楊 頌,楊騰飛,付炳炳,楊偉濱

(深圳市環(huán)境水務(wù)集團(tuán)有限公司,廣東深圳 518000)

化學(xué)需氧量(COD)、氮、磷是廢水中主要組分,不達(dá)標(biāo)排放到天然水體會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)和人類(lèi)健康危害[1]。目前生物除磷輔以化學(xué)除磷基本可實(shí)現(xiàn)市政污水廠出水總磷(TP)的達(dá)標(biāo)排放,受制于脫氮處理技術(shù)、水質(zhì)穩(wěn)定性、處理能耗、氮素負(fù)荷等,在不投加碳源且高負(fù)荷運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)廢水氮素穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放難度較大[2-3]。

我國(guó)每年的氨氮排放量達(dá)到141.8萬(wàn)t、總氮(TN)排放量為212.1萬(wàn)t[4]。生物脫氮技術(shù)是水體氮污染物去除最為可行的方法,根據(jù)生物脫氮理論開(kāi)發(fā)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(shù)普遍采用以ND為主的AAO工藝,該工藝雖然可達(dá)到同步脫氮除磷效果,但其水力停留時(shí)間(HRT)長(zhǎng)、抗負(fù)荷能力差、功能微生物無(wú)法富集[6]。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(movingbed biofilm reactor,MBBR)是一種新型泥膜共混污水處理技術(shù),將生物膜與活性污泥相結(jié)合,形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜,既有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長(zhǎng)、剩余污泥量少的特征,又具有活性污泥法高效和運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的優(yōu)點(diǎn)[7-9],同時(shí)MBBR可實(shí)現(xiàn)功能微生物的富集、強(qiáng)化和調(diào)控[10-11],為市政污水廠實(shí)現(xiàn)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(biāo)改造路徑均選擇MBBR技術(shù):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(duì)生物池進(jìn)行升級(jí)改造,出水水質(zhì)全面提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(TN除外);張申旺等[13]將某污水處理廠MSBR工藝升級(jí)改造為MBBR工藝,使出水氨氮、TN質(zhì)量濃度由原來(lái)滿足限值5、15 mg/L升級(jí)到滿足限值1.5、10 mg/L。本團(tuán)隊(duì)調(diào)研發(fā)現(xiàn),MBBR技術(shù)普遍存在填料容易堵塞出水口、攔截系統(tǒng)跑填料、流化效果不理想、投加填料作用不明確等問(wèn)題,導(dǎo)致其推廣使用難度大。

基于南方某大型市政污水廠實(shí)際占地面積小、進(jìn)水水質(zhì)含氮污染物濃度高、出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán),該廠創(chuàng)造性構(gòu)建了以功能微生物為驅(qū)動(dòng)的MBBR和多段AO活性污泥耦合的強(qiáng)化脫氮污水處理系統(tǒng),并長(zhǎng)期運(yùn)行考察該系統(tǒng)污染物去除性能。以能耗、藥耗最優(yōu)為目標(biāo),通過(guò)對(duì)實(shí)際工程泥膜共混生化池的進(jìn)出水連續(xù)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行各工藝段污染物消減分析,探究該新技術(shù)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)、污泥/容積負(fù)荷、污染物降解速率等;同時(shí),鏡檢掛膜微生物的物理形態(tài)和生物特性,嘗試解析生物膜和活性污泥微生物復(fù)合群落的耦合作用機(jī)制及分工與合作規(guī)律。

1 工程概況

該廠采用MBBR耦合多段AO工藝,設(shè)計(jì)規(guī)模為22.5萬(wàn)m3/d,占地面積達(dá)50 100 m2,于2021年2月20日動(dòng)工,2022年6月18日通水,2022年7月6日完成環(huán)保驗(yàn)收。

1.1 工藝流程

該廠水處理工藝流程如圖1所示,采用“預(yù)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(tǒng)分為2組,每組由2座MBBR耦合多段AO工藝池組成,池長(zhǎng)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(gè)廊道,如圖2所示。

圖2 單座生化池結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of A Single BiochemIcal Tank

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示,出水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(TN質(zhì)量濃度≤10 mg/L,SS質(zhì)量濃度≤6 mg/L),其他指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求;設(shè)計(jì)運(yùn)行混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)為4 500 mg/L,生化區(qū)HRT為13 h,最大內(nèi)回流比為400%,最大外回流比為200%;設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷為0.14 kg CODCr/(kg MLSS·d)、容積負(fù)荷0.64 kg CODCr/(m3·d),明顯高于該廠所處片區(qū)其他市政污水廠設(shè)計(jì)負(fù)荷[14-15]。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)主要指標(biāo)Tab.1 Main Designed Indices of Water Quality of Influent and Effluent

2 污泥接種及運(yùn)行啟動(dòng)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(nèi)污水混合后,開(kāi)始活性污泥的培養(yǎng)工作。先進(jìn)行間歇悶曝,當(dāng)主要污染指標(biāo)濃度明顯下降后,適當(dāng)向生化池補(bǔ)充新鮮污水,維持生化系統(tǒng)低負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行,待活性污泥微生物適應(yīng)性良好、正常生長(zhǎng)、生化出水主要污染物指標(biāo)滿足排放標(biāo)準(zhǔn),逐步提高進(jìn)水負(fù)荷。如果生化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中,生化池出水水質(zhì)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(yǎng)和馴化工作完成。

3 運(yùn)行條件及材料方法

3.1 生化池運(yùn)行條件

為維持較好的脫氮除磷效果,生化池工藝運(yùn)行采用兩點(diǎn)進(jìn)水,運(yùn)行模式如圖3所示。生化池分為5個(gè)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(shè)計(jì)HRT分別為1.64、3.36、3.05、2.08、2.84 h;厭氧區(qū)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(nèi)回流比分別為100%和200%,外回流比為75%,好氧Ⅰ段DO質(zhì)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(yùn)行模式及參數(shù)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(qū)域?yàn)槿毖酡穸巍⒑醚酡穸魏腿毖酡蚨?生產(chǎn)廠家為大連宇都環(huán)境工程技術(shù)有限公司,材質(zhì)為高密度聚乙烯(HDPE),產(chǎn)品尺寸為φ25 mm×10 mm,掛膜前密度為0.95～0.98 g/cm3(好氧區(qū))、0.97～1.00 g/cm3(厭/缺氧區(qū)),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(shí)現(xiàn)填料的均勻流化。缺氧Ⅰ段、好氧Ⅰ段和缺氧Ⅱ段3個(gè)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(jì)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(tǒng)進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度,mg/L;

C1——單元進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度,mg/L;

C2——單元出水污染物質(zhì)量濃度,mg/L;

Q0——生化系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)水量,m3;

Q1——單元實(shí)際進(jìn)水量,m3;

H——單元實(shí)際HRT,h;

N0——TN質(zhì)量濃度,mg/L;

N1——氨氮質(zhì)量濃度,mg/L;

N4——總有機(jī)氮(DON)質(zhì)量濃度,mg/L。

4 結(jié)果討論

4.1 系統(tǒng)整體污染物去除效果

在工藝調(diào)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(dòng)MBBR耦合多段AO工藝的運(yùn)行。根據(jù)填料生物膜形態(tài)、微生物負(fù)載量和污染物去除性能,調(diào)整運(yùn)行水力負(fù)荷,如圖4(a)所示,把運(yùn)行分為兩個(gè)時(shí)間周期,MBBR填料掛膜過(guò)程為啟動(dòng)期(0～20 d)、完成掛膜后為穩(wěn)定運(yùn)行期(21～227 d),在2個(gè)不同運(yùn)行周期,通過(guò)控制參數(shù),可實(shí)現(xiàn)進(jìn)水特征污染物的高效去除。由圖4(b)和圖4(c)可知,在運(yùn)行期進(jìn)水CODCr平均質(zhì)量濃度為270.47 mg/L的條件下,出水CODCr平均質(zhì)量濃度為12.76 mg/L,去除率高達(dá)95.28%;進(jìn)水TP平均質(zhì)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(xù)輔以化學(xué)除磷,可滿足TP排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)2個(gè)階段的運(yùn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)填料生物膜的形成對(duì)CODCr和TP的去除未表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用,其原因是市政污水處理廠引入生物膜技術(shù)主要強(qiáng)化生化系統(tǒng)的硝化和反硝化作用,解決現(xiàn)行主流污水處理工藝氨氮抗負(fù)荷能力差和出水TN質(zhì)量濃度高等痛點(diǎn)問(wèn)題。研究[16]表明,以泥膜共混狀態(tài)為驅(qū)動(dòng)的MBBR耦合活性污泥工藝主要是增強(qiáng)生化系統(tǒng)進(jìn)水氨氮、TN方面的抗沖擊能力。

圖4 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的進(jìn)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(guò)對(duì)該廠投產(chǎn)至今共227 d的進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)進(jìn)水CODCr、氨氮、TN平均質(zhì)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(tǒng)AAO工藝,在此進(jìn)水水質(zhì)條件下,不投加碳源很難滿足現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)(氨氮質(zhì)量濃度≤1.5 mg/L,TN質(zhì)量濃度≤10 mg/L)。如圖4(c)、圖4(d)和圖4(e)所示,啟動(dòng)期和運(yùn)行期通過(guò)工藝運(yùn)行參數(shù)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和出水達(dá)標(biāo)排放,其中出水CODCr、氨氮、TN平均質(zhì)量濃度為12.68、0.33、7.55 mg/L。受制于出水標(biāo)準(zhǔn)限制,啟動(dòng)期平均HRT為18.71 h、水力負(fù)荷僅有71.72%,較傳統(tǒng)單一活性污泥工藝并未明顯表現(xiàn)出污染物負(fù)荷或HRT的優(yōu)勢(shì)[14-15]。運(yùn)行至第20 d,水力負(fù)荷已提升至91.22%;在運(yùn)行期第35 d水力負(fù)荷達(dá)到137.68%,HRT縮短至9.44 h,在第50 d(雨天),水力負(fù)荷高達(dá)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(jié),進(jìn)水水質(zhì)較為惡劣,進(jìn)水CODCr、氨氮、TN平均質(zhì)量濃度分別為310.47、40.21、53.14 mg/L,對(duì)應(yīng)的出水平均質(zhì)量濃度為14.05、0.29、8.87 mg/L,去除率高達(dá)95.47%(CODCr)、99.28%(氨氮)、83.31%(TN)。重點(diǎn)比較了生化系統(tǒng)啟動(dòng)期和運(yùn)行期進(jìn)水氨氮和TN負(fù)荷方面的穩(wěn)定性和差異性,發(fā)現(xiàn)兩階段氨氮污泥負(fù)荷為0.011、 0.015 g 氨氮/(g MLSS·d),TN污泥負(fù)荷為0.014、0.020 g TN/(g MLSS·d),較啟動(dòng)期分別提升了36.36%和42.86%。根據(jù)脫氮理論,充足的碳源和精準(zhǔn)硝化是保證市政污水處理廠出水TN達(dá)標(biāo)的必要條件,本團(tuán)隊(duì)先前對(duì)精準(zhǔn)曝氣、過(guò)程氨氮監(jiān)測(cè)為調(diào)控措施進(jìn)行了市政污水節(jié)能降耗脫氮性能研究,發(fā)現(xiàn)在多段AO中,以過(guò)程氨氮監(jiān)測(cè)為驅(qū)動(dòng)的曝氣調(diào)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(qū)動(dòng)構(gòu)建的MBBR耦合多段AO工藝在微生物多樣性、參數(shù)調(diào)控和數(shù)據(jù)分析上存在多種組合和可能性,在實(shí)際工程應(yīng)用中表現(xiàn)出綜合的環(huán)境效應(yīng),根據(jù)不同進(jìn)水水質(zhì)和出水標(biāo)準(zhǔn)可以設(shè)計(jì)出更加合理、高效、節(jié)能降耗的污水處理新工藝。

4.3 MBBR生物膜鏡檢分析

關(guān)聯(lián)MBBR生物膜形態(tài)和微生物群落結(jié)構(gòu)變化可輔助理解MBBR耦合多段AO工藝的強(qiáng)化脫氮反應(yīng)過(guò)程,并對(duì)MBBR技術(shù)的運(yùn)行優(yōu)化具有指導(dǎo)意義[8]。分別在第1、10 d和20 d,從正常運(yùn)行的好氧Ⅰ段反應(yīng)池中取填料樣品制片觀察。由圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)對(duì)比可知,第1 d填料表面無(wú)生物膜,第10 d可觀察到填料表面有較薄且稀疏的斑點(diǎn)狀淺黃色生物膜負(fù)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(tài)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(dòng)物豐度具有指示污泥性能、關(guān)聯(lián)出水水質(zhì)的作用[20],鏡檢發(fā)現(xiàn)生物膜污泥緊密,存有大量菌膠團(tuán)和原后生動(dòng)物,如累枝蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)等,如圖7(d)和圖7(e)所示,此類(lèi)原后生動(dòng)物作為優(yōu)勢(shì)種出現(xiàn)可以認(rèn)為該系統(tǒng)是較為成熟的生物膜系統(tǒng),具備較好的污染物去除性能。

圖7 好氧Ⅰ段填料物理形態(tài)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(tǒng)獲取游離活性污泥和好氧區(qū)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(lèi)單元(OTU)數(shù)及微生物群落alpha多樣性分析列于表2中:獲得了29 666個(gè)有效序列,OTU的數(shù)量為1 093～1 121。第20 d好氧填料污泥的Ace指數(shù)、Chao指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均出現(xiàn)下降趨勢(shì),說(shuō)明微生物多樣性在減少。微生物序列組成、OTU數(shù)、多樣性和豐度的變化表明隨著時(shí)間的推移,好氧填料生物膜負(fù)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(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 OTU, Sequence Composition Analysis of Samples and α Diversity of Statistical Parameters

5 總結(jié)

本文分析了市政污水處理廠采用MBBR耦合多段AO工藝的運(yùn)行情況,通過(guò)調(diào)控運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)了高濃度含氮市政廢水的高效去除,總結(jié)如下。

(1)泥膜共混生化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行227 d,在氨氮、TN進(jìn)水質(zhì)量濃度為34.92、45.95 mg/L高負(fù)荷沖擊下,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),對(duì)應(yīng)的去除率分別為99.05%、83.57%,生化系統(tǒng)對(duì)氨氮、TN的污泥負(fù)荷較掛膜前分別提高了36.36%和42.86%;在進(jìn)水水質(zhì)較為惡劣的旱冬季節(jié),該生化系統(tǒng)針對(duì)特征污染物(CODCr、氨氮、TN)仍表現(xiàn)出穩(wěn)定、高效去除特征。

(3)MBBR耦合多段AO工藝可實(shí)現(xiàn)污染物去除及微生物的分布在空間上的差異性分離,通過(guò)運(yùn)行參數(shù)調(diào)控,結(jié)合生物膜和活性污泥中微生物之間交互作用,可實(shí)現(xiàn)多種脫氮路徑的選擇或合作,可能成為具有潛力的節(jié)能低耗污染控制新技術(shù)。