随着我国生态文明建设的全面推进，污水处理厂的排放标准愈来愈高。《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准要求TN≤15mg/L，而北京、山东等地方标准则明确提出TN≤10mg/L。标准的提升不仅限于水质指标，对出水水质稳定性方面的要求也越来越严格。因此，需强化污水处理工艺的脱氮能力，一方面可以通过增大原工艺碳源投加量的方式来提升反硝化效果，但运行费用较高，且增加了碳排放量；另一方面，可以通过新增深度脱氮设施的方式强化TN去除，常采用生物膜法，通过高效富集反硝化菌群实现脱氮效率的提升，降低外碳源的投加和碳排放量。移动床生物膜反应器（MBBR）基于其功能菌富集能力强、占地面积小、运维简便的优势，在污水处理厂新、改、扩建中得到了广泛应用，可稳定实现地表水准Ⅳ类以上排放标准，在污水处理厂深度脱氮方面具有较大的潜力和优势。
一、项目概况：
于2003年11月正式投产，处理规模为4×104m3/d。百乐克工艺平面布置及升级改造可用。项目建成初期，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级B标准；2020年，通过强化碳源投加和新增深度处理，出水水质提升至一级A标准；至2023年，该项目已运行3年，出水水质整体能够满足一级A标准，但在脱氮方面面临药剂费用高以及稳定性差两大难题。
① 碳源投加量大：为实现TN≤15mg/L的目标，需投加大量碳源。根据沿程断面核算，C/N高达5.9，而同厂二期工程AAO工艺的C/N为4.5~5.0即可保证出水TN稳定达标。同时大量的碳源投加也影响了好氧硝化过程，导致好氧区曝气需求量的提升。
② 脱氮稳定性差：由于硝化和反硝化在同一池体中进行且两者需要的反应条件不同，因此需根据进水水质变化频繁调整运行条件，氨氮与总氮控制面临矛盾，难以实现硝化与反硝化稳定的平衡关系，系统耐冲击能力一般，出水稳定性较差。
③ 新建工艺可用地少：该项目需在厂内完成新建，但该厂基本无预留地，仅能在靠近百乐克工艺旁的绿化带进行建设，可用地面积400m2，新建项目吨水占地≤0.01m2（/m3·d-1）。
④ 运行效率要求高：该项目并非简单的升级改造，而是生化功能区的进一步优化，预计改造后新建项目承担20mg/L的脱氮任务。该过程不仅要求在有限的土地上完成，还需在原百乐克工艺脱氮的基础上降低碳源投加量，并保证稳定的脱氮效果。因此，无论是对脱氮效率，还是对碳源利用效率，均有较高的要求。
二、工艺比选：
污水经百乐克工艺处理后，出水TN以硝态氮为主，目前较为成熟的深度脱氮工艺主要是利用生物膜法，其特点是微生物以附着态形式高效富集在载体表面，功能菌富集效率显著优于传统活性污泥法。生物膜法根据载体流态的不同又可以分为固定床式和移动床式，如图2所示。反硝化生物滤池作为典型的固定床式生物膜法处理工艺，以固定的颗粒物滤料作为微生物生长载体，通过外加碳源充分发挥生物膜的反硝化脱氮作用以及滤料的过滤作用，实现NO3--N和SS等多项污染物的同步去除，具有处理水质稳定、无需设置二沉池和工艺紧凑的优点，广泛应用于污水厂的提标改造，可作为深度处理单元强化去除二级生化系统的出水TN，但在运行过程中需重点关注C/N对深度脱氮效果的影响。坪塘污水处理厂一期提标改造项目处理规模同为4×104m3/d，采用反硝化生物滤池+高效气浮池作为深度处理工艺，将出水TN提升至地表水准Ⅳ类标准，吨水占地约为0.045m2（/m3·d-1），实现了节约占地和高效处理的目的，但C/N高达18.34。成都市第九再生水厂为满足新地标对出水TN的要求，采用高密度沉淀池和反硝化深床滤池作为提标工艺，C/N为5.7，实现了高标准下的深度处理。海宁丁桥污水处理厂无法满足钱塘江流域要求的一级A排放标准，高飞亚等采用反硝化深床滤池深度处理TN，同步去除SS以及TP，出水水质接近地表水准Ⅳ类标准，但C/N高达15.68，脱氮费用较高。此外，滤池工艺需定期进行反冲洗，常采用气水反冲的方式，对运行稳定性造成一定影响。
为缓解反硝化滤池工艺碳源消耗量大和反冲洗影响稳定性的问题，将硫自养反硝化技术应用于反硝化滤池的研究受到广泛关注。硫自养反硝化是在厌氧或缺氧条件下，利用硫单质或含硫化合物作为电子供体，将NO3--N还原为N2，具有脱氮效果好、无需碳源、运行成本低、污泥产量低的优点。宋庆原等研究了硫自养反硝化滤池对二级出水的脱氮效果，在优化中试工况后，硝酸盐氮去除率稳定在95%以上，但滤料消耗率每年达20%，同时出现了出水硫酸盐浓度增加和pH降低的现象。为避免硫自养反硝化技术产生二次污染的风险，李天昕等以硫与石灰石粉混合造粒的方式制备填料，通过在滤床内加入一定比例的石灰石，中和产生的酸度，同时生成CaSO4沉淀，降低了出水硫酸盐浓度，有效解决了产酸和硫酸根含量高的问题；但石灰石在系统内挤占了电子供体填料的空间，减弱了深度脱氮能力，还增加了出水硬度，提高了运行成本。目前关于硫自养反硝化技术的研究主要为小试和中试，可借鉴的工程经验不足，在推广至工业产业化之前还需一定应用研究的积累。
MBBR是流化床生物膜法的典型代表，也是近些年受到重点关注的新型污水处理技术，其利用密度接近于水的悬浮载体专性富集微生物形成生物膜，达到深度脱氮的目的，同时流化床生物膜法也无滤料堵塞及反冲洗问题。目前，纯膜MBBR用于污水厂深度脱氮在国外已有20余年的成功运行经验，在国内也得到了越来越广泛的应用。郑志佳等以两级纯膜MBBR工艺进行深度反硝化脱氮，当C/N=4.0时，系统出水硝态氮稳定在（1.87±1.07）mg/L，TN平均去除率为93.3%；某市开发区污水处理厂新建MBBR生物池作为三级深度处理强化脱氮，纯膜MBBR缺氧段的TN去除负荷为1.1g/（m2·d），提高了系统脱氮的可靠性；高彦博等为实现原厂提量，新建两级AO的纯膜MBBR生物池，出水TN稳定低于5mg/L，脱氮效率较高。可见，纯膜MBBR工艺在污水处理厂深度脱氮方面具有较大潜力，兼具碳源利用率高、处理负荷高、占地面积小的优势，但其对设备的要求亦较高，需要可靠的设备支撑工艺的稳定运行。
三、新建方案：
① 工艺流程：改造后污水处理工艺流程。原厂进水经细格栅、旋流沉砂池和初沉池处理后，在百乐克生物池完成有机物、氨氮等的去除，经提升泵进入MBBR池，进行TN的深度去除。MBBR池设计进水TN为35mg/L、出水TN≤15mg/L。MBBR池出水经二次提升泵进入原厂深度处理，进行固液分离并排泥，出水消毒后外排至受纳河流，剩余污泥浓缩脱水后外运处理处置。
② 新建MBBR池：MBBR池采用AO工艺，采用利浦罐进行装配式施工，用时30d。系统总停留时间1.43h。罐体内分别投加SPR-Ⅲ型好氧和缺氧专用悬浮载体，好氧区填充率60%，缺氧区填充率55%。悬浮载体为扁圆柱状，直径25mm，高10mm，有效比表面积≥800m2/m3。缺氧区设置MBBR专用变频搅拌器（SPR型）4台，N=5.5kW，为悬浮载体提供均匀充分的流化动力，保障流化效果；悬浮载体挂膜成熟后，搅拌器常规开启2台，另外2台作为热备。好氧区采用螺杆风机曝气，单台风量14.50m3/min，风压90kPa，N=22kW，设好氧区专用穿孔管曝气器（SPR型）1套，由于所需曝气量较少，平时可利用原厂一期风机进行曝气，新置风机与一期风机互为备用。好氧区和缺氧区安装新材料拦截筛网（SPR型），厚12mm，满足30年使用寿命要求。
③ 新建配套设施：进水系统：百乐克生物池出水经提升后进入MBBR池，设进水泵4台（2用2备），单台Q=840m3/h、H=65kPa、N=30kW。碳源投加系统：一期百乐克生物池出水仅剩余难以利用的COD，为保证MBBR池缺氧段的深度脱氮效果，以乙酸钠作为外加碳源。设4台计量泵（2用2备），单台Q=300L/h、H=200kPa、N=0.37kW。
四、运行效果：
该项目建成后总占地296m2，吨水占地0.0074m2（/m3·d-1），有效解决了实施周期短、用地受限等难题。该项目于2023年9月正式投产，连续监测运行效果至2024年1月，取日均值数据进行分析。该项目处理水量为（38758.14±783.16）m3/d，达到设计进水量的96.9%。运行上百乐克生物池无需兼顾系统硝化与反硝化的平衡，专注于强化去除进水氨氮，出水氨氮仅（0.77±0.15）mg/L；同时，百乐克生物池实现了碳源的“零投加”。MBBR池进水TN达（27.98±2.23）mg/L，出水TN仅（10.11±1.67）mg/L，稳定优于设计排放标准，MBBR池TN去除率为63.87%，脱氮量占生化工艺TN去除总量的75.37%。将悬浮载体取出后进行反硝化速率测定，在最优运行条件下，反硝化速率达到设计值的1.8倍，大幅提高了系统的脱氮效率。MBBR池仍通过传统反硝化过程进行脱氮，核算C/N仅为3.71，较改造前（C/N=5.9）明显降低，降幅达37.12%。反硝化滤池作为深度脱氮工艺，其C/N通常在5.0以上，与之相比，该项目可以节省30%~40%的碳源投加量，实现节能降耗。项目升级改造后，由于外投碳源的减量，实现了对应的污泥减量。
五、结语：
某污水处理厂通过新建纯膜MBBR设施对原厂百乐克工艺进行升级改造，同时满足节能降耗、深度脱氮的需求。新建设施利用边角空地建设，吨水占地仅为0.0074m2（/m3·d-1）。项目实施后，MBBR池TN去除量占生化工艺TN去除总量的75.37%，C/N仅为3.71，百乐克原池实现碳源“零投加”，碳源费用较改造前降低37.29%。该项目实际投资回收期仅为3.02年，较设计值缩短59.02%。通过新建纯膜MBBR工艺深度脱氮，解决了百乐克工艺硝化与脱氮之间的矛盾，显著提升了系统的抗冲击能力，大幅提高了出水稳定性，为污水处理厂提质增效和节能降耗提供了新的解决方案。
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