系统运行中可调整余地较低，提标压力大。

综上，解决低温硝化问题、污泥浓度过高问题、新建缺地问题、提升系统抗冲击负荷能力问题、提高排放标准问题，本质就是要提升系统的容积负荷；在无法进一步提高污泥浓度的前提下，结合 MBBR在国内的成功应用经验，拟采用MBBR镶嵌MBR工艺，通过增加附着态生物量，适当减小悬浮态生物量的条件下提升系统容积负荷。

1.3 MBBR的抗低温性能及MBBR-MBR研究进展

低温下长泥龄的硝化菌群活性变差，世代时间进一步延长，硝化菌随剩余污泥的排出而流失，系统内硝化菌数量逐步降低，与此同时好氧异养菌会挤占硝化菌生态位，系统硝化性能迅速下降且不易恢复 ，最终导致出水氨氮不易达标。 MBBR工艺通过向生化池内投加悬浮载体，在载体表面形成生物膜，提高了生化池有效生物量。对活性污泥及生物膜进行高通量测序，结果表明生物膜物种多样性高于同系统内活性污泥，其对硝化菌的富集能力是活性污泥的10倍以上 ，实现了长泥龄硝化菌的专性富集，且生物膜泥龄长，在水力、曝气剪切力下进行动态更新，不受排泥限制。生物膜外层包裹 EPS，为低温下微生物的生存和新陈代谢提供保护作用，增加了微生物对低温环境的抵抗性 ，为其在低温条件下达到良好的处理效果奠定了基础。

MBBR工艺起源于欧洲，在低温条件下取得了良好的应用效果。 表 2列举了MBBR工艺在国外低温下的运行案例 ，如挪威 Lillehammer污水处理厂采用MBBR工艺，冬季低温期内，最低水温达到3.5℃，系统硝化性能良好，出水几乎无氨氮，平均出水TN仅为2.8mg/L，能够稳定达到排放标准，运行不受低温影响，自1994年通水以来已稳定运行近27年。Gardermoen污水处理厂冬季水温仅为6～7℃，平均出水氨氮浓度仅为0.03mg/L，具备良好的硝化性能，出水稳定达标。国内天津某污水处理厂采用MBBR工艺进行提标改造，在冬季9～11℃低温条件下，出水COD、氨氮及TN均值分别为24.52、0.29及6.82mg/L，稳定达到出水标准，硝化试验表明活性污泥在此低温下几乎已无硝化活性，而悬浮载体生物膜仍保持较高活性，几乎承担了系统内全部的氨氮去除 。内蒙古某污水处理厂冬季低温期长，当年 12月至次年3月平均水温仅为7.5℃，最低水温不足6℃，出水达标困难，采用MBBR工艺改造后，冬季出水氨氮均值为仅1.5mg/L，氨氮去除率达到94.2% 。可见， MBBR工艺具有良好的抗低温性能，低温条件下仍能够保证出水稳定达标，适于在低温地区应用。

表 2 低温条件下 MBBR工艺污染物去除情况

MBBR与MBR工艺的结合充分发挥了两种工艺的优势。

首先，前端 MBBR工艺可以减缓MBR工艺膜污染问题。MBBR工艺通过在悬浮载体表面形成生物膜，实现了菌群的高效富集，可大大降低悬浮态污泥浓度，从而降低膜污染风险，提高膜通量，其对 EPS和SMP等小分子有机物的降解也减少了膜孔隙堵塞的可能性，延长了膜的清洗周期。 Luo等 分别研究了传统 MBR反应器（CMBR）和MBBR-MBR反应器的膜污染特性。结果表明，MBBR-MBR工艺显著降低了膜污染水平，MBBR-MBR反应器跨膜压差达到35kPa用时89d，而CMBR反应器仅用时16d跨膜压差即达到38.5kPa，主要原因在于对SMP的降解，测定两反应器内的SMP分别为4.02～6.32 mg/L和21.78～33.04 mg/L，更高的SMP浓度导致了更高的膜污染程度。

其次， MBBR与MBR工艺均可以实现功能菌的高效持留，并且通过悬浮载体的加载，提高了生化池氧利用率及抗冲击性能，使得工艺效果更加稳定。

最后，利用 MBR的膜过滤作用，可同步实现MBBR工艺的泥水分离过程，节省了二沉池占地，流程更加紧凑，适用于占地受限且排放标准高的污水处理项目。目前，MBBR+MBR组合工艺在处理废水微污染物 、含盐废水 以及市政废水 方面均有相关研究且取得了较好的处理效果，但多为小试或中试规模，缺乏大规模工程应用。

本项目同时提标提量，总处理规模需提高至6.0×10 ⁴ m ³ /d。现状MBR工艺镶嵌MBBR系统进行改造，处理规模由2.5×10 ⁴ m ³ /d减量至2.0×10 ⁴ m ³ /d运行。新建工程采用MBBR-MBR组合工艺，处理规模4.0×10 ⁴ m ³ /d。

2.1 工艺流程

项目原工艺采用“A ² /O+MBR”，改造后切割池容进行功能区重新分配，耦合MBR工艺形成改良Bardenpho工艺，并将好氧池投加悬浮载体形成好氧MBBR池。污水依次经过粗细格栅、曝气沉砂池、膜格栅、生化池、MBR池，MBR出水经高级氧化进一步去除难降解COD并同步完成消毒后外排，剩余污泥脱水后外运处理，扩建项目工艺流程与改造项目一致，具体工艺流程如图1所示。

图 1 改造与新建项目工艺流程图

2.2 污水厂 现状处理工艺改造

1.1.1   生化池改造

生化池总池容为18752m ³ ，有效水深5m，改造前厌氧池容3375m ³ ，缺氧池容5252m ³ ，好氧池容10125m ³ ，总停留时间18h，其中厌氧池停留时间3.24h，缺氧池停留时间5.04h，好氧池停留时间9.72h，膜池至好氧池污泥回流比为100%，好氧池至缺氧池污泥回流比为400%，缺氧池至厌氧池污泥回流比为300%，污泥浓度6.67g/L。核算，原A ² /O工艺厌氧池容过大而缺氧池容不足，改造时拆改隔墙，切割部分厌氧池改造为前缺氧池，并切割部分好氧池改造为前、后缺氧池，同时好氧池投加悬浮载体形成好氧MBBR池，并耦合后端MBR工艺最终形成改良Bardenpho工艺。由于处理水量降低，总停留时间延长至22.5h。改造后。回流比保持不变，设计污泥浓度降低至5g/L。厌氧池设双曲面潜水搅拌器两台，N=3kW；前缺氧池设潜水搅拌器8台，N=2.3kW；后缺氧池设潜水搅拌器4台，N=2.3kW。好氧MBBR区投加SPR-III 型悬浮载体，悬浮载体比重约 0.94～0.97，材质为 HDPE，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》行业标准（CJ/T461-2014)，设悬浮载体专用推流器8台，N=5.5kW。更换膜池至好氧池污泥回流泵4台，Q=450m ³ /h，H=1.5m，N=3kW，两用两备。

1.1.2   MBR膜池改造

更换膜池出水泵，使得扬程满足将膜池出水泵送至臭氧接触池的要求，更设置5台，Q=417m ³ /h，H=12m，N=30kW，4用1备。

1.1.3   鼓风机房改造

由于现状生化池有效水深较浅，（H=5m）溶氧率较低，由于污水厂管网收集范围变化导致进水水质较原设计提高较多，重新校核了需气量，新增空气悬浮曝气风机1台（Q=34Nm ³ /min，H=60kPa，N=42kW），使曝气风量满足现状生化池提标后的曝气风量要求。

2.3 污水厂新建

1.1.4   预处理设施

（1）粗格栅，去除污水中较大漂浮物，并拦截直径大于10mm的杂物，以保证提升系统正常运行。采用3条钢筋砼平行渠道，设回转式固液分离机2台，设计流量0.63m ³ /s，栅渠宽度1100mm，栅条间隙10mm，格栅倾角70°，N=1.1kW；配套无轴螺旋栅渣压实机一体机1台，W≥5 m ³ /h，L=8.5m，N=1.5kW；栅渣压实机1台，W≥5 m ³ /h， N=1.1kW；

（2）进水泵房，设计流量0.63m ³ /s，设计水位201.5m，设不堵塞潜水离心泵4台，其中3用1备，单台流量760 m ³ /h，扬程15.5m，功率50kW；

（ 3）细格栅，进一步去除污水中粗大的漂浮物，特别是丝状、带状漂浮物，保证后续处理系统的正常运行。采用钢筋混凝土结构，直壁平行渠道，设板式细格栅两台，互为备用，渠道宽度2000mm，栅条间隙3mm，N=1.7kW；配套高压冲洗水泵1台，Q=1.68 m ³ /h，H=12Mpa，N=7.5kW；中压冲洗水泵 2台，1用1备Q=20 m ³ /h，H=68m，N=7.5kW；无轴螺旋输送机1台，Φ260，L=5m，N=1.5kW；高排水型螺旋压榨机1台，φ500mm，Q=5 m ³ /h，N=2.2kW；

（4）曝气沉砂池，去除原水中比重大于2.65，粒径大于0.2mm的无机砂粒，以保证后续流程的正常运行。共一座，钢筋砼结构，停留时间7min，气水比0.2。设移动式刮砂桥1套，长×宽为25m×7.1m；吸砂泵2台，设计流量25m ³ /h，N=3.5kW，H=3.5m；砂水分离器1台，20L/s，N=0.37kW；鼓风机3套，2用1备，Q=4.5m ³ /min，N=5.5kW，H=5m；

（5） 膜格栅，避免纤维状物质对 MBR膜的缠绕，保证MBR膜池的稳定工作及出水。共一座，采用矩形钢筋混凝土结构。选用内进流板式精细格栅3台，其中2用1备，过栅流量320L/s /台，单机宽度1800mm，栅条间隙1mm，格栅倾角5°，N=2.2kW；配套冲洗水泵 3台，2用1备，Q=32 m ³ /h，H=88m，N=15kW，压榨机 1套，D=320mm，N=2.2kW；

1.1.5   生化池

采用改良 Bardenpho池型，前端依次为厌氧池-前缺氧池-好氧池-后缺氧池-好氧池（MBR膜池），外回流污泥从MBR膜池至好氧池，内回流污泥从好氧池至前缺氧池，混合液回流从前缺氧池至厌氧池。膜池污泥回流比100%，好氧池至前缺氧池回流比400%，前缺氧池至厌氧池回流比300%。采用矩形钢筋混凝土结构，长×宽×高为90m×65m×8.2m，有效水深7.2m，总停留时间22.45h， 设计污泥浓度 5g/L，好氧池投加同型号悬浮载体 。

厌氧区设可提升式大叶片潜水推进器 4台，单台功率2.3kW；前缺氧区设可提升式大叶片潜水推进器8台，单台功率4.3kW；后缺氧区设小叶轮潜水搅拌器4台，单台功率2.3kW；好氧MBBR区设悬浮载体专用推流器8套，直径φ=1600mm，功率7.5kW；好氧池至前缺氧池混合液内回流泵6台，4用2备，单泵流量1670 m ³ /h，扬程1m，功率9kW；前缺氧池至厌氧池污泥回流泵6台，4用2备，单泵流量1250 m ³ /h，扬程1m，功率5.5kW。

1.1.6   MBR膜池

共计1座，设计水量4万m ³ /d；设膜组件60组，Q=667m ³ /d，膜面积2100m ² /组，名义膜通量15L/(m ² ·h)；产水泵11台，10用1冷备，Q=267 m ³ /h，H=10m，N=18.5kW；NaClO加药化工泵，2台，1用1备，Q=5.2m ³ /h，H=20m，N=1.1kW；柠檬酸加药化工泵，2台，1用1备，Q=4.5m ³ /h，H=20m，N=1.1kW；PE储药罐1套，有效容积为20m ³ ；空气压缩机2台，1用1备，排气量1.0m ³ /min，排气压力0.8MPa，N=7.5kW；冷干机1台，Q=1.5m ³ /min，N=0.55kW；压缩空气储罐1个，容积1.0m ³ ，压力0.80Mpa；液环真空泵2台，1用1备，Q=165m ³ /h，最大真空度84%，N=4kW；真空罐1台，V=1m ³ ；汽水分离罐1个，V=0.12m ³ ；剩余污泥泵2台，1用1备，Q=70m ³ /h，H=22m，N=9kW；膜池至好氧池污泥回流泵4台，2用2备，Q=840m ³ /h，H=1.3m，N=7.5kW；除臭污泥回流泵3台，2用1冷备，Q=50m ³ /h，H=12m，N=3kW；设备间排水泵2台，1用1备，Q=15m3/h，H=10m，N=1.1kW。

1.1.7   鼓风机房

为生化池污水处理提供足够的空气量以及为MBR膜池提供膜吹扫的空气量，设空气悬浮鼓风机（用于生化处理）3台，2用1备，Q=120Nm ³ /min，H=85kpa，N=220kW，气水比8.64：1；空气悬浮鼓风机（用于MBR膜吹扫）3台，2用1备，Q=160Nm ³ /min，H=45kpa，P=140kW，气水比11.5：1；自动卷帘式空气过滤器2套，Q=300m ³ /min。

1.1.8   加药间

加药间主要包含 PAC投加系统、乙酸钠投加系统及次氯酸钠投加系统，分别用于化学除磷、补充碳源及自来水消毒，具体设计如下：

（1）PAC投加系统1座，混凝剂选取聚合氯化铝溶液，加药量45mg/L，投加浓度10%；设变频调速隔膜式计量泵3台，2用1备，单泵流量100L/h，扬程20m，功率0.37kW；PAC卸料泵2台，1用1冷备，Q=30m ³ /h，H=10m，P=1.1kW；PAC储罐1台，V=20m ³ ；

（2）乙酸钠投加系统1座，选用液态乙酸钠作为外投碳源，加药量174mg/L，投加浓度20%；设变频调速隔膜式计量泵3台，2用1备，单泵流量1.5m ³ /h，扬程20m，功率1.1kW；乙酸钠卸料泵2台，1用1备，Q=60m ³ /h，H=10m，P=2.2kW；乙酸钠储罐 6台，V=30m ³ ；

（3） 次氯酸钠投加系统1座，药剂为次氯酸钠，加药量10mg/L，投加浓度10%；设变频调速隔膜式计量泵2台，1用1备，单泵流量100L/h，扬程30m，功率0.37kW；卸料泵2台，1用1备，Q=30m ³ /h，H=10m，P=1.1kW；次氯酸钠储罐1台，V=20m ³ （与膜组器清洗共用）；

1.1.9   污泥处理工艺

本工程污泥处理采用直接浓缩、脱水工艺，考虑原厂运行情况和要求，确定出泥含水率为 60%，设置重力浓缩+真空低温板框脱水工艺，改扩建共用。

为提高污泥含固率，减轻现状脱水机房负荷，满足出泥要求，新建污泥浓缩池2座，尺寸为φ15m×4.5m, 固体负荷45kgDS/m ² ，钢筋混凝土结构；设污泥浓缩分离机系统2套，现状污水厂1套，扩建部分1套，直径15m，单台功率1.5kW；新建排泥泵房1座，与现状污水厂共用，采用框架结构，污泥螺杆泵3台，2用1备，Q=100m ³ /h，H=10m，N=7.5kW；

新建污泥脱水机房1座，采用2层框架结构，设计进泥量Q=533～800 m ³ /d，设计出泥量Q=40 m ³ /d，设计出泥含水率60%，工作时长12～16h；设板框压滤机2台，1用1备，配套导料斗，过滤面积600m ² ，N=25.5kW；低压进泥泵2台，Q=100m ³ /h，P=0.8MPa，N=45kW；高压进泥泵2台，Q=30m ³ /h，P=1.2MPa， N=22kW；清洗泵1台，Q=215L/min，P=6.0MPa，N=30kW；清洗水箱1套，V=15m ³ ；压榨泵2台，Q=15m ³ /h，P=2.09MPa，N=15kW；压榨水箱1套，V=15m ³ ；空压机1台，Q=8.03m ³ /min，P=0.8MPa，N=45kW；冷干机1台，Q=2.1m ³ /min，N=1.0kW；回吹用储气罐1套，V=15m ³ ，P=1.05Mpa；仪表用储气罐1套V=2m ³ ，P=1.05Mpa；絮凝剂储罐1套，V=25m ³ ，D×H=3.0m×3.7m；加药计量泵2台，Q=1.0m3/h，H=2bar，P=0.75kW；机下水平倾斜输送机2套，L=13m，P=7.5kW；一级刮板输送机1台，P=11kW，L=10m，倾斜4°；电动单梁桥式起重机1套，B=17.4m，T=2t，N=3.0kW；电动葫芦1套，T=2t，N=3.0+2×0.4kW。

1.1.10   臭氧高级氧化

由于本项目长期存在工业废水冲击，生物处理后仍含有部分难降解COD，因此新建臭氧接触氧化池1座，去除COD并对污水进行脱色除味，设计最大流量为0.94 m ³ /s，钢筋混凝土矩形结构，停留时间60min；设高效臭氧溶气装置4台，N=0.75kW；尾气破坏器2台，处理气量1100kg/h，N=46.5kW；臭氧催化高级氧化流程定制泵5台，4用1冷备，Q=600m ³ /h，H=33m，N=90kW；均相催化反应器2台，N=14.4kW；潜水潜污泵2台，1用1备，Q=100m ³ /h，H=110kPa，N=5.5kW。

同时配套臭氧制备间1座制备臭氧，为去除COD并脱色提供氧化剂，设计臭氧投加量36mg/L，设计臭氧投加浓度 10%；设臭氧发生器和PSU单元4台，Q≥25Kg/h，N=248kW；循环水泵4台，Q=45m ₃ /h，H=21.5m，N=5.5kW；空压机2台，Q=0.8m ³ /min，H=0.8MPa，N=8kW；干燥机1台，Q=50m ³ /h，出口露点≤-70℃；储气罐1套，V=0.5m ³ ，H=10bar；热交换器1台Q=170m ³ /h，热负荷900kW。

臭氧高级氧化可同步发挥杀菌消毒作用，因此后续不再另外增加消毒措施。

项目于 2021年5月完成悬浮载体的投加， 悬浮载体生物膜状态如图 2所示 ，投加 7d后悬浮载体出现生物膜附着，随着MBBR区生物膜的生长成熟，系统污泥浓度降低至4.6g/L，较改造前降低30%。项目低温运行期间，在水温8～10℃条件下出水水质稳定达到设计标准，出水COD 均值为16.45mg/L＜20mg/L；出水SS均值为3.46mg/L＜5mg/L；出水氨氮均值为0.57mg/L＜1.5mg/L；出水TP为0.04mg/L＜0.2mg/L；出水TN均值为7.86mg/L＜15mg/L。取好氧MBBR区悬浮载体和污泥分别进行泥膜复合系统和纯泥系统的硝化速率测试，在小试温度4～6℃条件下，泥膜复合系统的硝化速率为纯泥系统的2.5倍，悬浮载体的投加提升了系统的抗低温性能。并且生化系统污泥浓度的降低使MBR池膜组件清洗周期延长50%，降低了运维成本。

图 2 悬浮载体生物膜状态

本项目总投资5.4亿元，新建项目实际工程总用地面积36085m ² ，其中新建构筑物占地15469.6m ² ，由于采用A ² /O原位镶嵌MBBR的技术进行改造和新建，悬浮载体生物膜承担了部分硝化负荷，生化池吨水占地较纯活性污泥法减少约34.1%。

长春市某污水厂面临同时提标提量，其中出水需提升至 “准III类”水标准，原工艺达标压力大，采用“MBBR+MBR”工艺进行改造，改造后出水稳定达标，其中出水COD 均值为16.45mg/L＜20mg/L；出水SS均值为3.46mg/L＜5mg/L；出水氨氮均值为0.57mg/L＜1.5mg/L；出水TP为0.04mg/L＜0.2mg/L；出水TN均值为7.86mg/L＜15mg/L。在工业水冲击和低温条件下出水仍可稳定达标，系统抗冲击能力强。改造后MBR膜组件清洗周期延长50%，降低了运维成本。“MBBR+MBR”工艺可同时实现脱氮性能提升和占地节省，为国内同类型污水处理厂提标改造或新建提供了参考。