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浙江某污水厂准Ⅳ类水Bardenpho-MBBR提标改造分析

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浙江某设计规模16万m3/d,采用Bardenpho-进行改造,出水由一级B提标至准IV类水。生化部分,总容积不变且未改变厌氧及缺氧段,通过对好氧段功能重新划分,增加后置缺氧和后置好氧,并在好氧区投加悬浮载体,原池实现Bardenpho-MBBR,强化脱氮除磷效果;MBBR区采用微动力混合池型,无需使用推流器,节约投资和运行成本,利于系统运行维护。改造后,生化段COD、NH4+-N、TN出水均值分别为18.80mg/L、0.27mg/L、8.43mg/L,在未投加碳源的情况下稳定达到地表准IV类水标准,生化段出水TP均值0.48mg/L,大大减轻后深度处理负荷;TN去除率较改造前提高一倍,得益于前置缺氧脱氮效率的提高、填料区SND现象及后置缺氧区的脱氮能力;通过对系统微生物进行高通量测序,结果表明,填料对系统的硝化贡献率达到85%,并且填料上附着的反硝化菌占比达到6.46%,证明了好氧区悬浮载体上存在同步硝化反硝化过程。MBBR与Bardenpho工艺相结合技术能耗低、容积效率高、运行效果稳定,突破了常规工艺对TN去除的限制,适用于对TN要求严格的准IV类等高标准水质要求的污水处理厂新建及改造工程。

(青岛思普润水处理股份有限公司,山东青岛266555)

随着水环境质量要求的提高,部分地区提出了准IV类水概念,即在一级A基础上,对污染物排放标准进一步限定,一般典型的准IV类水要求氨氮≤1.5mg/L,TN≤10mg/L,TP≤0.3mg/L,SS≤6mg/L,COD≤30mg/L。多数污水厂在进行一级A升级改造中已增加了深度处理以强化TP和SS的去除,通过增加投药量或降低运行负荷可能以优化运行的方式实现出水TP和SS达到准IV类水标准,但对于氨氮和TN缺乏明确的升级改造路线。污水厂历经几次提标,整体工艺流程基本定型,难有扩建用地,也难以改换工艺。生化池是污水厂池容最大的构筑物,自然也是潜力最多的构筑物;从污水处理的整体布局上,应当建立科学的改造观,氮磷处理也应当回归生化。生化工艺的强化本质上多是增加生物量,途径上区分为强化泥水分离以富集更高污泥浓度的膜工艺(MBR),增加悬浮载体以提高污泥性能的生物膜工艺(MBBR)。由于MBBR可直接与已有活性污泥法镶嵌,改造灵活,能最大化利用现有池容和工艺流程,受到了广泛关注。自2008年无锡芦村污水处理厂成功进行了MBBR升级改造以来,近10年,国内采用MBBR工艺的市政污水厂已超过800万吨/天,涵盖各类废水、工艺、池型、标准的改造[1-6]。本文以浙江省某污水厂准IV类水升级改造工程为例,分析MBBR工艺改造方案的应用效果,为污水厂准IV类水项目提供技术参考。

1项目概况

浙江省某污水处理厂,设计规模为16万m3/d,原生化段采用A/A/O工艺,尾水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。2016年该污水厂进行提标改造,要求在设计进水水量不变的情况下,尾水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(2015年征求意见稿)的特别排放限值,即准IV类水标准,如表1所示。

表1污水厂升级改造设计进出水水质表

2技术路线与设计方案

2.1改造难点

提标改造所面临的主要问题有:

1)升级改造难度大,出水水质由一级B标准直接升级至准Ⅳ类,跨度较大;

2)出水标准高,出水总氮、总磷和SS等指标都需大幅提升,对改造工艺要求更高;

3)原池改造,厂内用地有限,无生化池扩建用地,需充分挖潜现有生物池的处理能力;

4)施工难度大,生物池为全封闭结构,施工难度较大。

2.2技术路线选择

综合考虑进、出水水质及预留用地等情况先后提出两条技术路线:

技术路线I,A/A/O+高效沉淀池+反硝化深床滤池。

技术路线II,Bardenpho-MBBR+高效沉淀池+反硝化深床滤池。

技术路线I,生物池保持不变,深度处理新增高效沉淀池、反硝化深床滤池和加氯接触池,前者可以强化TP的去除,而后者可强化TN和有机物的去除,保证各项出水指标的稳定达标,但是该路线存在一系列问题:

1)升级改造仅通过新建“高效沉淀池+反硝化深床滤池”完成,将所有出水指标压力放在了深度处理构筑物上;

2)高效沉淀池仅用于化学除磷和过滤,去除TP和SS,而反硝化滤池则需承担剩余指标的去除,导致反硝化深床滤池承担负荷高,并且去除指标多,工艺控制复杂;

3)深度处理对氨氮没有降解作用,如果前端生物处理的氨氮降解不完全则会导致出水不达标;此外,硝化不足也会影响反硝化效果,导致TN出水不达标;

4)反硝化深床滤池的外加碳源利用率、需要脱除的硝态氮浓度、进水COD、出水COD指标,四者相互制约,工程上反硝化滤池一般可去除3-5mg/L硝氮,若去除更多,则面临COD超标风险,且易产生较多的污泥,出水SS较高,需要反洗频繁,而频繁反洗又不利于反硝化菌群富集,最终将导致系统运行不稳定;

5)在设计过程中,反硝化深床滤池承担越多TN的去除,投资和运行成本越高。

技术路线II,生物池由A/A/O三段式改为五段Bardenpho强化TN去除,好氧段投加填料形成MBBR工艺用以弥补五段式分隔带来的好氧硝化池容不足,新建反硝化滤池作为出水达标的保障。

考虑到技术路线I在总投资、运行费用上均较高,此外运行稳定性也较为欠缺,最终确定技术路线II作为本项目升级改造方案。技术路线II的工艺优势表现在:

1)工艺流程设置合理,充分发挥了二级生物处理的作用,Bardenpho-MBBR工艺可以保证出水COD、BOD、氨氮及TN指标的达标,深度处理确保TP及SS达标即可;

2)采用Bardenpho-MBBR工艺在确保TN达标的前提下,可以充分利用原水碳源,减少外投碳源用量;

3)MBBR工艺具有较强的抗冲击性,在进水水质水量波动较大的情况下,也能很快恢复系统的稳定性;

4)在设计中反硝化滤池无需考虑大量的TN去除,仅考虑在极端条件下的情况即可,进一步降低了占地面积。在保证TP及SS的前提下,控制指标较少,操作运行简单,且无碳源泄露等风险。

5)投资及运行成本较低。

2.3生化段改造方案

生化段原有厌氧区和缺氧区不变,将好氧池根据设计方案进行重新划分为OAO,将原A/A/O工艺改造为A/A/O+A/O(Bardenpho工艺);第一级好氧池投加SPR-2型悬浮载体形成MBBR泥膜复合工艺,填料直径为25mm±0.5mm,高10mm±1mm,挂膜后比重与水接近,有效比表面积大于620m2/m3,符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体》(CJ/T461-2014)行业标准[7];好氧MBBR区域采用微动力混合池型,该池型具有水力条件好、无水力死角、无需推流器等特点,本项目采用微动力混合池型可节省16台专用推流器,以及每年84.096万元的电费,大大降低了投资和运行能耗。采取逐池改造的方式,不影响污水厂的正常生产。

图1改造前后生化段工艺流程图

3改造后运行效果分析

本次升级改造工程于2017年6月17日开始,到8月中旬,水量达到设计值16万m3/d条件下,所投加的悬浮载体挂膜完成。分析2017年8月20日至2018年4月10日共计234d的进出水水质数据(包含整个冬季运行阶段),并与改造前同期上一年运行数据进行对比。

3.1系统改造后对COD、TP、氨氮的去除效果

COD不是本项目的难点,改造前已基本能达到准IV类水水平。经过MBBR+Bardenpho改造后生物池进出水COD均值分别为197.12mg/L、18.80mg/L,COD去除率均值为90.46%,出水COD稳定达到准IV水标准,如图2所示。

改造后,生化池除磷效果显著增加,由于生化池并未投加混凝剂,生化池除磷效果均为生物除磷过程。改造前生物池进出水TP均值分别为4.20mg/L,1.04mg/L,去除率均值为75.24%。经过MBBR改造后生物池进出水TP均值分别为4.00mg/L、0.48mg/L,TP去除率均值为88.00%,较改造前提升11.23%,如图3所示。生物除磷效果的提升,主要是MBBR工艺对于提升生物除磷的间接效果。污泥龄是生物除磷的重要影响因素之一,聚磷菌需短泥龄。改造前,由于需要保障氨氮效果,一般运行中污泥浓度较高,泥龄更长,以确保硝化菌群在污泥中的占比,保证硝化;改造后,好氧区投加悬浮载体,实现了硝化菌群的固定富集作用,保证了硝化菌群的长泥龄,这样在一定程度上可以降低悬浮态污泥的污泥龄,强化生物除磷,特别是对溶解性TP的去除作用[8]。仅靠生物作用就使生化段出水TP低于0.5mg/L,大大减轻了后续深度处理设施的负荷,节省了运行费用。

图2改造后生化系统对COD的处理效果