悬浮生物填料在城镇生活污水处理中的应用

悬浮生物填料在城镇生活污水处理中的应用
一．前言
采用BM悬浮生物填料的生物移动（流化）床工艺（MBBR）在国际和国内正在蓬勃兴起。在国内，我们实地考察了由威立雅水务改造的山东兖州污水处理厂。该厂日处理水量6万m3，吨水电耗0.21-0.25元。采用的工艺为粗格栅-进水泵房-细格栅-曝气沉砂池-初沉池-厌氧缺氧池-曝气池-终沉池-出水南四湖。进水主要为生活污水，进水COD200mg/L左右，进水氨氮20mg/l；出水COD30mg/L以下，氨氮2mg/l以下。曝气池池容5400m3，HRT=2.16h，悬浮填料投加在曝气池，在出水处加设不锈钢筛网截留以免填料随出水外溢，填料投加量2400m3。曝气池以活性污泥和填料混合方式运行，夏天曝气池的MLSS为4000mg/l左右，冬天曝气池MLSS为3500mg/l左右。
由此可看出，兖州污水厂的处理效率非常高，效果远超过设计指标—国家02年一级B标准，而且冬季运行也非常稳定，氨氮去除效果好。

图一 兖州污水厂曝气池

图二 填料阻隔器
湖北科亮生物工程有限公司采取“科利尔生物接触氧化”工艺建造了湖南龙山污水厂，处理能力为25000吨/日，出水各项指标达到国家02年一级B标准。由于污水厂准备提标至国家02年一级A标准，氨氮达标的压力很大。科亮公司通过业内人士对我司BM悬浮生物填料各方面性能的介绍，尤其是对氨氮去除能力的介绍后，非常高兴，马上采用我司BM-1填料，开展中试。令人吃惊的是，在实验进水后的第11天，曝气池的出水氨氮即下降到1.7mg/L，远低于国家02年一级A标准。由此可见，BM填料在老旧污水厂的升级改造上也有良好的应用空间。
目前，生物移动（流化）床工艺和悬浮填料已在国内多个污水厂的改造和新建项目上采用，如：
1. 张家口主城区污水处理厂规模为10万吨/日，该污水处理厂原出水水质为国家二级排放标准。该厂运用MBBR工艺对其原有的工艺进行升级改造，达到一级A排放标准。
2. 无锡芦村污水处理厂规模为20万吨/日，采用A2O活性污泥工艺，由于经济发展和环境保护要求的提高，污水处理厂的排放标准进一步提高，需要进行升级改造，改造内容将生物池改造为生物膜-活性污泥复合工艺，出水稳定达到一级A排放标准。
3. 济宁污水处理厂升级改造项目
4. 青岛城阳污水处理厂提标改造SBR池改造工程16万吨/日
5. 内蒙古磴口县磴口滨辉污水处理厂规模为3万吨/日，为新建工程
6. …….
由此可见，生物移动（流化）床工艺和悬浮生物填料已在国内污水厂的提标改造上取得了良好的进展，并在少量新建污水厂采用，一些项目通过了一些省级鉴定和参与了863计划。现在，生物移动床不单在污水厂改造，而且在新建污水厂的设计上也将加快采用。可以预见，在未来3、5年内，生物移动（流化）床工艺将逐步推广普及，并以其一系列优越特性成长为主流生物处理工艺。

二．生物移动床工艺类型
生物移动床工艺具有很强的扩展性和兼容性，仅在城镇生活污水处理领域，就有经典MBBR、生物膜—活性污泥复合工艺（HYBAS）、组合式生物移动床（CBMBR）等工艺。现就常用的并经我们改进的厌氧—缺氧—生物膜—活性污泥复合工艺（A2-HYBAS）工艺进行简要介绍。
A2-HYBAS工艺一方面实现了生物膜法和活性污泥法负荷的叠加，有机负荷高，减少构筑物体积，占地省，节省投资；另一方面通过对不同菌群的泥龄进行区分和控制，实现各种菌群的优化，克服不同菌群之间，尤其是硝化菌和聚磷菌的泥龄矛盾，使脱氮和除磷都能达到最佳。在好氧区，泥龄长的硝化菌生长在填料上，通过曝气运动；同时好氧区DO分区，达到同步硝化反硝化的作用；泥龄短的聚磷菌生长在活性污泥中，交替经过厌氧（也包含缺氧）—缺氧—好氧区，单独控制泥龄，发挥释磷、摄磷作用，从而使脱氮除磷效果最大化。这样一来，通过活性污泥和填料的共存，并创造各种环境条件，使不同菌群都能达到最优化生长状态，克服了传统的单独采用活性污泥工艺的局限性。
其工艺特点为：
1、该反应器综合了活性污泥法和生物膜法的优点，具有运行稳
定、占地面积小、基建投资低、管理方便的优点，并具有较好的去除有机物和脱氮除磷能力。
2、相比曝气生物滤池、膜—活性污泥法，彻底克服建设、运行复杂、运行成本高的弱点。
3、复合床填料寿命长，可使用30年，无需更换。
4、该工艺流程简洁，电气设备少，操作简单，维护方便，有利于后期的运行管理。
5、复合床中悬浮的活性污泥与动态生物膜被集成在同一个曝气容器中，一方面通过悬浮的活性污泥的作用消除进水中大部分的污染物质，另一方面是通过其中的微生物膜的生化作用消除残留的部分污染物和充分降解氨氮。污泥产量少，沉降性能好，有机负荷高，抗冲击性能强，并具有良好的耐低温特性。
6、复合床设计为跑道型，通过液下推进器的推动，填料和活性污泥在水力的作用下循环移动，和液、气充分接触，填料无淤积，系统耐冲击能力强。
7、池底采用微孔曝气器盘/管，并在池内设置缺氧区，利于发生反硝化和同步硝化反硝化。
8、该反应器前部设置厌氧生物选择区，加强了除磷性能。

三．生物移动床工艺在污水厂升级改造中的应用
1．现有设施
现假设一家10万吨/日污水厂，出水指标为国家一级B标准。现需扩容改造至20万吨/日，出水指标达到国家一级A标准。拟采取悬浮生物填料，并和其他改造工艺进行对比，来说明MBBR工艺在污水厂升级改造中的优势。
该污水厂处理现有主体工艺为A2O，具体为粗格栅-进水泵房-细格栅-曝气沉砂池-初沉池-厌氧池-缺氧池-曝气池-二沉池-出水。
其进出水主要指标为：
项目 进水 现出水指标 改造后出水指标
pH 6 — 9 6 — 9 6 — 9
总悬浮固体（SS）, mg/L 200 20 10
COD, mg/L 350 60 50
BOD5, mg/L 180 20 10
TN 45 20 15
NH3-N 35 8（15） 5（8）
TP 4 1 0.5
主要工艺段构筑物参数为：
项目 技术参数 说明
厌氧池 池总容积V=7260m3 HRT=1.5h
缺氧池 池总容积V=9680m3 HRT=2h
曝气池 池总容积V=33660m3 HRT=7h
二沉池 池总容积V=28600m3 HRT=6h
主要工艺段设计工艺参数为：
1）回流
总回流（污泥和混合液） 250%（11000m3/h）
污泥回流 100%（4400 m3/h）
含硝液内回流 150%（6600 m3/h）
2）污泥混合液
设计MLSS 4000mg/L
MLVSS/MLSS 75%
3）反硝化速率 3.6gNO3-N/kgVSS*h
4）DO 4-5mg/L（max），2-3mg/L
5）总需氧量 1170kg/h
6）泥龄和产泥量
泥龄 10d
生物段产泥量 12000 kgTSS/d

2．改造方案对比
1）常规的改造方案是现有构筑物和机电设备扩容+纤维过滤，具体为：现有构筑物和机电设备不变的基础上，新上一套设施（其中机电设备和现有相同，厌氧、缺氧、好氧构筑物为现有设施的1.2倍），出水合并，再进入中间池，用泵提升经过纤维球过滤器，流入配套清水池，达标出水排放或回用。详见下表：
表1 常规改造方案
项目 规格 数量 备注
现有构筑物和机电设备 10万吨/日 1套 不变
新建构筑物 10万吨/日 1套 其中厌氧、缺氧、好氧构筑物是现有系统的1.2倍容积，其余设施相同
新上机电设备 1套 和现有机电设备相同
新上纤维过滤器 中间池 池容4400m3 1座 填料的填充率=25%
中间泵 1250m3/h-20m-110kw 9台
纤维过滤器 φ3600×5700H，30kw 23套
清水池 池容500m3 1座
反洗泵 300m3/h-23m-30kw 2台
配套自控设施 1套
2）生源改造方案是除好氧池外的构筑物和机电设备扩容+好氧池投加悬浮生物填料+转盘式滤布过滤器。具体为：现有构筑物和机电设备不变的基础上，新上一套设施（其中机电设备和现有相同，厌氧、缺氧构筑物为现有设施的1.2倍，不上好氧池，其余构筑物和现有相同），现有好氧池内新增悬浮生物填料，出水合并，再进入过滤池（内置转盘滤布过滤器），出水流入配套清水池，达标出水排放或回用。
表2 生源改造方案
项目 规格 数量 备注
现有构筑物和机电设备 10万吨/日 1套 不变
新建构筑物 10万吨/日 1套 其中厌氧、缺氧构筑物现有系统的1.2倍容积，不建好氧设施，其余设施相同
新上机电设备 1套 和现有机电设备相同
好氧设施改造 池体改造 若干
悬浮生物填料φ14 7650m3 填料的填充率=25%
曝气系统改造 若干
推进器 2套
新上转盘滤布过滤器 水池 400m3 4座
过滤器 FT50000，18kw 4套
反吸泵 300m3/h-20m-30kw 5台
清水池池容 500m3 1座
配套自控设施 1套
3）经济指标分析
工程总造价因各地征地费、地质、土建、人工等因素，难以准确计算。现仅就上述两个方案的不同部分进行计算；同时考虑到过滤部分不是本文要论证的重点，故仅就生化设施的造价差异进行论述。
表3 两个方案的生化设施造价差异
项目 常规方案
（万元） 生源方案
（万元） 备注
曝气池 2400 50 常规方案新增曝气池总容积40400m3；生源方案仅需加导流墙和填料阻隔器
曝气系统 80 10 常规方案新增曝气头8750套；生源仅需少量改变曝气头排布
水下推进器 -- 10
填料 -- 1980
曝气池征地费 600 -- 常规方案曝气池需新增占地12亩
合计 3080 2050
由此可知，仅好氧设施一项，生源方案即可节省投资1030万元。
4）其他指标（经济、技术、环境等）分析
表4 两个方案的其它指标对比
项目 常规方案 生源方案 备注
污泥产量 120吨/日 110吨/日 以含水率为80%的泥饼计算
耗电量 0.30元/吨 0.28元/吨
管理成本 偏高 偏低
冬季运行氨氮稳定性 一般 很高
除磷加药成本 偏高 偏低

四．结论
生物移动床（MBBR）工艺由挪威AnoxKaldes公司发明，是目前国际上开始兴起的新型废（污）水生化处理技术，属于生物膜法的范畴。自1989年第一套生物移动床工艺装置建成以来，已在世界范围内建成了上千套市政和工业废（污）水处理设施，取得了良好的效果。把活性污泥—MBBR的组合工艺（A2-HYBAS）应用到目前普遍采用的活性污泥污水厂的升级改造中，具有如下特点：
1. 节省投资，节约占地，降低运行成本。
2. 系统运行稳定性提高，节约管理费用。传统的活性污泥工艺，如A2O，除磷和脱氮尤其是硝化过程存在着难以调和的矛盾。为了提高除磷效果的短泥龄难以满足良好的硝化作用所需要的长泥龄。生物移动床的硝化作用主要由填料上的生物膜承担，大大减少了泥龄，节省了池容；提高了聚磷菌的生长数量，提高了除磷效果，节省了除磷加药费用；短的活性污泥泥龄可大大改善活性污泥的凝聚和沉淀性能，克服了污泥膨胀现象；脱落的生物膜进入活性污泥混合液中，又会自动产生悬浮硝化污泥接种作用，强化了整个系统抗冲击负荷的稳定性。
3. 由于在悬浮填料的流化搅动下可大大提高氧的转移效率，所以曝气量可降低，从而节约电费。
4. 生物膜中的生物膜菌落丰富，泥龄长，既能起到良好的效果，又能减少剩余污泥产量，从而节省费用、保护环境。
随着排放标准的不断严格，土地资源的日益紧缺，管理成本的不断上升，以及污泥处理的日益重视，传统活性污泥工艺的局限性日益明显。生物移动床是一个综合的、开放的、可扩充的生物处理系统工艺，随着该技术的不断发展，其必将成为生物膜法以及污水生物处理的主流工艺，并在世界范围内被越来越广泛地采用。