纯膜MBBR工艺用于大型微污染水处理厂的效果分析

           

摘要：华南某微污染水处理厂总处理规模260×104 m3/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。综合考虑工艺适应性、投资运维成本、施工难易程度等因素，最终选取纯膜MBBR工艺进行改造，将部分沉淀区改为纯膜MBBR区，并采用侧进侧出微动力混合池型进行改造，采用不接种污泥原水启动，经历10天启动成功，稳定运行阶段系统氨氮去除率均值维持在90%以上。出水氨氮浓度主要受水温和进水氨氮浓度影响较大，气水比和水力负荷率对出水氨氮浓度影响较小，系统具备良好的耐水力冲击性能。从生物膜性能上看，硝化负荷、生物膜生物量及膜厚度分别在14d和28d后达到稳定，生物膜生物量增长滞后于负荷增长。生物膜负荷具有一定余量，能够抵抗进水负荷冲击。生物膜中优势微生物主要有Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium、Pedobacter等，其中，优势硝化菌Nitrospira相对丰度自启动开始便逐渐上升，在第28d基本达到稳定，在一二级生物膜中相对丰度维持在13.10±1.10%、8.66±0.72%。此外，悬浮载体生物膜具备良好的耐饥饿性能，在高温离水7d后恢复通水，用时4天恢复保障出水氨氮浓度达标。纯膜MBBR工艺路线简单、占地省，投资运维成本低，启动迅速，运行稳定，适于微污染水处理厂新建或改扩建。

关键词：微污染水；河道治理；填料；生物膜；启动；

01

项目背景

1.1 项目概况广东某水质净化厂，处理规模260×104m3/d，为河道旁为处理设施，解决城区段的河道水污染问题。该厂原采用一级强化混凝沉淀工艺，有效地削减了悬浮物、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，需对污水厂进行改造，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（见表1）。

表1 设计进、出水水质

本项目改造面临无新增建设用地、进水水质波动大、水质贫营养难富集微生物、项目投资受限等多个难点。首先，水厂原有构筑物饱和，无新建用地，需选择可镶嵌或原位实施的工艺技术；其次，该厂涵盖水系多，涉及流域面广，导致进水水质、水量波动大，处理难度高，改造工艺需具有较强的抗冲击能力；再次，微污染水属于贫营养水质，不利于微生物富集；最后，该项目体量大，但总投资受限，需选择经济型工艺以降低投资。综合以上工程难点，需寻求高效、原位、稳定、快速、经济的氨氮去除技术进行工艺升级改造。

02

纯膜MBBR改造技术路线与方案

针对微污染水的氨氮去除，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、移动床生物膜反应器(MBBR)等。其中，MBBR工艺通过向反应器中投加悬浮载体富集生物膜，在悬浮载体流动过程中，实现微生物的动态更新及污染物的高效去除。由于其硝化负荷高、抗冲击性强、实施迅速、投资运行费用低等优势在国内得到了广泛应用，工程规模已超过2000×104m3/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），而针对微污染水的治理，纯膜MBBR工艺优势更加明显，并且于2019年便在江苏盐城实现了大规模的成功应用，处理水量30×104m3/d，应用效果良好，并进一步完成了当地其他两个微污染水处理项目，处理项目90×104m3/d。此外，国内其他的几项P-MBBR项目在应对高标准出水情况下均体现出良好的处理效果。因此，结合本项目的难点及需求，采用纯膜MBBR工艺进行改造，实现高效氨氮去除的目标。

2.1工艺流程

原工艺以一级强化混凝沉淀工艺为核心，上游河道水依次经过粗、细格栅、平流式沉砂池、絮凝反应池和平流沉淀池后流入河道下游，削减水体悬浮物、有机物、总磷等污染物。栅渣及污泥脱水后外运。

改造后在沉淀池末端45m内镶嵌纯膜MBBR系统。该厂现有平流沉淀池12座，长×宽×高分别为115.0 m×40.7 m×6.5 m，池底坡度0.01。每座分成5格，每格净宽7.9 m。水平流速65.3m/h，表面负荷2.0 m3/(m2·h)，停留时间为106 min。本次改造将沉淀池末端45 m处区域切割改造为纯膜MBBR工艺。拆除了沉淀池末端45 m处的刮泥设施。改造后平流沉淀池长70 m，表面负荷升高至3.3 m3/(m2·h)，沉淀池停留时间缩短至 **  min，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3.95 m，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。纯膜MBBR区停留时间0.69 h。思普润完成了其中130万t/d的改造，投加SPR-III型悬浮载体，悬浮载体密度约 0.94～0.97g/cm3，材质为HDPE，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》(CJ/T 461-2014)行业标准，纯膜MBBR区在池体中间通过拦截筛网设为两级工艺，各级悬浮载体填充率均为40%（进水氨氮浓度>>水力负荷率和气水比。采用主成分分析法（PCA）分析了运行阶段内气水比、进水氨氮浓度、水力负荷率、水温、出水氨氮浓度5个参数之间关系，以进一步探究各影响因素对出水氨氮浓度的影响效果。通过采用SPSS软件计算主成分分析KMO值为0.661>0.6，Bartlett检验对应p值为0.000进水氨氮浓度>>水力负荷率和气水比。进一步采用SPSS软件将气水比、水力负荷率、进水氨氮浓度、温度作为自变量，出水氨氮浓度作为因变量进行线性回归分析。温度的的回归系数值为-0.017，说明温度与出水氨氮浓度呈现一定的负相关性，但实际运行结果显示，当水温>15℃时已不是出水氨氮浓度的限制性因素，相关性已经减弱；进水氨氮浓度与出水氨氮浓度呈现正相关性，基于设计进水水质浓度下，出水氨氮浓度可以实现稳定达标，但系统能够耐受进水氨氮浓度的具体峰值，需继续跟踪运行效果。气水比的回归系数值为-0.063，其对出水氨氮产生负相关影响，显示气水比越高，出水氨氮浓度越低，但系统得益于良好的曝气系统可实现在低气水比良好流化和充氧功能，实现出水氨氮的稳定达标，故在出水氨氮浓度达标的情况下，相关性已经减弱。水力负荷率的回归系数值为0.119，且p=0.099>0.05，意味着水力负荷率并不会对出水氨氮产生影响关系，显示出纯膜MBBR系统良好的抗水量冲击性能，得益于MBBR区微动力混合池的池型布置。需要注意的是，根据线性回归分析得到的R2值为0. ** 9，意味着温度、水力负荷率、进水氨氮浓度、气水比4个因素可以解释出水氨氮的 ** .9%的变化原因。与常规市政污水不同，对于微污染水硝化的影响因素仍需进一步深度探究。

图6 影响出水氨氮浓度因素分析

3.4悬浮载体生物膜性能及高通量测序分析

MBBR处理微污染水， 出水水质、硝化负荷、生物膜生物量及膜厚度分别在 10d、14d和28d后达到稳定，生物膜生物量增长滞后于负荷增长。生物膜负荷具有一定余量，能够抵抗进水负荷冲击。为了准确的表征MBBR区悬浮载体硝化能力，在悬浮载体投加完成后取一、二级悬浮载体进行硝化小试并核算各级悬浮载体氨氮去除容积负荷，同步测定生物膜生物量与生物膜厚度。硝化小试及生物量测定结果如图7所示。悬浮载体挂膜7d，一、二级容积负荷分别为0.111 kgN/m3/d和0.075 kgN/m3/d；在后续7d迅速升高至0.328和0. **  kgN/m3/d，此后一、二级硝化负荷分别稳定在0.32±0.008 kgN/m3/d和0.21±0.010 kgN/m3/d，一级容积负荷是二级容积负荷的1.5倍左右，且小试各级悬浮载体容积负荷均高于项目实际运行核算的硝化负荷。由于小试的进水氨氮浓度较工程高，表现出更高的硝化负荷，与硝化负荷受进水基质浓度限值的结论相符。同时，也说明悬浮载体生物膜存在负荷余量，这为MBBR良好的抗水质冲击效果奠定了生物学基础。各级悬浮载体生物膜生物量均呈现迅速升高后逐渐稳定的趋势；挂膜7d时，生物膜相对较薄，生物量较低（一、二级悬浮载体生物量分别为0.62g/m2和0.49g/m2），此后各级悬浮载体生物量迅速上升，并于第28d开始逐渐稳定在2.66±0.36g/m2和2.14±0.19 g/m2。受进水负荷较低影响，该生物量水平较市政污水处理系统中(10-15g/m2)明显偏低。一二级MBBR区生物膜厚度与生物量变化趋势更加接近，一二级生物膜在28d分别达到197±23um、157±17um，此后一二级生物膜厚度均变化不大。此外，悬浮载体表面生物膜厚度分布并不均匀，且表面较为粗糙(图8)。生物膜作为一个动态更新的水处理系统，时刻发生着老龄生物膜的脱落与新生生物膜的生长，生物膜厚度差异的原因可能在于不同位点生物膜更新程度不同。虽然悬浮载体生物膜生物量与容积负荷变化趋势相似，但是并不完全一致。启动阶段，硝化负荷上升领先于生物量增长，考虑主要原因为系统基质浓度低，但污染物种类主要以氨氮为主，因此启动前期生物膜主要以快速富集自养硝化菌群为主，此阶段负荷上升迅速。随着系统运行，生物膜中逐渐富集了一部分其他菌群，该部分微生物虽然使生物膜生物量有所增加，但与硝化关系不大。另外，对于MBBR工艺，在系统稳定前，生物量与硝化负荷并非完全相关，对于不同水质不同阶段需具体分析。综上所述，以MBBR工艺处理微污染河道水，最不利温度下系统硝化负荷仅需14d即可达到稳定，出水稳定达标，但对应生物膜生物量、生物膜厚度则需要28d达到稳定，生物膜生物量及厚度的增长相比硝化负荷具有一定滞后性。

图7 启动阶段各级悬浮载体小试容积负荷、生物膜生物量及厚度

图8 第120天一二级MBBR区生物膜厚度

生物膜中优势硝化菌Nitrospira相对丰度自启动开始便逐渐上升，于第 14d后基本达到稳定，在一二级生物膜中相对丰度分别为13.10±1.10%、8.66±0.72%，显著高于已报道的其他工艺；采用基于16SrDNA的扩增子测序分析生物膜中微生物组成，如图9所示，从属水平物种组成看，一二级生物膜优势微生物较为一致，但相对丰度存在一定差异，其中一级生物膜中分类较为明确的优势菌属包括Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium等，二级生物膜中优势菌属包括Nitrospira、Hyphomicrobium、Pedomicrobium、Nitrosomonas、Pedobacter等。

与系统硝化效果直接相关的微生物涉及Nitrosomonas(亚硝化单胞菌)和Nitrospira(硝化螺旋菌)。其中，Nitrosomonas在一二级生物膜中相对丰度分别为2.89-5. ** %、0.00-3.48%。其在不同时间相对丰度无明显变化规律，但受一二级进水氨氮浓度影响，导致除第35d外，其在一级生物膜中相对丰度均高于二级生物膜。Nitrospira在一二级生物膜中相对丰度分别为8.48-14.23%、6.48-9.27%，该菌属部分菌种(如Candidatus Nitrospirainopinata、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans等)除携带负责氨氧化的AMO和HAO外，同时还携带亚硝酸盐氧化必需的NXR，具有全程氨氧化的能力，即一类微生物可以完成氨氮氧化成硝酸盐的过程(Co ** mmox)。该菌属在不同时间上相对丰度变化无明显规律，但在一级生物膜中相对丰度均高于同期二级生物膜。考虑主要原因为一二级MBBR区进水氨氮负荷差异导致。另外，根据稳定后的生物量核算该项目纯膜MBBR生物膜比氨氧化速率为0.15 kgN/kgMLSS/d，较常规活性污泥法变氧化速率更高，考虑主要原因在于MBBR悬浮载体强化了对硝化微生物的富集效果所导致。此外，该菌属相对丰度自启动开始便逐渐上升，在第14d基本达到稳定，在一二级生物膜中相对丰度维持在13.10±1.10%、8.66±0.72%。

Hyphomicrobium在一二级生物膜中相对丰度分别为1.32-13.40%、1.32-6.69%，该菌属除可利用甲醇、甲胺等一碳化合物做唯一碳源和能源进行脱氮外，还可参与PAHs（Polycyc lic arom atic hydrocarbons）污染水体中菲的降解，可能与进水中芳香烃类DOM的转化有关。。Kouleothrix在一二级生物膜中相对丰度分别为1.00-5.56%、1.88-4.38%，该菌属为丝状菌，在活性污泥系统中与污泥膨胀有关，在生物膜中则可能参与提供生物膜骨架的形成有关。该菌属在不同时间不同样品中相对丰度均无明显规律。Pedomicrobium在一二级生物膜中相对丰度分别为1.45-2.88%、1.71-6.45%。该菌属可进行反硝化脱氮，同时部分菌种对高盐度具有一定耐受性。Pedobacter仅在运行第7d大量存在于一二级生物膜中，相对丰度分别为12.38%、11.37%，其余时间相对丰度均小于0.05%，该菌属为污水处理系统内常见脱碳菌，部分菌种可降解酚类物质，其在启动前期相对丰度较高的原因可能与进水水质差异有关。

除硝化菌外，其余菌属于不同时间相对丰度变化存在一定随机性，且与MBBR分级无明显相关性。说明纯膜MBBR系统生物膜微生物更新速度较快，运行条件或水质参数的变化均会引起微生物属水平相对丰度的变化。

图9 生物膜优势物种及相对丰度

3.5悬浮载体生物膜耐饥饿性能

纯膜 MBBR系统具备良好的耐饥饿性能，系统停止运行排空7d后恢复通水，用时4d即可恢复处理效果。纯膜MBBR工艺恢复效果较好，恢复时间较快，不影响厂区正常运行；水厂实际运行过程中，受池体检修、设备维护等影响可能导致系统停运，此时，悬浮载体生物膜性能无 ** 常发挥。而水厂恢复运行时，悬浮载体生物膜处理效果的恢复性能对水厂的稳定运行将起到至关重要的作用。该项目其中一组池体在运行期间放空检修，悬浮载体在31.10±1.50℃条件下自然状态下离水7d。恢复通水后，系统硝化效果的恢复情况如图9所示。可以看出，系统恢复第1d至第5d的出水氨氮浓度分别为2.00、1.50、1.21、0.83、0.44mg/L；氨氮去除率分别为30.56%、46.24%、65.13%、77.26%和88.51%。离水一周恢复通水后，首日仍具有30%以上氨氮去除率，第4d出水即可达到设计标准，第5d恢复至日常处理效果，出水氨氮浓度低于0.5mg/L，氨氮去除率达到90%以上。悬浮载体生物膜停产运行后恢复效果较好，恢复时间较快，不影响厂区正常运行。目前，对于成熟悬浮载体生物膜的保存多在低温下进行。此时对环境、方法等要求较高且严格。而本项目面对悬浮载体的静置，无需采用繁琐的保存方式，简单易行，可轻松应对系统间歇运行，更具实践价值。

图10 系统停产后恢复效果

3.6纯膜 MBBR水力流态分析

水力流态模拟优化 MBBR池型布置，保证MBBR系统实现低耗均匀流化。MBBR区借助水力流态模拟，通过曝气管路的合理布置以及池型的改良设计，实现了悬浮载体在池内的均匀分布。从表观流化效果看，在进水端没有出现悬浮载体明显减少的情况，而在出水端也不存在悬浮载体明显增多的情况，确认了水力流态模拟应用于MBBR池型设计的合理性。

图11 纯膜MBBR区实际水力流态

04

经济分析

本项目建设总投资2.63亿元，针对微污染水硝化，纯膜MBBR工艺包投资为55元/m3。改造后项目整体运行费用为0.076-0.109元/m3。由于新增鼓风曝气，导致运行电耗增加0.009～0.018元/m3，达到0.019～0.020元/m3。纯膜MBBR区无需要添加药剂或菌种，因此项目药剂费用维持在0.006-0.008元/m3，较改造前差异不大。

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结论

1）经过在大型工程项目进一步验证，纯膜MBBR工艺适用于微污染水处理，具备经济、高效、持续、稳定的优势；将纯膜MBBR系统镶嵌入原一级强化沉淀池末端，改造完成悬浮载体全部投加后10d氨氮即完成调试实现达标，长期运行出水氨氮稳定达标，且普遍低于0.5mg/L，系统具备良好的抗冲击性能；

2）纯膜MBBR系统微污染水，出水氨氮浓度主要受水温和进水氨氮浓度影响较大，基于良好的流化效果及抗冲击性能，出水氨氮受气水比与进水水力负荷率影响不大，水温>进水氨氮浓度>>水力负荷率和气水比；

3）纯膜MBBR系统处理微污染水过程中，出水水质、硝化负荷、生物量分别为10d、14d和28d后达到稳定，生物膜生物量增长滞后于负荷增长；生物膜负荷具有一定余量，能够抵抗进水负荷冲击；

4）生物膜中优势微生物主要有Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium、Pedobacter等，其中，优势硝化菌Nitrospira相对丰度自启动开始便逐渐上升，在第28d基本达到稳定，在一二级生物膜中相对丰度维持在13.10±1.10%、8.66±0.72%；

5）纯膜MBBR系统具备良好抗饥饿性能，系统在31.10±1.50℃停止运行排空7d后恢复通水，用时4d恢复保障出水氨氮浓度达标，恢复效果好，恢复周期短，不影响厂区正常运行。