污水厂准Ⅳ类水BardenphoMBBR提标改造分析.docx
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污水厂准Ⅳ类水BardenphoMBBR提标改造分析
污水厂准Ⅳ类水Bardenpho-MBBR提标改造分析
**某污水处理厂设计规模16万m3/d,采用Bardenpho-MBBR工艺开展改造,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到达地表准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;通过对系统微生物开展高通量测序,结果说明,填料对系统的硝化奉献率到达85%,并且填料上附着的反硝化菌占比到达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。
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根底上,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。
多数污水厂在开展一级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到达准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20**年***芦村污水处理厂成功开展了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。
本文以某省某污水厂准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类水提标改造项目提供技术参考。
1项目概况
某省某污水处理厂,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》(GB18918-20**)一级B标准。
20**年该污水厂开展提标改造,要求在设计进水水量不变的情况下,尾水水质到达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(20**年征求意见稿)的特别排放限值,即准IV类水标准,如下表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,生物池为全封闭构造,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,而反硝化滤池则需担负剩余指标的去除,导致反硝化深床滤池担负负荷高,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,硝化缺陷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,反硝化深床滤池担负越多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缺陷,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开展重新划分为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***度聚乙烯悬浮载体》(CJ/T461-20**)行业标准;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20**年6月17日开始,到8月中旬,水量到达设计值16万m3/d条件下,所投加的悬浮载体挂膜完成。
分析20**年8月20日至20**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开展比照。
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,改造前已基本能到达准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稳定到达准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。
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
图3改造后生化系统对TP的处理效果
改造前后氨氮处理水平相当,改造后生物池进出水氨氮均值分别为16.02mg/L、0.27mg/L,氨氮去除率均值为98.31%,如图4所示。
改造前,由于好氧池容较大,水力停留时间长达7.8h,对氨氮有较好的处理效果,但是当进水水质水量存在冲击时,氨氮处理效果较差,系统的抗冲击能力差,此外,冬季低温时也经常出现氨氮波动的情况。
MBBR改造后,在好氧区投加悬浮载体,保证了好氧区附着态微生物的泥龄大于30d,有利于长泥龄的硝化菌群的富集。
填料的挂膜过程与胞外聚合物(EPS)密不可分,当微生物活性越强时,EPS分泌越旺盛,越容易挂膜;微生物活性减弱时,EPS分泌减少,在流化水力剪切的作用下脱离老化生物膜,实现生物膜的自然动态更新,保障了填料上的微生物一直处于较高的活性。
图4改造后生化系统对氨氮的处理效果
3.2系统改造前后对TN的去除效果
系统在改造前进水TN均值21.55mg/L,出水均值13.91mg/L,平均去除率为35.45%,并且出水TN波动较大,不稳定。
经过Bardenpho-MBBR改造后,进水TN均值为24.73mg/L,出水TN均值8.43mg/L,TN平均去除率65.91%,如图5、图6所示。
从两组数据可以比照出,系统经过Bardenpho-MBBR改造后,在进水TN负荷升高的情况下,出水依然能够稳定达标,平均去除率比改造前高出近一倍。
为进一步探索系统TN去除效果改善的原因,在20**年12月底,对系统各工艺段开展了TN去除分析。
系统内各区域均有总氮去除,厌氧区、前置缺氧区、好氧MBBR区、后置缺氧区和后置好氧区的总氮去除率分别为9.57%、29.92%、9.02%、11.31%和3.62%,总氮去除率为63.44%,如图7所示。
改造前后系统的总回流比均为150%,厌氧区和前置缺氧区共去除TN39.49%,略优于改造前,原因在于系统运行的污泥浓度不再受硝化菌群长泥龄要求的限制,整个系统内污泥活性较改造前有明显提升。
图5改造前系统对TN的去除效果
图6改造后系统对TN的去除效果
在好氧区发生了明显的TN去除现象,好氧段同步硝化反硝化对TN的去除率为12.64%,合计去除氮素3.08mg/L,占总去除率的20.00%。
生物膜上典型的缺/好氧微环境,以及对功能微生物的富集作用,促进了同步硝化反硝化作用的开展,使得在好氧区仍有对TN的进一步去除。
在众多采用MBBR的污水厂,均在好氧填料区发现了显著的SND现象,TN去除量在3-8mg/L不等,且基质浓度较高的污水厂,SND效果更佳显著。
由于好氧填料区有机物含量已很低,进一步推测SND的碳源可能与生物膜的内碳源相关。
关于生物膜、泥膜复合系统SND的研究有待进一步深化,但对于进水TN50mg/L、出水TN要求10mg/L的污水厂,TN去除率要求80%,总回流比至少需400%;当SND去除5mg/LTN时,总回流比可降至350%,且可减少25mg/LBOD碳源投加,节能降耗显著。
而对于进水基质浓度不高的污水厂,甚至可完全节约外投碳源,使得MBBR除了在池容做到深度挖潜外,真正实现了基质利用上的深度挖潜,应用前景广阔。
后置缺氧区对TN的去除量为2.76mg/L,由于该区域无碳源投加,且原水碳源基本已在前端消耗殆尽,分析该段内可能是发生了内碳源的水解,产生了部分碳源被微生物利用。
系统该区域内出现氨氮的少量溶解也证明了内碳源水解的发生。
图7沿程断面氮素变化
由于改造前,对于准IV类水标准,系统的COD已可稳定到达,氨氮基本可到达,COD、氨氮和TP并非改造难点,效果与经济的核心矛盾在TN上。
通过Bardenpho工艺的采用,有效开发了系统的内碳源,增加了后置反硝化区,强化TN去除效果;而MBBR的使用,是系统实现原池改造Bardenpho的前提,在大幅削减好氧池容的前提下,系统氨氮处理效果并未受到影响,好氧泥龄大幅缩小的前提下未影响硝化菌群的活动,悬浮载体上SND的出现,更为节约碳源投加、降低回流比创造了条件。
在实际的运行过程中,TN的去除基本上在生化段就可以完成,深度处理的反硝化深床滤池作为保障性工艺,正常状态下按普通滤池运行,保证SS以及TP达标即可。
5结论
1)采用Bardenpho-MBBR工艺对污水厂开展提标改造,生化段出水COD、氨氮、TN均值分别为18.80gm/L、0.27mg/L、8.43mg/L,稳定到达地表准IV水标准,生化段出水TP均值0.48mg/L,良好生物除磷大大减轻了深度处理负荷;
2)采用Bardenpho-MBBR强化了系统对TN的去除,TN去除率到达65.91%,是改造前的一倍;TN去除的提升,主要在于前置缺氧脱氮效率的提高、好氧区的SND过程以及后缺氧的内源反硝化过程,好氧区的SND带来的TN去除占整个工艺对总氮去除的20.0%;
3)悬浮载体对硝化细菌的筛选和富集具有重要作用,填料上微生物对硝化过程的奉献率到达85%;填料上反硝化菌占比约6.46%,填料本身的缺氧/好氧分层为SND过程提供了微观保证,有效降低了碳源投加,提高了TN的去除率;
4)MBBR工艺采用微动力混合池形,相比循环流动池型,可以节约专用推流器至少16台,每年节省运行费用84.096万;
5)Bardenpho-MBBR工艺采用“镶嵌”原理实现原池改造,处理效果稳定,适用于污水厂地表准IV水尤其是对TN有严格排放要求的污水厂升级改造。
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