MBBR工艺应用于市政污水处理的系列解决方案探讨 01 MBBR工艺简介1.1 泥膜复合MBBR工艺和纯膜MBBR工艺 MBBR工艺最早应用于北欧，解决了传统活性污泥法（Activated Sludge, AS）占地大、低温耐受性差的问题。...
MBBR工艺应用于市政污水处理的系列解决方案探讨
01
MBBR工艺简介1.1 泥膜复合MBBR工艺和纯膜MBBR工艺
MBBR工艺最早应用于北欧，解决了传统活性污泥法（Activated Sludge, AS）占地大、低温耐受性差的问题。其微生物主要附着在悬浮载体上，不设置污泥回流，不富集悬浮态污泥，本质是一种连续流、移动床、生物膜法生化处理技术，属于生物膜法流化床技术的进一步升级。2008年，国内江苏无锡芦村污水厂作为我国首座进行一级A提标改造的污水厂，在活性污泥系统中投加悬浮载体强化生化处理效果获得成功。该工艺系统在设备上与MBBR工艺类似，但生化系统主体仍为活性污泥，悬浮载体生物膜用于强化硝化，实质上是活性污泥-生物膜复合系统。为区分两类工艺，将MBBR工艺作为采用悬浮载体相关工艺技术的统称，根据微生物的存在形式，分为泥膜复合MBBR工艺（IFAS）和纯膜MBBR工艺（Pure MBBR）。两者均为连续流，前者以活性污泥为主体，后者以生物膜为主体。两类MBBR工艺均包含悬浮载体及其配套的拦截、流化、进出水系统，但由于微生物的存在方式不同致使两种工艺存在关键性差异。
①工艺本质不同：泥膜复合MBBR工艺本质仍为活性污泥法，污染物去除以活性污泥为主，生物膜为辅。图1分别展示了泥膜复合MBBR工艺和纯膜MBBR工艺中悬浮载体生物膜。在泥膜复合MBBR工艺系统中，由于泥、膜共存，二者存在竞合关系，使得生物膜活性不能完全表达。以硝化细菌富集为例，泥膜系统中硝化细菌在悬浮载体上相对丰度一般为3%～15%，远远高于其在活性污泥中的相对丰度，体现了生物膜富集硝化细菌的独特优势。但受实际运行调控的影响，变化范围较大。纯膜MBBR工艺本质为生物膜法，污染物去除主要依赖于附着态的生物膜完成，生物膜对于核心功能菌的富集能力更强，纯膜系统中悬浮载体上硝化细菌相对丰度一般为10%～25%，且不受悬浮态微生物竞争影响，生物膜性能得以充分释放，不仅除污效率高，其环境抗逆性也更强；
②工艺流程不同：如图2所示，纯膜MBBR工艺的特点是不富集活性污泥，无需污泥回流，所以与泥膜复合MBBR工艺相比，在工艺流程上可不设二沉池，出水直接进入高效固液分离工艺，如磁混凝沉淀等，工艺流程更加集约，占地大幅缩减；
③解决问题不同：泥膜复合MBBR工艺主要目的是强化活性污泥系统的处理性能，解决活性污泥负荷不足的问题；纯膜MBBR工艺主要解决污水处理构筑物占地大、流程长、效率低的问题；纯膜MBBR工艺的应用方式更加灵活，应用范围更加广泛。
泥膜复合MBBR工艺（左）与纯膜MBBR工艺（右）悬浮载体生物膜
泥膜复合MBBR工艺（A）与纯膜MBBR工艺（B）流程
1.2 纯膜MBBR工艺与BFM工艺
纯膜MBBR工艺在国内的工程应用报道最早始于微污染水处理，用于解决低基质条件下氨氮去除问题，出水氨氮可稳定低于0.5mg/L，达到高排放标准要求。低基质条件下，活性污泥难以有效富集，此时纯膜MBBR类生物膜法是对活性污泥法的替代，并获得了良好的应用效果。纯膜MBBR工艺在微污染水领域的成功应用、国外市政污水处理的成功经验奠定了其作为生化核心工艺用于国内市政污水处理的可行性。国内相关学者通过中试，研究了纯膜MBBR用于市政污水的处理，获得了良好的效果。相比活性污泥法，纯膜MBBR工艺具有更高的处理效率和更强的抗冲击负荷能力。同时，纯膜MBBR工艺不再富集活性污泥，避免了污泥膨胀等活性污泥问题对于污水厂运营安全性的威胁，提高了污水运维的简便性。
膜MBBR工艺作为生化工艺用于市政污水处理，核心功能在于脱碳和脱氮，而针对污水厂核心污染物控制指标，纯膜MBBR工艺应用的一个关键点就是固液分离以及深度除磷工艺的选择。①对于固液分离：在泥膜复合MBBR工艺中，生物膜核心功能是硝化，所以主要以富集自养菌为目的，由于自养菌泥龄较长、脱落较少，污泥产量低，所以混合到普通污泥中占比极低，对后续固液分离基本没有影响；并且泥膜复合MBBR工艺在流程上存在二沉池和深度处理两段固液分离工艺，SS去除较为彻底。而在纯膜MBBR工艺中，生物膜不仅要完成硝化，还需执行脱氮、脱碳的功能，出水SS存在区别于传统活性污泥法的特征：以市政污水处理为例，一方面脱落的生物膜含水率比活性污泥低，易于聚集沉降，同时脱落生物膜EPS含量较高，停留时间长时易发生内源反硝化导致产气上浮；另一方面，纯膜MBBR工艺系统SS增量在50～150mg/L，致使其出水SS浓度高于一般深度处理工艺的进水值（10～50mg/L），而远低于传统二沉池的进水值（4000～6000mg/L）。所以，固液分离工艺不仅需要较快的沉降时间，而且需具备较高的固体通量，以一段沉降实现稳定的泥水分离过程。国内外曾尝试采用传统沉淀、气浮等工艺，但单独使用均难以实现SS稳定低于10mg/L的目标，需联合其他固液分离工艺，与活性污泥法流程类似。②对于除磷：由于纯膜MBBR工艺不设厌氧区，不具备传统生物除磷过程，虽有0.5%-1.0%的同化除磷过程，但主要依赖于化学除磷，所以需除磷效率高、排放标准高的化学除磷工艺。磁混凝沉淀工艺具备固液分离效果好、污泥沉降速度快、固体通量负荷高的优势，是纯膜MBBR工艺固液分离工艺较好的选择。该工艺通过磁粉的加载可获的TP<0.1mg/L、SS<5mg/L的高排放标准。为简化表述，将纯膜MBBR耦合磁混凝沉淀工艺简称为BFM工艺（Biofilm & Magnetic），工艺流程如图3所示。BFM工艺继承了纯膜MBBR工艺的优势，具备核心脱氮除磷功能，且流程上省去了传统意义的二沉池，更加集约紧凑，使得占地大幅度缩减。BFM工艺是我国基于纯膜MBBR工艺处理市政污水的主要应用形式，获得了良好的工程应用效果。但在BFM工艺应用过程中需注意：①纯膜MBBR系统中填充率更大，对于水力流化要求更高；②磁混凝沉淀需解决脱落生物膜黏性强裹挟磁粉导致磁粉回收率降低问题，需进行针对性工艺改良；③整个系统停留时间短，对于控制要求高，应匹配自控技术，并结合物联网、大数据等先进理念，实现云平台管理，通过工艺及设备优化、系统集成，确保BFM工艺实现高效运行。
纯膜MBBR工艺与BFM工艺
02
因地制宜的污水处理解决方案
MBBR两种工艺形式的应用，为多场景污水处理系统新、改、扩建提供了多种技术路线，解决了污水处理面临的用地少、标准高、难稳定等难题，展现出了独特的工艺优势。针对市政污水处理，已形成4种主要的解决方案，如图4所示。解决方案I为泥膜复合MBBR工艺原池改造，通过在生化系统镶嵌悬浮载体系统，实现原池提标以及小幅度提量，并进一步形成了4条技术路线；解决方案II为BFM工艺原位改造，通过将活性污泥系统改造为生物膜系统，大幅度提升处理负荷，可实现污水处理能力2-4倍的提升；解决方案III在已有系统后端新建BFM工艺，对污水厂尾水深度脱氮除磷，实现更高排放标准；解决方案IV在原厂内少量空地上新建BFM旁位系统，实现原厂分流或提量。
基于MBBR工艺的系列解决方案
2.1 解决方案I-泥膜复合MBBR工艺原池改造
解决方案I为国内最早成功应用的泥膜复合MBBR工艺原池改造方案。通过向活性污泥系统中原池投加悬浮载体的形式简单易行，且效果稳定。在不新增用地的情况下，强化了生化段处理性能。可实现污水厂原位提标以及小幅度提量的需求。在泥膜复合MBBR工艺系统中，为了充分发挥生物膜长泥龄的优势，悬浮载体会优先选择投加在好氧区，以执行硝化功能为主。图5以AAO工艺改造为例，列举了常用的4条技术路线。…………………
泥膜复合MBBR工艺原位改造
生化池改造示意图
技术路线i为好氧区直接投加悬浮载体。该技术路线土建施工少，仅需要通过在好氧区设置填充区域，增设拦截系统，即可实现原位强化硝化的目的，满足氨氮高标准排放的要求。如河北某污水厂2020年进行提标改造，出水水质在原一级A标准的基础上，氨氮、TP、COD需提标至地表V类水标准。本次提标改造设计水温10℃，核心难点在于低温条件下实现稳定的硝化过程。采用技术路线i实施，改造前后平面布置示意图如图6-i 所示，通过在好氧区中段投加悬浮载体实现了原池强化硝化的目标，改造完成后出水氨氮<0.5mg/L，均值为0.37mg/L，氨氮去除率99.2%。得益于良好的硝化效果，反硝化过程也进一步被强化，出水TN均值7.37mg/L，较改造前降低3~4mg/L。
技术路线ii和iii均针对系统需同时强化硝化和反硝化而设置。相较于技术路线i，技术路线ii和iii的核心区别是对生化池容比例进行了再划分，且同时增加了缺氧区的池容。不同点在于技术路线ii增加了前缺氧区池容，系统仍以AAO工艺运行；技术路线iii则增加了后缺氧区，形成了AAOAO工艺形式。原水碳源充足时，技术路线ii更具有经济优势；对出水TN要求高，TN去除率要求较高，或原水碳源不足时，技术路线iii更具有效果优势。
污水厂设计规模10×104m3/d，2018年进行提标改造，要求出水水质由一级B提升至一级A。本次提标改造需同时强化硝化和反硝化。采用技术路线ii实施，改造前后平面布置示意图如图6-ii所示。针对TN的去除，现状缺氧区停留时间不足，改造后将部分好氧区设置成缺氧区，缺氧区的停留时间由2.5h延长至3.47h。在好氧区中段原位投加悬浮载体解决好氧区硝化能力不足的问题。改造完成后出水氨氮均值低于0.5mg/L，TN均值低于8mg/L，脱氮效果明显优于改造前。浙江某污水厂设计水量16×104m3/d，原出水执行一级B标准，2017年进行提标改造，出水水质需跨级提标至准IV类水，其中出水TN低于10mg/L。针对高TN去除要求，本项目采用了技术路线iii进行生化池的原池改造，将AAO工艺改为AAOAO工艺，改造前后平面布置示意图如图6-iii。将原好氧区池容切割出一部分改为后缺氧区和后好氧区，并在主好氧区投加悬浮载体。改造完成后主好氧区停留时间由7.8h降低至5.3h，增加后缺氧区和后好氧区停留时间分别为1.9h和0.6h。实际运行效果显示，虽然好氧区HRT降低，但由于悬浮载体的加入，保障了生化段出水氨氮稳定低于0.5mg/L，抗冲击性能得到明显提升；生化段出水TN低于8mg/L，较改造前多去除了8.2mg/L，实现了原池强化脱氮的目的。
特殊情况下，由于池型的限制或延长缺氧区HRT仍不能解决TN去除的问题，则会选择在好氧区和缺氧区同时投加悬浮载体分别强化硝化和反硝化过程，形成技术路线iv，如唐山某污水厂提标改造项目。该污水厂设计水量6×104m3/d，提标改造工程需将出水水质由二级标准跨级提标至一级A标准。项目生化池原采用卡鲁塞尔氧化沟工艺，采用技术路线iv实施原池改造后平面布置示意图如图6-iv所示。通过将卡鲁塞尔氧化沟的内外圈分别连接，形成了外圈套内圈的形式。其中内圈为好氧区，外圈为缺氧区，均投加悬浮载体。改造完成后，在进水水质超标且大范围波动的情况下，生化系统出水氨氮、TN均值分别为1.6mg/L、13.0mg/L，系统出水稳定，且具备较强的抗低温性能以及抗水质冲击能力。
解决方案I采用泥膜复合MBBR工艺的形式实现原池提标改造，是目前应用最广泛的解决方案。除常规的AAO系列外，也已成功应用于其他各类生化工艺的改造，如氧化沟，SBR类工艺如MSBR、CAST等，均获得了良好的应用效果。表1对比了4条技术路线在原厂提标中的优势以及适用场景。需要说明的是，解决方案I用于污水厂原池提量，需考虑二沉池的表面负荷承受能力，原池提量一般不超过1.5倍的设计水量。
解决方案I-4条技术路线对比
2.2 解决方案II-BFM原池改造
解决方案II为采用BFM工艺对生化系统进行原位改造。与泥膜复合MBBR工艺原位改造不同，在BFM工艺改造过程中，二沉池不再是全厂处理能力提升的限制性因素，对于提量可达设计水量的2倍以上。同时，在改造方式上BFM工艺更加灵活，不仅适用于常规污水厂的改造，还适用于SBR等间歇流工艺的连续流改造、MBR等无二沉池工艺的节能改造等特殊情形。
污水厂设计水量3×104m3/d，出水执行一级B标准，2020年进行一级A提标改造。该厂原工艺流程如图7A所示，原生化处理工艺包括UASB厌氧池、高负荷生物滤池、固体接触池和二沉池。但本次改造区域只涉及固体接触池和二沉池，并且仅有少部分用地可用于新建。由于固体接触池的停留时间仅有1.08h，远不能满足提标需求，所以本项目创新性的将二沉池改造为纯膜MBBR工艺系统，实现了二沉池的高效利用，改造完成后纯膜MBBR工艺段总停留时间达到10.8h。新建磁混凝沉淀工艺总占地仅为448m2。改造完成后工艺流程如图7B所示。通过对传统磁混凝沉淀工艺高剪机、磁分离机等核心设备的改良，实现了磁粉回收率大于99.5%的目标，解决了脱落生物膜黏性强包裹磁粉降低磁粉回收率问题。同时也在工程中进一步验证了磁混凝沉淀作为纯膜MBBR后端工艺的合理性，以一次沉淀实现彻底固液分离问题。改造完成后BFM工艺出水水质COD、BOD5、TN、NH3-N、TP分别为16.18mg/L、 2.50mg/L 、11.57mg/L 、1.46 mg/L、 0.17mg/L，出水经消毒后直接外排，未新增过滤等其他深度处理工艺，实现了原厂提标的目标。
污水厂提标改造前后工艺流程图（A-改造前；B-改造后）
2.3解决方案III-后置BFM深度脱氮除磷
解决方案III为在已有系统后新建BFM工艺实现深度脱氮除磷，不改动原有生化系统，可实现污水厂的进一步提标或解决由于污水厂提量所引起的原工艺处理性能不足的问题。能够应用于尾水处理，则要求相关工艺具备低基质下稳定运行的能力。郑志佳等采用纯膜MBBR工艺处理市政污水厂二沉池出水，通过优化控制可使出水硝态氮浓度低于5mg/L。南方某水质净化厂采用纯膜MBBR工艺去除河道水中的氨氮，在实际停留时间不足40min的条件下，出水氨氮浓度低于0.5mg/L，且展现出了较好的抗冲击性能。可见，BFM工艺具备深度处理的潜力。
污水处理厂设计规模6×104m3/d，出水执行一级A标准。2021年进行提标改造，要求出水提升至准IV标准，其中总氮浓度低于12mg/L。本项目采用了新增深度处理BFM工艺以实现进一步脱氮除磷，改造完成后污水厂工艺流程如图8所示。纯膜MBBR工艺段总HRT=3.6h，磁混凝沉淀设计平均表面负荷14.2m3/m2/h。整个项目改造期间，未改动原工艺，未影响厂内正常运行。通过新建紧凑型BFM工艺，保障实际出水COD、 BOD5 、SS、 TN 、NH3-N 、TP浓度分别达到19.87mg/L、2.12mg/L、4.80mg/L、 8.46mg/L 、0.31mg/L、 0.08mg/L，实现了污水厂原厂提标的目标。污水厂尾水、微污染水、黑臭水体、饮用水原水等水质浓度低，具有相似性，可进行推广应用，BFM适用于低基质水处理。
污水厂提标改造后工艺流程
解决方案IV-BFM新建旁位处理系统
解决方案IV为厂区内新建集约型BFM污水处理设施，实现原厂分流或提量。受季节性雨季冲击以及管网提质增效的影响，污水厂面临进水水量超负荷运行问题，出水水质达标稳定性受到威胁。同时，受限于原工艺改造困难、改造周期长的问题，难以在短期内通过实施原池改造来应对提量问题。此种情况下，快速新建独立污水处理设施成为有效途径之一。采用BFM工艺可有效利用厂区内零散土地、绿化带、道路等区域进行实施，同时采用装配式的施工方式，可快速实现原厂提量的需求。
新建BFM系统占地与原污水厂占地对比
污水处理厂设计处理水量12×104m3/d，出水执行一级A标准。2021年，通过新建BFM旁位处理设施，缓解原工艺进水超量的问题。新建项目设计处理水量1×104m3/d，出水执行准V标准，设计进出水水质见表2。新建项目于厂区道路旁绿化带实施，进水取自现状初沉池出水，经过BFM工艺处理后进入现状紫外消毒系统。纯膜MBBR工艺段，缺氧区填充率55%，主好氧区填充率60%，后好氧区填充率65%，磁混凝沉淀工艺段设计表面负荷11.57m3/m2/h。项目实施完成后，吨水占地仅为0.14m2/(m3·d-1)。图9-i为新建BFM系统占地与原污水厂占地对比，从图中可以看出，BFM系统仅占用原厂1.4%的占地处理了全厂7.7%的污水，集约效果显著。BFM工艺出水COD 、BOD5、 SS、 TN 、NH3-N 、TP浓度分别为31.53mg/L、 3.14 mg/L、4.63 mg/L、4.47mg/L 、0.46 mg/L、0.09mg/L。在集约占地条件下实现了高排放标准，保障了全厂总出水达标。通过高通量测定，生物膜上不仅富集了大量的硝化菌和反硝化菌，在缺氧区生物膜上还富集了厌氧氨氧化菌，其相对丰度可达1%以上，为基于BFM工艺的主流厌氧氨氧化工艺的实施奠定了工程基础。
污水处理厂新建BFM系统设计进出水水质（mg/L）
污水处理厂设计处理水量11×104m3/d，出水执行一级A标准。在当地污水管网提质增效改造后面临3×104m3/d的污水增量问题，原污水处理系统难以有效应对，需进行提量改造，以保障污水及时有效处理。由于项目实施周期短，最终采用BFM工艺并以装配式的方式在厂内新建独立旁位污水处理系统，解决污水增量的问题。新建项目设计水量3×104m3/d，出水执行一级A标准，于厂区内绿化带内实施BFM处理设施新建。项目进水取自现状提升泵房，经过细格栅和旋流沉砂池进行预处理后，通过BFM工艺段，完成核心污染物的去除，最终消毒后外排。新建项目实施完成后，新建吨水占地仅为0.067m2/(m3·d-1)。图9-ii为新建系统占地以及与原污水厂占地对比。从图中可以看出，新建BFM工艺系统仅占用原厂2.5%的占地，处理了21.4%的污水，并且仅用时30d完成建设，有效缓解了进水水量陡增的难题。实际出水COD 、NH3-N、 TP 、SS浓度分别为12.17mg/L、0.80mg/L、0.30mg/L、 2.14mg/L，BFM工艺保障了出水水质的稳定达标。本项目同步实施了智能控制系统，如图10所示。现场全部设备、仪表、控制接入智水优控云平台，实现对于水厂运行信息的全面收集。同步配置了手机端小程序，实现随时随地远程管理。云平台内置工艺控制系统，实现精准控制与节能降耗，可较人工控制降低20%以上直接运行费用。
