浅谈改良型Bardenpho 与MBBR组合工艺技术在污水处理厂的应用
本文系统地介绍了某城市生活污水处理厂改良型Bardenpho与MBBR组合工艺不同处理单元的功能以及工艺参数；通过 2015年11月至 2016年11月对污水处理厂的定期取样分析，测定 CODcr 、NH4+-N、TP、NO2--N、NO3--N 等污染物的变化，分析改良型 Bardenpho与 MBBR组合工艺在城市污水处理厂的运行效果；采取生物学技术，研究生化反应池中前置好氧区的微生物种群结构。
1、研究意义：“十三五”计划的五大发展理念之一就是绿色发展。为了实现绿色发展，提高水环境质量，降低水污染对环境的不良影响，国家制定了越来越严格的水污染排放标准；很多污水处理厂对处理工艺进行了升级改造来提高出水水质。本课题研究对象为河北省某城市生活污水处理厂，对其在原有A/O工艺的基础上升级改造后的改良型 Bardenpho与 MBBR组合工艺的实际运行效果进行了分析和研究。污水处理厂通过升级改造工艺，可以提高出水的水质，有效降低污染物的排放量。水环境的提高会维护生态平衡，促进当地经济绿色发展。通过对污水厂改良型 Bardenpho与 MBBR组合工艺实际运行效果的分析，为污水处理厂的稳定运行提供数据支持。对现有 的老装置进行提标升级改造的运行效果研究具有重要意义，为其他污水处理厂升级改造 提供重要的经验。
2、工程概况
2.1、污水处理厂概况：该污水处理厂于1996年建成投入运行，设计规模为 8×104m3/d。随着城市化进程的加快，国家对城镇生活污水处理厂出水水质要求越来越严格。为了进一步降低城市污 水对黄花沟、府河及白洋淀流域的污染， 提高中水利用率，改善居民生存环境，促进经济的可持续发展，该污水处理厂于 2010 年开始实施升级改造工程。将原有的 A/O生物反应池改造为改良型 Bardenpho工艺和 MBBR（移动床生物膜反应器）工艺结合的生物反应池；该污水处理厂已于 2015年改造完成并投入运行，规模仍为 8×104m3/d。
2.2、气候特点：该污水处理厂地处南温带亚湿润气候区，四季特征明显，变化分明。春季比较干燥，时常刮风；夏季天气较为炎热，降雨量较多；秋季气候凉爽，偶有阵雨；冬季气候寒冷，降雪量较少；年均气温差距较大；最冷的时期出现在1月，平原的平均气温为-3℃ ， 山区的平均气温为-12℃ 。最热的时期出现在7月，平原的平均气温为27℃，山区的 平均气温为22 ℃ 。 日照充足， 年日照时数达到 2500-2900 h。无霜期为 165-210 d 。全 市的年均降雨量 500 mm 左右。 7 月和 8 月的降水量之和约占全年总降水量的 60%。
2.3、改造后工艺简介：根据污水处理厂的实际情况，改造方案为将原有的A/O工艺的生化反应池改造为改良型Bardenpho工艺和MBBR工艺相结合的生化反应池。污水厂改造后的生化反应池流程 图如2-1所示。改造后的污水厂设计规模与原规模相同，因此原工艺的粗格栅、细格栅、沉砂池、初沉池、二次沉淀池等只受水力控制的构筑物均满足改造后的工艺需求。改良 型Bardenpho工艺强化了脱氮功能，该工艺在不增加回流比的情况下也能高效除氮。氨氮的硝化和磷的吸收绝大部分都在第一个好氧池完成。后置缺氧池提供足够的停留时 间，通过混合液内的反硝化反应进一步除去硝态氮。后置好氧池则提供短暂的曝气，防止二沉池出现厌氧状态。原生化反应池中的厌氧段停留时间为0.5h，无法满足生物除磷要求；改造工程对原有的生化反应池进行了调整，将部分好氧池分别改为厌氧池和缺 氧池。改造后生化反应池中厌氧池水力停留时间（HRT）为1.5h，前置、后置缺氧池停留时间分别为3h，2.2h；前置、后置好氧池停留时间分别为3h，2.2h；设计污泥停留时间为16d，污泥负荷为0.112kgBOD5/(kgMLSS·d) 。此外，生化反应池除磷效果并不完善，因此在生化反应池后采用投加聚合铝的方法来辅助化学除磷。
图2-1生化反应池流程图
2.4、同时在改良型 Bardenpho 工艺上嫁接 MBBR工艺， 在改造后的好氧池投加生物载体 悬浮填料。 悬浮生物载体是 MBBR工艺的核心部件，结构如图 2-2所示。悬浮填料的材 料为高密度聚乙烯（HDPE），是一种圆柱形填料。其直径为 25 mm、长度为10 mm、密度为0.95-0.98 kg/L。填料投加量为好氧池容积的 29.7%。其外观呈圆柱体状，圆柱体表面有波浪纹路。；圆柱体的中心为网格状结构，外侧伸展出许多尾翘。填料的表面粗糙 程度较大，为生物膜的附着提供了有利条件。该悬浮填料具有以下特点：
（1）水力特性好，效率高。污水通过填料时流通流畅；污水与悬浮填料表面的生物膜接触面积较大，微生物对污染物的处理效率高。
（2）无生物膜堵塞。悬浮填料空隙率高且比表面积合理。生物膜脱落、更新的频率高。
（3）所需混合动力能耗低，占地小。通过搅拌和曝气，附着在悬浮填料上的生物 膜可以与污水充分接触。
（4）设计简便，易于安装和维护。保证填料自由悬浮和搅拌能力的条件下，填充率可以在一定范围内调控。由于填料在水中为悬浮状态，只需在反应池中设置筛网防止 填料流失，不需要固定。
（5）在宏观上，该悬浮填料可以与活性污泥在水中完全混合；在微观上，每个悬浮填料 都可以当做一个独立的微型生物膜反应器。这样同时利用了活性污泥法操作便捷、效率 高等优点和生物膜法抗冲击能力强等优点。 并且同时避免了活性污泥法易受水质变化影 响的缺点和生物膜法中易堵塞的缺点。从而可以对污水起到高效稳定的处理效果。为了防止填料的流失，在好氧池和前置、后置缺氧池之间设置了不锈钢格网，格网的材料为3mm不锈钢，开孔直径 16mm，孔隙率为 56%。
图2-2悬浮填料
2.4 设计进出水水质：改造后的工程设计进出水水质如表2-1所示，本污水处理厂出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级 A 标准。 表 2- 1设计进出水水质
指标 COD BOD5 SS NH4+-N TN TP
进水水质（mg/L）500 200 190 —— 70 7.0
出水水质（mg/L）≤50 ≤10 ≤10 ≤5 ≤15 ≤0.5
注：括号外数值为水温＞ 12℃时的控制指标， 括号内数值为水温≤12℃时的控制指标。
3、污水处理厂运行效果分析
3.1、试验样品：为了分析该污水处理厂改造后对主要污染物的去除效果，本研究对主要水处理构筑物的污水进行了现场取样监测分析，试验所取污水分别来自污水厂进出水，厌氧池，前置、后置缺氧池，前置、后置好氧池。取前置好氧池活性污泥样品用于 SVI的测定。自2015年11月至 2016年11月进行了一年的跟踪监测及采样分析，以15d为一个采样周 期。在监测期间，所取污水 pH值变化范围为 7.05-8.12，水温的范围为 11.6℃-23.2℃，进水量基本稳定在原设计规模（ 8×104m3/d）。
3.2、测定项目与方法：CODcr 、NH4+-N 、TP 、NO2--N 、NO3--N 、TN 、SVI 、pH 均采用国家标准方法测定；温度和DO、MLSS的数据为污水处理厂提供。
3.3、结果和讨论
3.3.1、污水处理厂 COD的去除效果：在监测期间，污水处理厂进出水COD浓度如图 3- 1 所示。污水处理厂进水 COD浓度变化范围为 350-672mg/L，平均浓度为460mg/L。出水 COD浓度变化范围为19.8-43.0mg/L，平均浓度为 29.0mg/L，平均去除率为 93.4%，达到《城镇污水处理厂污染物排 放标准》（GB18918-2002）中一级 A 标准的要求。表明该污水处理厂改良型Bardenpho与 MBBR的组合工艺对城市污水中 COD的去除效果良好。在全年中不同的时间段，污水处理厂出水 COD 浓度变化幅度较小，表明季节变化对该工艺的运行效果影响较小。尽管污水处理厂的进水COD浓度变化的幅度较大，该工艺对COD的处理效果仍然良好。表明该组合工艺的抗冲击负荷能力较强。
3.3.2、污水处理厂NH4+-N的去除效果：在监测期间，污水处理厂进出水 NH4+-N浓度、出水NO2--N和出水 NO3--N浓度分别如图3-2、图3-3和图3-4所示。污水处理厂进水 NH4+-N浓度变化范围为20.9-42.5 mg/L。出水 NH4+-N 浓度在 0.23-4.98mg/L之间，平均浓度为1.73mg/L，NH4+-N平均去除率为94.4%，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准要求。表明该污水处理厂改良型Bardenpho与 MBBR的组合工艺可以有效地去除 城市污水中的 NH4+-N。图 3-2中，在监测的 0-210d（即 2015年11月-2016年 5月，水温为10-20℃），出水 NH4+-N浓度一直在小幅度波动。这表明冬季低温期对该工艺的 氨氧化过程产生了一定的不良影响。文献研究报道，温度会影响活性污泥的氨氧化表 现，夏季的硝化细菌代谢明显更为活跃，因而冬季的氨氧化速率要低于夏季。图3-3中，NO2--N的出水浓度平均值为 0.26mg/L；图3-4中，污水厂出水 NO3--N平均值为16.6mg/L。有研究表明，当好氧区亚硝酸盐平均浓度＞19mg/L时，系统的脱氮除磷性能会受到影响；该工艺具有良好的硝化和反硝化能力，未发现明显的 NO2--N积累现象。尽管污水处理厂的进水 NH4+-N浓度变化的幅度较大，该工艺对 NH4+-的处理效果仍然良好。表明该组合工艺的抗冲击负荷能力较强。
3.3.3、污水处理厂 TP的去除效果：在监测期间，污水处理厂进出水TP浓度如图 3-5所示。污水处理厂进水 TP浓度变化范围为3.77-7.08mg/L。出水TP浓度变化范围为0.24-1.28mg/L，平均浓度为0.69mg/L，TP平均去除率为87.5% 。不能达到《 城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准要求。结果表明该污水处理厂改良型 Bardenpho与MBBR的组合工艺对 TP的去除效果不稳定，去磷效果并不理想。这是本工艺在运行中 存在的一个主要的问题，后面将会详细讨论分析其原因。
3.3.4、污水处理厂 SS的去除效果：在监测期间，污水处理厂进出水SS浓度如图 3-6所示。污水处理厂进水 SS浓度的的变化范围为116-183mg/L。出水SS浓度变化范围为 4.8-10.2mg/L，平均浓度为 7.1mg/L，SS平均去除率为 95.2%。满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级 A标准要求。这说明该污水处理厂改良型 Bardenpho与 MBBR的组合工艺可以有效地去除城市污水中的SS；在全年中不同的时间段，污水处理厂出水 SS浓度维持在较低水平。表明该组合工艺去除 SS的性能比较稳定，污泥沉降性能良好，不易受季节变化影响。
           
3.3.5、前置好氧池 MLSS变化：该组合工艺生化反应池内前置好氧池的 MLSS浓度变化如图 3-7所示。由图 3-7可知，在监测期间，好氧池的 MLSS浓度在 3189-5172mg/L范围内变化，变化范围较大。通常情况下，污泥沉降比与 MLSS成正比关系。而温度是影响污泥沉降比值大小的主要因素。一般在换季季节温度变化时，污泥沉降比值会突然增大，而适应温度后又逐渐减小。
3.3.6、前置好氧池 SVI变化：该工艺生化反应池内前置好氧池的 SVI浓度的变化如图 3-8所示。由图 3-8可知，在监测期间，好氧池的 SVI值变化范围为 52- 120 mL/g。表明好氧池内的活性污泥沉降性能良好。在秋、冬季节的时候，好氧池内污水温度相对较低。温度较低时，微生物絮体间的吸附力和凝聚力也会相对变弱，而导致污泥的蓬松因此在秋、冬季节时，一般好氧池内的 SVI值比夏季高。
3.4、除磷效果影响因素：针对该工艺除磷效果不理想的问题，在监测期间，对初沉池和生化反应池进行了沿 程取样分析，探寻 TP处理效果不稳定的原因。
3.4.1、进水 C/N比对除磷效果的影响：ρ(COD)/ρ(TN)简写为C/N。图 3-9所示为监测期间，生化反应池进水 C/N比和TP去除率的变化。由图 3-9可知生化反应池进水 C/N比最大值为 10.24，最小值为 5.13，平均值为6.83。进水水质较为稳定，变化幅度不大。当进水C/N比较高或较低时，TP去除率有时可以达到 90%以上。说明此时 C/N比可以满足除磷所需的碳要求。而生化反应池进水C/N比和 TP的去除率并未呈现很强的相关性，说明生化反应池进水的碳源满足除磷所需要的碳源需求，进水C/N比不是影响除磷效果的主要因素。有研究表明，对于同步脱氮除磷工艺不同 C/N比对氨氮的去除效果影响不大但对 TP的去除效果影响较大。随着C/N比的升高，TP的去除率基本呈现线性增长趋势，但也不宜过高，进水 C/N为5-时为宜。
3.4.2、外回流污泥对除磷效果的影响：图 3-10为污水厂进水、初沉池出水、厌氧池前段的 TP 含量变化曲线。污水处理厂除磷效果会受到实际进入生化反应池中的TP含量的影响。如果TP含量超过设计值有 可能导致出水无法达标，甚至影响污水处理厂的正常运行。由图3- 10可知，污水处 理厂进水 TP 浓度在 3.77-7.08mg/L范围内变化，平均进水浓度为 5.64mg/L，小于设计值。经过一级处理后初沉池出水 TP含量变化不大，范围为 3.74-6.87mg/L，平均浓度为5.44mg/L；而厌氧池前段 TP浓度明显升高，变化范围为 7.37-11.13mg/L平均值达9.10mg/L。原因是该污水处理厂外回流至厌氧池前段的污泥中含有大量的磷增加了生化反应池进水 TP的负荷。
3.4.3、化学辅助除磷的效果：图3-11为生化反应池出水和污水厂出水中 TP含量变化曲线。在生化反应池之后采用投加聚合铝的方式进行化学辅助除磷。由图3-11可知污水厂出水 TP浓度范围为0.46-1.28mg/L，平均浓度为0.69mg/L。而生化反应池出水TP浓度范围为1.05-2.82mg/L，平均浓度为1.85mg/L。聚合铝对 TP的去除率范围为 40.4%-63.8%平均去除率达60.7%。化学辅助除磷对 TP 的去除效果较好。
3.4.4、厌氧段水力停留时间对除磷效果的影响：厌氧段的水力停留时间如果过短，聚磷菌便无法从活性污泥中充分地摄取低脂肪 酸，从而无法充分释放磷。该污水处理工艺中，厌氧段设计水力停留时间为1.5h。实际运行中厌氧段的水力停留时间在1.5h-2.0h之间变化。厌氧段水力停留时间不是影响该污水厂除磷的主要影响因素。
3.4.5、pH及溶解氧和温度对除磷效果的影响：pH会对微生物细胞产生很多影响，但绝大多数微生物的生长的 pH都在 5-9之间；在监测期间厌氧池和前置好氧池的 pH基本相同，维持在 7.05-8. 12之间；厌氧池和前置好氧池的温度基本相同，变化范围为11.6℃-23.2℃；厌氧池和前置反应池的溶解氧分别在0.10-0.15mg/L和 3.26-7.44mg/L之间变化。可以看出厌氧池和前置好氧 池各项理化指标正常，并不是影响生物除磷的主要因素。
3.4.6、硝酸盐氮对除磷效果的影响：对生化反应池进行了沿程采样分析，采样点如图 3- 12所示。包括厌氧池进水（1）、厌氧池末端（2）、前置缺氧池进水（3）、前置缺氧池末端（4）、前置好氧池末端（5）、后置缺氧池末端（6）和后置好氧池末端（7）。由图3- 13（a）可得，磷的吸收去除绝大部分在前置好氧池内完成， 厌氧池聚磷菌没有明显的释磷现象。而厌氧释磷是好氧吸 收磷的前提，因此好氧池的聚磷菌也无法良好地吸收磷。反硝化细菌与聚磷菌会竞争 基质，而很多研究资料表明厌氧池的硝酸盐浓度高时，反硝化细菌会优先于聚磷 菌利用VFA，从而抑制聚磷菌的释磷反应。由图 3-13（b）可得，取样的四日平均厌氧 池进水硝酸盐平均浓度达到了3.45mg/L。大量的硝酸盐通过外回流进入了厌氧池，弱 化了聚磷菌释磷反应，从而影响了工艺的除磷效果。
 
总之，污水处理厂改良型 Bardenpho工艺与MBBR工艺结合去除 COD、NH4+-N和 SS的效果良好；城镇污水经过组合工艺处理后，出水COD平均浓度为 29.0mg/L，平均去除率为 93.4%；出水 NH4+-N 平均浓度为1.73mg/L、NH4+-N平均去除率为 94.4%；出水 SS 平均浓度为 7.1 mg/L，平均去除率为 95.2%。满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准的要求；该组合工艺的生化反应池中好氧段的污泥具有良好的沉降性能，并未发生污泥膨胀；好氧池的 SVI值在 52-120 mL/g范围内变化；该工艺实际运行对 TP的去除不稳定，去除效果不理想；出水TP平均浓度为 0.69 mg/L，不能达到 《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准的要求。主要原因为：外回流污泥混合液中含有大量的磷导致了进入生化反应池的TP浓度剧增，增大了生化反应池处理负荷；外回流导致厌氧池NO3--N浓度偏高，导致聚磷菌释磷效果差。建议今后类似污水处理厂升级改造时，考虑外回流 TP和 NO3--N浓度对生化反应池厌氧环境的影响，适当调整运行参数。  |
