MBBR耦合多段AO工藝在大型市政污水處理廠的運行初探和實踐成效

楊 頌,楊騰飛,付炳炳,楊偉濱

(深圳市環境水務集團有限公司,廣東深圳 518000)

化學需氧量(COD)、氮、磷是廢水中主要組分,不達標排放到天然水體會造成嚴重的生態和人類健康危害[1]。目前生物除磷輔以化學除磷基本可實現市政污水廠出水總磷(TP)的達標排放,受制于脫氮處理技術、水質穩定性、處理能耗、氮素負荷等,在不投加碳源且高負荷運行的基礎上實現廢水氮素穩定達標排放難度較大[2-3]。

我國每年的氨氮排放量達到141.8萬t、總氮(TN)排放量為212.1萬t[4]。生物脫氮技術是水體氮污染物去除最為可行的方法,根據生物脫氮理論開發了硝化反硝化(nitrification/de-nitrification,ND)、短程反硝化(partial denitrification,PD)、厭氧氨氧化(Anammox,AD)等[5]。目前污水處理廠的脫氮技術普遍采用以ND為主的AAO工藝,該工藝雖然可達到同步脫氮除磷效果,但其水力停留時間(HRT)長、抗負荷能力差、功能微生物無法富集[6]。移動床生物膜反應器(movingbed biofilm reactor,MBBR)是一種新型泥膜共混污水處理技術,將生物膜與活性污泥相結合,形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜,既有傳統生物膜法耐沖擊負荷、泥齡長、剩余污泥量少的特征,又具有活性污泥法高效和運轉靈活的優點[7-9],同時MBBR可實現功能微生物的富集、強化和調控[10-11],為市政污水廠實現同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification,SND)、AD等提供探索的可能性。研究表明,眾多市政污水廠提標改造路徑均選擇MBBR技術:都雪晨等[12]就南方某城市污水處理廠一期工程采用MBBR工藝對生物池進行升級改造,出水水質全面提升至《地表水環境質量標準》中V類標準(TN除外);張申旺等[13]將某污水處理廠MSBR工藝升級改造為MBBR工藝,使出水氨氮、TN質量濃度由原來滿足限值5、15 mg/L升級到滿足限值1.5、10 mg/L。本團隊調研發現,MBBR技術普遍存在填料容易堵塞出水口、攔截系統跑填料、流化效果不理想、投加填料作用不明確等問題,導致其推廣使用難度大。

基于南方某大型市政污水廠實際占地面積小、進水水質含氮污染物濃度高、出水水質標準嚴,該廠創造性構建了以功能微生物為驅動的MBBR和多段AO活性污泥耦合的強化脫氮污水處理系統,并長期運行考察該系統污染物去除性能。以能耗、藥耗最優為目標,通過對實際工程泥膜共混生化池的進出水連續監測并進行各工藝段污染物消減分析,探究該新技術的運行優勢、污泥/容積負荷、污染物降解速率等;同時,鏡檢掛膜微生物的物理形態和生物特性,嘗試解析生物膜和活性污泥微生物復合群落的耦合作用機制及分工與合作規律。

1 工程概況

該廠采用MBBR耦合多段AO工藝,設計規模為22.5萬m3/d,占地面積達50 100 m2,于2021年2月20日動工,2022年6月18日通水,2022年7月6日完成環保驗收。

1.1 工藝流程

該廠水處理工藝流程如圖1所示,采用“預處理→MBBR耦合多段AO工藝生物單元→深度處理→自然水體”工藝。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

生化處理系統分為2組,每組由2座MBBR耦合多段AO工藝池組成,池長為136 m,寬為26 m,有效水深為9.5 m,總池高為10.5 m,總池容為30 468 m3,共分為9個廊道,如圖2所示。

圖2 單座生化池結構Fig.2 Structure of A Single BiochemIcal Tank

1.2 主要設計參數

該廠設計進出水水質如表1所示,出水水質執行《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類標準(TN質量濃度≤10 mg/L,SS質量濃度≤6 mg/L),其他指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準的要求;設計運行混合液懸浮固體質量濃度(MLSS)為4 500 mg/L,生化區HRT為13 h,最大內回流比為400%,最大外回流比為200%;設計污泥負荷為0.14 kg CODCr/(kg MLSS·d)、容積負荷0.64 kg CODCr/(m3·d),明顯高于該廠所處片區其他市政污水廠設計負荷[14-15]。

表1 設計進出水水質主要指標Tab.1 Main Designed Indices of Water Quality of Influent and Effluent

2 污泥接種及運行啟動方案

接種污泥為與該廠相鄰的同源污水廠二沉池剩余污泥,待接種污泥與生化池內污水混合后,開始活性污泥的培養工作。先進行間歇悶曝,當主要污染指標濃度明顯下降后,適當向生化池補充新鮮污水,維持生化系統低負荷連續運行,待活性污泥微生物適應性良好、正常生長、生化出水主要污染物指標滿足排放標準,逐步提高進水負荷。如果生化系統連續運行過程中,生化池出水水質良好、污泥絮體性狀良好、剩余污泥排放逐步增加、污泥濃度維持在理想范圍,表明生化池活性污泥的培養和馴化工作完成。

3 運行條件及材料方法

3.1 生化池運行條件

為維持較好的脫氮除磷效果,生化池工藝運行采用兩點進水,運行模式如圖3所示。生化池分為5個工藝段,分別為厭氧段、缺氧Ⅰ段、好氧Ⅰ段、缺氧Ⅱ段、好氧Ⅱ段,各工藝段設計HRT分別為1.64、3.36、3.05、2.08、2.84 h;厭氧區和缺氧Ⅱ段的污水配比為85%∶15%,好氧Ⅰ段和好氧Ⅱ段均回流至缺氧Ⅰ段,內回流比分別為100%和200%,外回流比為75%,好氧Ⅰ段DO質量濃度控制在0.3～0.8 mg/L、好氧Ⅱ段控制在2.0～3.0 mg/L。

圖3 生化池運行模式及參數控制圖Fig.3 Diagram of Biochemical Tank Operation Mode and Parameter Controling

生化池生物懸浮填料投加區域為缺氧Ⅰ段、好氧Ⅰ段和缺氧Ⅱ段,生產廠家為大連宇都環境工程技術有限公司,材質為高密度聚乙烯(HDPE),產品尺寸為φ25 mm×10 mm,掛膜前密度為0.95～0.98 g/cm3(好氧區)、0.97～1.00 g/cm3(厭/缺氧區),掛膜后密度均接近1 g/cm3,堆積密度為(107±2)kg/m3,比表面積≥800 m2/m3,具有親水性、生物親和性、生物活性、高效去氨氮等改性特征,少量曝氣或保持正常的厭氧/缺氧攪拌就能實現填料的均勻流化。缺氧Ⅰ段、好氧Ⅰ段和缺氧Ⅱ段3個工藝段的填料填充比均為10%。

3.2 取樣與分析方法

分析方法的計算如式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

N4=N0-N1-N2-N3

(4)

其中:R——污染物去除率;

X——污染物消減量占比;

V——污染物去除速率,mg/(L·h);

C0——生化系統進水污染物質量濃度,mg/L;

C1——單元進水污染物質量濃度,mg/L;

C2——單元出水污染物質量濃度,mg/L;

Q0——生化系統實際進水量,m3;

Q1——單元實際進水量,m3;

H——單元實際HRT,h;

N0——TN質量濃度,mg/L;

N1——氨氮質量濃度,mg/L;

N4——總有機氮(DON)質量濃度,mg/L。

4 結果討論

4.1 系統整體污染物去除效果

在工藝調試完成后,分別向缺氧Ⅰ段、好氧Ⅰ段、缺氧Ⅱ段一次性投加填料至所處工藝段池容的10%,正式啟動MBBR耦合多段AO工藝的運行。根據填料生物膜形態、微生物負載量和污染物去除性能,調整運行水力負荷,如圖4(a)所示,把運行分為兩個時間周期,MBBR填料掛膜過程為啟動期(0～20 d)、完成掛膜后為穩定運行期(21～227 d),在2個不同運行周期,通過控制參數,可實現進水特征污染物的高效去除。由圖4(b)和圖4(c)可知,在運行期進水CODCr平均質量濃度為270.47 mg/L的條件下,出水CODCr平均質量濃度為12.76 mg/L,去除率高達95.28%;進水TP平均質量濃度為5.24 mg/L,出水可降低至0.64 mg/L,去除率為87.79%,后續輔以化學除磷,可滿足TP排放標準。通過2個階段的運行對比,發現填料生物膜的形成對CODCr和TP的去除未表現出明顯的促進作用,其原因是市政污水處理廠引入生物膜技術主要強化生化系統的硝化和反硝化作用,解決現行主流污水處理工藝氨氮抗負荷能力差和出水TN質量濃度高等痛點問題。研究[16]表明,以泥膜共混狀態為驅動的MBBR耦合活性污泥工藝主要是增強生化系統進水氨氮、TN方面的抗沖擊能力。

圖4 系統連續運行的進出水污染物濃度變化Fig.4 Changes of Contaminant Concentration of Influent and Effluent during Continuous Operation of System

通過對該廠投產至今共227 d的進水水質檢測,發現進水CODCr、氨氮、TN平均質量濃度分別為277.97、34.92、45.95 mg/L,B/C為0.37、C/N(BOD/TN)為2.22,可生化性較為一般。若采用傳統AAO工藝,在此進水水質條件下,不投加碳源很難滿足現有排放標準(氨氮質量濃度≤1.5 mg/L,TN質量濃度≤10 mg/L)。如圖4(c)、圖4(d)和圖4(e)所示,啟動期和運行期通過工藝運行參數調整,實現系統穩定運行和出水達標排放,其中出水CODCr、氨氮、TN平均質量濃度為12.68、0.33、7.55 mg/L。受制于出水標準限制,啟動期平均HRT為18.71 h、水力負荷僅有71.72%,較傳統單一活性污泥工藝并未明顯表現出污染物負荷或HRT的優勢[14-15]。運行至第20 d,水力負荷已提升至91.22%;在運行期第35 d水力負荷達到137.68%,HRT縮短至9.44 h,在第50 d(雨天),水力負荷高達145.92%,HRT僅為8.91 h。第209～227 d(2月1日—20日)為明顯的旱冬季節,進水水質較為惡劣,進水CODCr、氨氮、TN平均質量濃度分別為310.47、40.21、53.14 mg/L,對應的出水平均質量濃度為14.05、0.29、8.87 mg/L,去除率高達95.47%(CODCr)、99.28%(氨氮)、83.31%(TN)。重點比較了生化系統啟動期和運行期進水氨氮和TN負荷方面的穩定性和差異性,發現兩階段氨氮污泥負荷為0.011、 0.015 g 氨氮/(g MLSS·d),TN污泥負荷為0.014、0.020 g TN/(g MLSS·d),較啟動期分別提升了36.36%和42.86%。根據脫氮理論,充足的碳源和精準硝化是保證市政污水處理廠出水TN達標的必要條件,本團隊先前對精準曝氣、過程氨氮監測為調控措施進行了市政污水節能降耗脫氮性能研究,發現在多段AO中,以過程氨氮監測為驅動的曝氣調控,可大幅度提升污水原有CODCr的脫氮利用率、降低出水TN。

4.2 各工藝段污染物消減分析

圖5 各工藝段CODCr和TN去除性能Fig.5 CODCr and TN Removal Performance of Each Process Section

圖6 各工藝段氮組分的變化Fig.6 Changes of Nitrogen Components in Each Process Section

以泥膜共混為驅動構建的MBBR耦合多段AO工藝在微生物多樣性、參數調控和數據分析上存在多種組合和可能性,在實際工程應用中表現出綜合的環境效應,根據不同進水水質和出水標準可以設計出更加合理、高效、節能降耗的污水處理新工藝。

4.3 MBBR生物膜鏡檢分析

關聯MBBR生物膜形態和微生物群落結構變化可輔助理解MBBR耦合多段AO工藝的強化脫氮反應過程,并對MBBR技術的運行優化具有指導意義[8]。分別在第1、10 d和20 d,從正常運行的好氧Ⅰ段反應池中取填料樣品制片觀察。由圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)對比可知,第1 d填料表面無生物膜,第10 d可觀察到填料表面有較薄且稀疏的斑點狀淺黃色生物膜負載,表明填料上已形成部分生物膜;在第20 d,填料表面生物膜形態均勻且厚度約為0.2 mm,表明填料掛膜完成。污水活性污泥微生物中原后生動物豐度具有指示污泥性能、關聯出水水質的作用[20],鏡檢發現生物膜污泥緊密,存有大量菌膠團和原后生動物,如累枝蟲、輪蟲、鐘蟲等,如圖7(d)和圖7(e)所示,此類原后生動物作為優勢種出現可以認為該系統是較為成熟的生物膜系統,具備較好的污染物去除性能。

圖7 好氧Ⅰ段填料物理形態變化和微生物鏡檢圖Fig.7 Physical Morphology Changes and Microscopic Examination of Aerobic Ⅰ Packing

在第20 d從生化系統獲取游離活性污泥和好氧區填料生物膜樣品分析微生物群落。樣品的序列組成、操作性分類單元(OTU)數及微生物群落alpha多樣性分析列于表2中:獲得了29 666個有效序列,OTU的數量為1 093～1 121。第20 d好氧填料污泥的Ace指數、Chao指數、Shannon指數和Simpson指數均出現下降趨勢,說明微生物多樣性在減少。微生物序列組成、OTU數、多樣性和豐度的變化表明隨著時間的推移,好氧填料生物膜負載的主要功能微生物在選擇性富集。

表2 樣品OTU、序列組成分析和α多樣性參數統計Tab.2 OTU, Sequence Composition Analysis of Samples and α Diversity of Statistical Parameters

5 總結

本文分析了市政污水處理廠采用MBBR耦合多段AO工藝的運行情況,通過調控運行參數,實現了高濃度含氮市政廢水的高效去除,總結如下。

(1)泥膜共混生化系統連續運行227 d,在氨氮、TN進水質量濃度為34.92、45.95 mg/L高負荷沖擊下,出水水質穩定達標,對應的去除率分別為99.05%、83.57%,生化系統對氨氮、TN的污泥負荷較掛膜前分別提高了36.36%和42.86%;在進水水質較為惡劣的旱冬季節,該生化系統針對特征污染物(CODCr、氨氮、TN)仍表現出穩定、高效去除特征。

(3)MBBR耦合多段AO工藝可實現污染物去除及微生物的分布在空間上的差異性分離,通過運行參數調控,結合生物膜和活性污泥中微生物之間交互作用,可實現多種脫氮路徑的選擇或合作,可能成為具有潛力的節能低耗污染控制新技術。