1.北京市市政工程设计研究总院有限公司广西分院，广西南宁 530000；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司广西分院，广西南宁530000；3.青岛思普润水处理股份有限公司，山东青岛 266555
摘要：华南某污水厂一期设计规模5×104 m3/d，于2020年进行提标改造，要求出水达到一级A及地方标准的较严值。污水厂面临进水水质高、冲击性强、占地受限等问题，本着因地制宜、投资与运行兼顾的原则，选择MBBR工艺对生化池进行原位升级改造，以实现NH4+-N、TN的高效去除，采用磁混凝沉淀池去除TP、SS，工程总投资约2800万元。改造后污水厂出水稳定达标，抗冲击性能能力大幅提升，具有良好的社会经济环境效益，为类似污水处理厂升级改造提供借鉴和参考。
关键词：提标改造；移动床生物膜反应器；磁混凝；冲击
中图分类号：X703 文献标识码：C 文章编号：
Application of MBBR and Magnetic Coagulation for Retrofitting and Upgrading of a wastewater treatment plant in Sorth China
ZHAI wei-qi[1], Mo yinjin[1],Liao weiwen[2],ZHENG Lin-ao[3]
（1.GuangxiBranch ofBeijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd., Nanning 530000, China; 2.Guangxi Branch ofNorth China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.,Ltd.,Nanning530000,China;3.Qingdao Spring Water Treatment Co. Ltd.，Qingdao 266555，China)
Abstract:The total treatment scale of a wastewater treatment plant in the South China was 5×104 m3/d, the effluent was required to meet the stricter standard between the first grade A criteria andlocal water pollutant emission limitationafter the upgrading and reconstruction in 2020.The wastewater treatment plant wasexposedto problems includinghigh influent water quality, strong impact and limited land occupation. Based on the principle of adjusting measures to local conditions, considering investment and operation, MBBR Process was selected to upgrade the biochemical tank in-situ to realize full removal of NH4+-N and TN. The magnetic coagulation sedimentation tank was used to remove TP and SS, and the total investment of the project was about 28 million yuan. After the retrofitting, the effluent of the wastewater treatment plant reached the standard stably, and the impact resistance performance was greatly improved. The retrofitting project showed good social, economic and environmental benefits, pro vided reference for upgrading and retrofitting of similar sewage treatment plants.
Key words:Retrofitting；MBBR；magnetic coagulation；impact
1项目概况
1.1项目背景
华南某污水处理厂设计总规模10×104 m3/d，分两期建设，一期5.0×104 m3/d于2011年建设完成并投入使用，出水《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准及地方标准的较严值较严者进行考核，二期5.0×104 m3/d为远期规划目前尚未实施。随着近几年“水十条”要求的不断落实，污水厂排放标准的升级成为各地政策倾向的焦点。污水处理厂作为污水与自然水体之间最后一道“屏障”，其污染物削减率的高低与排放水体的水环境优劣息息相关。因此，为了进一步加强区域水生态环境的保护力度，根据政府政策要求，本项目需采取措施对一期进行升级改造，使其出水能够稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准及地方标准的较严值。
1.2原厂概况
项目总可用地62563m2，其中一期已用地34320 m2，实际平均处理规模为3.89×104 m3/d，污水收集范围涵盖城市南部居住区生活污水及西北部工业区生产废水，此外厂内还设置了150 m3/d的粪便处理车间。经对比发现，污水厂进水水质与区域其他污水厂相比明显偏高，尤其体现在有机物、TP指标。污水厂一期采用粗细格栅+旋流沉砂+A2O微曝氧化沟+紫外消毒工艺，污泥处理采用带式脱水机脱水至80%含水率外运处置，项目设计水质及近三年实际运行情况如0错误！未找到引用源。所示。截至提标前，本项目污水处理厂首期工程运行稳定，出水水质能稳定达到原设计的排放标准。
原设计及实际进出水水质（mg/L）
Table 1 Original design and actual water quality of influent and effluent（mg/L）
2提标改造思路分析
2.1改造目标
污水厂一期处理水量距离满负荷仍有一定差距，且收纳范围内未新增具有显著影响性的排放源，污水性质稳定，因此本次提标改造工程设计规模维持5×104 m3/d，KZ=1.38，设计进水水质不变，进出水标准如0所示。
提标改造工程设计进出水水质（除粪大肠菌群，单位均为mg/L）
Table2 Design influent and effluent quality of retrofitting project（mg/L, except fecal coliforms）
2.2重点指标分析
①COD、BOD5
本项目进水B/C=0.565，属于易生化污水，难降解COD含量低，2017-2019年BOD5出水指标维持在10mg/L以下，COD大部分时间在20mg/L以下，虽然极少数时间段出水COD＞30mg/L，但考虑到提标改造后与COD、BOD5呈正相关的出水SS浓度会进一步降低[1]，因此COD、BOD5不作为本次提标改造工程的重点控制指标。
②NH4+-N
本项目要求出水NH4+-N小于5mg/L，不考虑进水有机氮、出水有机氮等影响因素，其去除率要求大于83.3%。氨氮的去除主要通过硝化反应来完成，而对于运行较为稳定的污水厂来讲，硝化反应的首要影响因素当属于随季节变动的水温。冬季温度较低时，硝化细菌的生长繁殖能力和活性随之较低[2]，为出水氨氮的稳定达标提出了考验，例如以2019年冬季的日均值作为分析对象，NH4+-N出水＞5mg/L占比达到6.7%。此外，从近三年的进水水质可知，NH4+-N基本维持在17.5mg/L左右，远低于设计的30mg/L。考虑到未来管网完善后，进水NH4+-N不可避免将升高，分析现状生化系统的设计参数，要满足提标出水要求的NH4+-N浓度保持低于5mg/L存在一定风险。因此，NH4+-N是本次提标改造工程的重点控制指标。
③TN
从近三年统计的运行情况来看，TN出水指标均维持在15mg/L以下。近三年进水TN基本维持在26.5mg/L左右，不足设计值的70%，考虑到未来管网完善后，进水TN将随之升高，如按照设计进水TN浓度核计，现状生化池要满足出水TN浓度低于15mg/L的要求存在一定的难度。因此，TN是本次提标改造工程的重点控制指标。
④TP
本工程进水TP设计值为6.4mg/L，现状实际进水TP在8mg/L左右，远高于典型的生活污水，其主要原因是工业废水在进水组成中占比约30%，水产加工企业在生产过程添加三聚磷酸钠，导致进水TP过高。从近三年统计的运行情况来看，出水TP均值接近1.0mg/L，基本都高于一级A要求的0.5mg/L以下。以2019年冬季的日均值作为分析对象，TP超标概率达到88%。因此，TP是本次提标改造工程的首要控制指标。
⑤SS
本工程进水SS设计值为290mg/L，近三年平均进水SS为265mg/L左右，但波动性较大，进水SS超标时有发生，若出水SS按照一级A考核则超标率超过50%。因此，SS是本次提标改造工程的首要控制指标。
⑥大肠杆菌
从近三年统计的运行情况来看，粪大肠菌群数出水指标不能稳定达到一级A标准确定的低于1000个/L的指标。因此，粪大肠菌群数也是本次提标改造工程的重点控制指标。
综上所述，本项目污水指标重要性依次为TP、SS＞NH4+-N、TN、粪大肠菌群＞COD、BOD5
技术路线分析
①生化段工艺分析
该污水厂受限于占地，生化段只能原位提标改造，通过工艺措施，强化氮素去除。MBBR与MBR工艺均具有负荷高、原池升级改造、出水稳定达标等优点，在国内污水厂提标改造中应用广泛[3-6]。
若采用MBR作为提标工艺，可同时解决TP、SS、NH4+-N、TN无法稳定达标的难题，但在工程实施及运行过程中需提前做好利弊分析。首先，考虑到本次提标可用地非常紧缺，需充分利用原厂构筑物，MBR膜池需由现状2座二沉池改造，保留池壁池底，拆除所有组件后进行内部结构划分，同时新建配套的膜设备间及预处理精细格栅等，工程量较大，初次投资较高，工期相对较长；其次，由于现状进水TP浓度较高且MBR工艺通过膜截留作用延长系统污泥龄，与聚磷菌短泥龄特性矛盾，工艺对化学除磷依赖性更强，若采取前置化学除磷虽然可降低MBR池负荷，但部分碳源也会随之流失，影响生物脱氮效果，若采取同步化学除磷，除磷剂在活性污泥系统的持续投加将抑制聚磷菌增长速率及活性，降低聚磷菌丰度，导致生物除磷能力持续减弱，活性污泥无机组分占比升高，不利于系统长期稳定运行[7]；最后，MBR工艺回流泵、产水泵、膜吹扫风机都属于用电负荷较大的设备，膜污染需要在线清洗和定期离线清洗，日常维护较为复杂，另外值得注意的是，膜通量不可逆衰减所带来的膜组件更换经济成本已然是约束MBR长期可持续使用的一道难题[8]。
若采用MBBR工艺作为提标工艺，可解决NH4+-N、TN问题，无需新建预处理及改动二沉池，但与MBR工艺相比需配套深度处理单元。就生化池分析，虽然远期进水TN浓度必然提升，但污水厂进水碳源较为充足，因此从经济性考虑，适宜采用切割部分好氧池容以扩大缺氧池容的思路，充分利用原水碳源以实现高效低耗的生物脱氮目标，之后再对剩余好氧池容进行硝化负荷校核，欠缺的部分可通过投加悬浮载体，利用其富集高效生物膜的特点予以补充[9]。另一方面，悬浮载体生物膜的泥龄独立于活性污泥系统，不受二沉池排泥影响，相对缓解了活性污泥法聚磷菌和硝化细菌之间污泥龄的矛盾[10]，因此在条件允许的前提下，可适当缩减活性污泥泥龄，加强排泥以强化生化除磷效果，充分发挥生物除磷的经济性，减少深度处理负担。
②深度处理段工艺分析
化学除磷与过滤的组合工艺是一级A排放标准下的深度处理的主流技术路线。化学除磷工艺大多采用高效沉淀池、微砂沉淀池、磁混凝沉淀池，过滤工艺有砂滤池、纤维滤池、滤布滤池等。高效沉淀池出水SS通常＜20 mg/L，单独使用无法稳定达到10 mg/L，必须搭配滤池使用。由于本项目占地非常紧张，高效沉淀池占地面积较大无法应用，若不设置高效沉淀池而仅设置滤池，后段化学除磷负荷较大，滤池产泥量大幅增加，更易堵塞，且PAM的投加易发生粘堵现象，无法满足本项目要求。磁混凝工艺从污染物去除效果、占地面积等方面要优于常规的高效沉淀池，与微砂沉淀池相比，解决了其加载介质回收率低、运行成本偏高的问题。实际运行经验表明，在正常工况下磁混凝沉淀池出水SS可达到5 mg/L，即便在单组检修、另一组处理量加倍时，也能保障出水SS＜10mg/L[11]。
③消毒段工艺分析
原首期紫外消毒池灯管已出现不同程度的老化，为紫外线有效剂量不低于20mJ/cm2，需补充灯管数量，并增设次氯酸钠应急投加装置确保出水粪大肠菌群符合排放标准。
综合以上分析，拟采用MBBR技术进行生化池原位提标改造强化生物脱氮除磷，深度处理新建磁混凝工艺保证出水TP、SS稳定达标，消毒单元补充紫外灯管强化大肠菌群杀灭效果，上述方案解决了污水厂用地受限的难题，并且在工艺稳定性、投资及运营成本的经济性、运行管理的简便性等方面更有优势。改造后工艺流程图如0所示。
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改造工艺流程图
Fig.1 Retrofitting process flow diagram
3工程设计
3.1改造生物池
将污水厂A2O微曝氧化沟改为“A2O-MBBR”工艺，保留现状厌缺氧池不变，通过拆除缺、好氧池间的导流墙、新建钢制导流墙扩大缺氧池容，在好氧区设置MBBR区，投加悬浮填料，并设置拦截筛网、填料专用推流器，保证填料良好流化且不随水出流。对原曝气系统进行优化改造，加大曝气量，保证了氨氮和总氮达到一级A的排放标准。改造后生化池总HRT不变，总有效池容27208m3，污泥浓度3500mg/L，外回流比100%，内回流比200%。缺氧池容扩大的区域设置潜水推流器2台，单台功率N=4.5kw，MBBR区增加辅助穿孔曝气系统2套，进出水拦截筛网2套，MBBR专用推流器4台。池体施工完成、设备安装到位后投加SPR型悬浮载体，直径为（25±0.5）mm、高为（10±1）mm，挂膜后密度与水接近，可以形成良好的悬浮效果，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T461-2014）标准[12]。
3.2新建中间提升泵房
新建一座中间提升泵房用于提升污水高度，以满足污水深度处理竖向水力流程的要求。设计流量Q=2875m3/h，设潜水轴流泵4台(2用1备，其中2台变频)，Q=1438 m3/h，H=4.5m，N=22kW，配套电动葫芦1台。
3.3新建磁混凝沉淀池
磁混凝沉淀池设计规模50000 m3/d，共设2个系列，每个系列由混合池、磁加载池、絮凝池、沉淀池四部分组成。混合池单池平面尺寸为L×B=2.5×2.5m，深=6.0m，有效反应时间2.16min，单池设搅拌器1台，N=2.2kW；磁加载池单座平面尺寸为L×B=2.5× 2.5m，H=6.0m，有效反应时间2.16min，单池设搅拌器1台，N=3.0kW；絮凝池单座平面尺寸为L×B=3.5×3.5m，H=6.0m，有效反应时间4.23min，单池设搅拌器1台，N=4.0kW；沉淀池单组平面尺寸为L×B=9.0×9.0m，H=6.5m，采用斜管沉淀方式，安装斜管152m2，表面负荷13.86m3/(m2•h)，设中心传动刮泥机2台，φ=10m，单台N=1.5kW。
磁混凝沉淀池还包括磁粉回收系统和污泥回流及剩余污泥系统，其中磁粉回收系统由高速剪切机和磁分离机组成，共设高速剪切机2台，单台Q=30m3/h，N=0.75kw。磁分离机2台，Q=30m3/h，N=4kw，磁粉回收率＞99.5%。污泥回流及剩余污泥系统主要作用是使部分污泥回流至混合区，提高絮凝反应效果，同时排出沉淀区剩余的化学污泥。设污泥回流泵3台（2用1备），Q=30m3/h，H=12 m，N=3.0kW，变频控制。设剩余污泥泵4台（2用2备），Q=30m3/h，H=12m，N=3.0kW变频控制。设污泥输送泵2台(1用1备)，Q=40m3/h，H=12 m，N=4.0kW。
3.4新建加药间
新建L×B=18×7m加药间一座，用于向磁混凝沉淀池及消毒池加药，包含PAC液体储罐2台及配套加药隔膜泵3台（2用1备），次氯酸钠储罐1台及配套加药隔膜泵2台（1用1备），一体化PAM制备装置一套及配套加药螺杆泵3台（2用1备），另设轴流通风机1台，Q=3000m3/h，N=0.55kW。
3.5消毒池改造
原首期消毒池配置112支320w紫外灯管，处理规模5万吨/天，出水一级B标准，目前设备已出现不同程度的老化，经设备商复核，原设备能在处理2.5万吨/天规模的情况下，保证紫外线有效剂量不低于20mJ/cm2，出水达到一级A标准。另外，在二期预留的消毒渠中，新配置一套48支320w紫外灯管的紫外消毒设备，N=18kW，与一期消毒设备共同处理一期磁混凝沉淀池出水，处理规模为5万吨/天，处理出水标准可达到一级A。
4运行效果
该污水处理厂提标改造工程于2020年10月顺利完工，水量负荷达到80%，实际进、出水水质如0所示。
2020年11月实际运行进出水水质（除粪大肠菌群，单位均为mg/L）
Table3Water quality of influent and effluent in November 2020（mg/L, except fecal coliforms）
由上表可知，在进水TN均值达到设计值且波动较大的条件下，出水NH4+-N、TN均值分别为1.32mg/L、9.89mg/L，优于排放标准，后期随着悬浮载体生物膜的持续培养，生化段处理性能及稳定性仍可进一步提升。
磁混凝工艺对TP、SS指标稳定达标意义重大，通过投加PAC和PAM进行絮凝沉淀，同时投加磁粉加速沉降，磁粉可以通过磁分离机进行回收再利用，进水TP、SS大幅超标且后置过滤系统的情况下，出水SS、TP平均值分别为5.54mg/L、0.32 mg/L，抗冲击性能显著。
采用MBBR+磁混凝等措施进行提标改造后，出水各指标均稳定达到设计排放标准，针对性的解决了污水厂面临的难题，保障了出水水质稳定达标。
5结论
在客观分析现状水质、己建构筑物现状、用地条件的基础上，选用MBBR +磁混凝工艺作为提标改造的核心工艺，解决了项目面临的进水水质冲击、脱氮除磷要求高、用地紧缺等难题。提标改造后污水厂出水在进水超过设计值时，仍可稳定达到设计排放标准，抗冲击性能较强。本项目总投资约2800万元，新增占地600m2，实现了因地制宜、环境友好、经济简便的工程目标。
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作者简介：
翟伟奇，1976.6~，男，籍贯湖北，高级工程师