懸浮填料耦合斜板沉淀改造MSBR技術

1、項目背景

南方某城市污水處理廠一期工程規模為20×104m3/d，采用MSBR工藝，于2008年4月投入運行。2017年底一期工程完成提標改造，深度處理采用“后置反硝化生物濾池+微砂高效沉淀"，出水水質可穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。

近年來，因城市總體規劃調整，排水系統布局進一步優化，該污水處理廠在無法新增建設用地的情況下，總規模較原規劃有了大幅提升。隨著國家相關政策的出臺和所在城市流域綜合治理計劃的持續推進，污水處理廠出水水質需提升至項目所在地一級標準（地表水準Ⅳ類）。基于上述情況，綜合現有邊界條件及工藝技術水平等因素，需對一期工程實施原位擴容提標，MSBR單池處理規模要求由5×104m3/d增至6.25×104m3/d。

2、MSBR池現狀及存在的主要問題

MSBR工藝的實質為AAO串接SBR，可實現多種不同的運行模式，最初為7池型，后演變為10池型，強化了脫氮效果。現狀MSBR采用早期7單元構型，廠區南北向并行布置4座，單座處理能力為5×104m3/d，平面尺寸為88m×50m，總容積27917m3，水力停留時間13.40h。1、7單元各設有1臺污泥回流泵和2臺剩余污泥泵，單泵功率分別為13、3.1kW。1臺混合液回流泵設于6單元，功率13kW。

MSBR池投入運營已有10余年，部分設備年久老化，主要存在以下問題：①池容偏小，不能滿足提標和擴容的雙重需要；②1、7單元序批池水力負荷高，泥水分離效果差，出水易跑泥，抗水力沖擊負荷能力差；③1、7單元序批池為平底結構、邊側單點排泥方式不利于排泥，易積泥；④2單元濃縮池表面積偏小，水力負荷過高，固體負荷偏大，污泥濃縮效果較差；⑤3單元預缺氧區停留時間短，僅為0.43h，且未考慮分點進水補充碳源，對回流污泥的反硝化效果不明顯，末端殘余硝態氮偏高；⑥4單元厭氧池和5單元缺氧池停留時間短，脫氮除磷效能不佳；⑦管式曝氣器易損壞，更換周期較短，僅約為3年；⑧混合液、污泥回流泵出口均存在明顯的跌水復氧現象，降低了系統處理效能；⑨6單元的好氧池長寬比接近1.5，進水采用雙管配水至好氧池中心后，全池未設任何導流設施，流態較差，易形成短流且外側兩邊角存在死水區，加設推流器后未見明顯改善。

特別是缺氧區停留時間僅為1.02h，嚴重偏短，反硝化效果差。TN去除基本上依靠MSBR池后續的反硝化生物濾池。鑒于原水中的BOD5在MSBR好氧池中已基本消耗殆盡，后置反硝化生物濾池脫氮依賴外部碳源，導致外加碳源投加量偏大，運行成本偏高。

3、提標擴容改造技術路線

3.1 實際進、出水水質

該項目自運行以來，進水可生化性較好，出水水質可穩定達到一級A標準。根據2017年12月—2019年2月的實際運行數據，對一期工程生產線主要污染物指標相對地方一級標準的達標率進行分析后發現，BOD5、SS兩個指標可滿足新標準的要求，COD、NH3-N、TN和TP四個指標的達標率依次為96.65%、66.98%、44.81%和83.25%。分析表明，提標改造的最大難點為TN，其次為NH3-N；尤其是水溫低于12℃時脫氮效率明顯降低。

2020年1月—2022年12月的實際進水水質如表1所示。

3.2 總體改造技術路線

現狀MSBR池按一級B標準設計，污水處理廠一級A提標工程通過在其后端增設反硝化生物濾池和微砂高效沉淀池來實現整體提標，并未同步進行挖潛改造。針對地方一級標準（地表水準Ⅳ類），一期工程MSBR系統擴容提標的關鍵在于解決池容偏小和1、7單元負荷較高兩個最為突出的問題。采取的針對性措施包括：①提高污泥濃度，降低污泥負荷，彌補池容的不足，也可增強后置反硝化脫氮效果；②降低沉淀功能區水力負荷，強化泥水分離效果。同時，充分利用現有池體結構及設備，優先利用內部碳源，功能分區應能實現氮磷的強化去除，將二級處理出水TN控制在10mg/L左右，盡量少用或不用后置反硝化功能，以降低運行成本。MSBR池后續反硝化生物濾池可在濾床下部反沖洗膨脹空間內裝填AnnoxTMK5型填料，以增加生物膜載體數量，可有效處理二級生化系統出水殘留的TN。微砂高效沉淀池的水力負荷有較大的提升空間，滿足擴容需求。鑒于深度處理設施為一、二期工程共用，而二期提標潛力有限，一期MSBR改造后生化系統出水宜盡可能直接或基本達到設計排放標準。改造后的工藝流程如圖1所示。

4、MSBR池改造方案

污水處理廠提標所面臨的瓶頸主要是低碳源與低水溫的問題，投加填料或采用MBR工藝均能在一定程度上達到強化脫氮的目的。現狀MSBR可行的基本改造思路：①改造為MBR膜工藝；②投加填料，調整功能分區，改造為MSBR-MBBR或類似工藝。采用MBR膜工藝進行改造，主要存在以下問題：①土建改造工程量過大，內部隔墻幾乎需要全部拆改，原有池體結構利用率不高；②一次性投資過高，單池改造費用初步測算為6900萬元，遠高于填料方案；③運行成本偏高。

鑒于此，提標改造以投加填料為優，通過控制流化填料在生物反應池內的比例，可以形成活性污泥與生物膜的共生系統，脫氮效率高，抗沖擊負荷能力強。具體方案：①改造為MSBR-MBBR工藝；②采用懸浮填料耦合一體化斜板沉淀的組合工藝。方案①仍然利用MSBR池的1、7單元來完成泥水分離，但運行方式將由序批間歇式調整為兩池并聯的連續運行模式；方案②將效能低下的2、3單元改造為厭/缺氧區，并將1、7單元改造為兩座獨立的一體化斜板沉淀池，以強化沉淀效果，其泥水分離功能相對更為專一、穩定和高效。MSBR-MBBR方案基本不改變原有構筑物狀態，懸浮填料耦合一體化斜板沉淀池方案改造相對更為，工程量較大，新增設備較多。兩種方案的技術改造對比示意見圖2。

兩種方案的經濟技術比選如表2所示。MSBRMBBR方案盡管在土建改造工程量、現有池體設施設備利用率、實施的難易程度、設備采購費及總投資方面具有較大優勢，也克服了原池容偏小、污泥負荷較高的缺陷，但仍存在如下問題：①澄清區跑泥問題沒解決；②厭/缺氧區空間固化，停留時間仍不足2h，后置反硝化池負荷高、易堵塞；③2、3單元存在的問題甚至進一步惡化；④水質達標過多依賴一、二期共用的深度處理設施，因深度處理單元挖潛有限，達標存在一定風險。綜上，該項目最終確定采用方案②。

懸浮填料耦合斜板沉淀方案摒棄了原效能不高的污泥濃縮池和預缺氧池，拆除濃縮池兩側短邊隔墻并在5、6單元隔墻底部開孔，2、3、4、5單元及6單元中間區域連通，形成一個通長的厭/缺氧可調區，總容積相對MBBR方案增加了1790m3，且運行更為靈活。1、7單元嵌入一體化斜板沉淀后，水力負荷提高一倍，達到2m3（/m2·h）。沉淀池前端脫氣區利用中孔鼓風曝氣形成紊流驅散氮氣，進一步提高了泥水分離效果；排泥采用鏈條式刮泥機，效果良好；斜板下方安裝自動氣洗裝置，可定時定期對斜板進行清洗，避免污泥黏附。為避免藻類滋生，斜板區加蓋遮陽棚，采用門式鋼架、一體化裝配式光伏屋頂，簡潔美觀。鋼架屋面單跨18m，坡度10°，凈空2.2m。光伏系統建設規模為1.47MWp，4池共選用290Wp多晶硅組件5088塊，總面積8292m2，采用固定傾角安裝方式，角度同屋面。同時配套逆變器、匯流箱等附屬設施，采用分塊發電、就近并網方案，發電總量可達125×104kW·h/a。

5、技術特點

基于MSBR的懸浮填料耦合斜板沉淀系統具有如下技術優勢：①出水水質好，處理效能全面高效。系統具備除碳、硝化、脫氮及除磷的多重功能，出水水質可達到地表水準Ⅳ類標準。②鑲嵌式改造方式池體結構利用率高，可實現原位擴容提標，改造潛力大，可實施性強。改造方案維持了原MSBR池的一體化組團共壁結構，流程簡潔、占地省，易于實施。③厭/缺氧區之間容積相互可調，運行靈活，脫氮效率高，對水質適應性強，出水總氮可降至10mg/L。④泥膜結合協同硝化，處理效果穩定高效，抗沖擊負荷能力強，出水氨氮可實現≤1.5（3）mg/L的目標。⑤一體化斜板沉淀泥水分離效果好，排泥順暢，有效解決了現有問題。⑥斜板沉淀池遮陽棚采用光伏屋頂，大力踐行綠色低碳理念，節能效果明顯。

6、改造后運行效果

2021年1月初，MSBR池1號池完成改造并通水試運行，之后陸續完成余下3池改造。2022年監測期間，始終保持1號池滿負荷運行，實際出水水質見表3。其他3池2月—3月為調試期，穩定后出水水質與1號池接近。全年監測期間，1號池好氧區MLSS均值為3827.35mg/L，斜板沉淀池前端未加除磷藥劑時，沉淀池出水TP均值為0.36mg/L，90%累積率數值為0.70mg/L，剩余污泥含水率均值99.08%，SVI均值為104.06mL/g；TN僅有5d為10.2～11.6mg/L；SS有15d超過10mg/L，13～14mg/L僅出現3次，其他指標均直接達到設計排放標準。在未經深度處理和投加除磷藥劑的情況下，斜板沉淀池出水即已基本達到地表水準Ⅳ類標準，全流程則穩定達到設計排放標準。沉淀池進水端投加除磷藥劑后，出水SS、TP將愈發改善，可進一步減輕后端生物濾池和高效沉淀池的負荷。

7、工程投資及效益

利用懸浮填料耦合一體化斜板沉淀池原位改造MSBR，取得了較好的社會效益、經濟效益和環境效益，4池改造工程費用合計14399.89萬元，直接運行成本為0.65元/m3。本項目成功實現了MSBR池的原位擴容提標，土地、現有設施利用率高，極大減少了對水體環境的污染。整個系統運行穩定、藥耗少、運行維護費用低，每年可減少污染物排放量：COD為1825t、TN為456t、氨氮為320t，乙酸鈉投加量為800t/a。分布式光伏發電于2022年7月投產，發電量月均值11.3×104kW·h，最高月為19.8×104kW·h，月為6.8×104kW·h，預計發電總量將達到125×104kW·h/a，折合標準煤450t。

8、結語

①懸浮填料耦合斜板沉淀系統具有除碳、硝化、脫氮及除磷的多重功能，高效穩定，出水水質好，是MSBR池實現原位同步擴容提標的較佳途徑。

②鑲嵌式改造方式占地省，易于實施，對于一體化組團共壁結構的二級生化系統改造具有較好的借鑒和示范意義。

③提標改造工程應注意優先利用內部碳源，功能分區應能實現氮磷的強化去除，確保硝化充分，二級處理出水TN應控制在約10mg/L，盡量少用或不用后置反硝化功能，以降低運行成本。

④平底結構的沉淀單元采用邊側單點排泥效果不佳時，可改用底部機械排泥，效果較好。

⑤斜板/管沉淀池等構筑物遮陽棚可采用一體化光伏屋頂，具有明顯的經濟效益、環境效益和社會效益。