1、項目背景
南方某城市污水處理廠一期工程規(guī)模為20×104m3/d，采用MSBR工藝，于2008年4月投入運行。2017年底一期工程完成提標(biāo)改造，深度處理采用“后置反硝化生物濾池+微砂高效沉淀”，出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。
近年來，因城市總體規(guī)劃調(diào)整，排水系統(tǒng)布局進一步優(yōu)化，該污水處理廠在無法新增建設(shè)用地的情況下，總規(guī)模較原規(guī)劃有了大幅提升。隨著國家相關(guān)政策的出臺和所在城市流域綜合治理計劃的持續(xù)推進，污水處理廠出水水質(zhì)需提升至項目所在地一級標(biāo)準(zhǔn)（地表水準(zhǔn)Ⅳ類）�；谏鲜銮闆r，綜合現(xiàn)有邊界條件及工藝技術(shù)水平等因素，需對一期工程實施原位擴容提標(biāo)，MSBR單池處理規(guī)模要求由5×104m3/d增至6.25×104m3/d。
2、MSBR池現(xiàn)狀及存在的主要問題
MSBR工藝的實質(zhì)為AAO串接SBR，可實現(xiàn)多種不同的運行模式，最初為7池型，后演變?yōu)?/span>10池型，強化了脫氮效果�，F(xiàn)狀MSBR采用早期7單元構(gòu)型，廠區(qū)南北向并行布置4座，單座處理能力為5×104m3/d，平面尺寸為88m×50m，總?cè)莘e27917m3，水力停留時間13.40h。1、7單元各設(shè)有1臺污泥回流泵和2臺剩余污泥泵，單泵功率分別為13、3.1kW。1臺混合液回流泵設(shè)于6單元，功率13kW。
MSBR池投入運營已有10余年，部分設(shè)備年久老化，主要存在以下問題：①池容偏小，不能滿足提標(biāo)和擴容的雙重需要；②1、7單元序批池水力負(fù)荷高，泥水分離效果差，出水易跑泥，抗水力沖擊負(fù)荷能力差；③1、7單元序批池為平底結(jié)構(gòu)、邊側(cè)單點排泥方式不利于排泥，易積泥；④2單元濃縮池表面積偏小，水力負(fù)荷過高，固體負(fù)荷偏大，污泥濃縮效果較差；⑤3單元預(yù)缺氧區(qū)停留時間短，僅為0.43h，且未考慮分點進水補充碳源，對回流污泥的反硝化效果不明顯，末端殘余硝態(tài)氮偏高；⑥4單元厭氧池和5單元缺氧池停留時間短，脫氮除磷效能不佳；⑦管式曝氣器易損壞，更換周期較短，僅約為3年；⑧混合液、污泥回流泵出口均存在明顯的跌水復(fù)氧現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)處理效能；⑨6單元的好氧池長寬比接近1.5，進水采用雙管配水至好氧池中心后，全池未設(shè)任何導(dǎo)流設(shè)施，流態(tài)較差，易形成短流且外側(cè)兩邊角存在死水區(qū)，加設(shè)推流器后未見明顯改善。
特別是缺氧區(qū)停留時間僅為1.02h，嚴(yán)重偏短，反硝化效果差。TN去除基本上依靠MSBR池后續(xù)的反硝化生物濾池。鑒于原水中的BOD5在MSBR好氧池中已基本消耗殆盡，后置反硝化生物濾池脫氮完全依賴外部碳源，導(dǎo)致外加碳源投加量偏大，運行成本偏高。
3、提標(biāo)擴容改造技術(shù)路線
3.1 實際進、出水水質(zhì)
該項目自運行以來，進水可生化性較好，出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)2017年12月—2019年2月的實際運行數(shù)據(jù)，對一期工程生產(chǎn)線主要污染物指標(biāo)相對地方一級標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)率進行分析后發(fā)現(xiàn)，BOD5、SS兩個指標(biāo)可滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，COD、NH3-N、TN和TP四個指標(biāo)的達(dá)標(biāo)率依次為96.65%、66.98%、44.81%和83.25%。分析表明，提標(biāo)改造的最大難點為TN，其次為NH3-N；尤其是水溫低于12℃時脫氮效率明顯降低。
2020年1月—2022年12月的實際進水水質(zhì)如表1所示。
3.2 總體改造技術(shù)路線
現(xiàn)狀MSBR池按一級B標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，污水處理廠一級A提標(biāo)工程通過在其后端增設(shè)反硝化生物濾池和微砂高效沉淀池來實現(xiàn)整體提標(biāo)，并未同步進行挖潛改造。針對地方一級標(biāo)準(zhǔn)（地表水準(zhǔn)Ⅳ類），一期工程MSBR系統(tǒng)擴容提標(biāo)的關(guān)鍵在于解決池容偏小和1、7單元負(fù)荷較高兩個最為突出的問題。采取的針對性措施包括：①提高污泥濃度，降低污泥負(fù)荷，彌補池容的不足，也可增強后置反硝化脫氮效果；②降低沉淀功能區(qū)水力負(fù)荷，強化泥水分離效果。同時，充分利用現(xiàn)有池體結(jié)構(gòu)及設(shè)備，優(yōu)先利用內(nèi)部碳源，功能分區(qū)應(yīng)能實現(xiàn)氮磷的強化去除，將二級處理出水TN控制在10mg/L左右，盡量少用或不用后置反硝化功能，以降低運行成本。MSBR池后續(xù)反硝化生物濾池可在濾床下部反沖洗膨脹空間內(nèi)裝填AnnoxTMK5型填料，以增加生物膜載體數(shù)量，可有效處理二級生化系統(tǒng)出水殘留的TN。微砂高效沉淀池的水力負(fù)荷有較大的提升空間，完全滿足擴容需求。鑒于深度處理設(shè)施為一、二期工程共用，而二期提標(biāo)潛力有限，一期MSBR改造后生化系統(tǒng)出水宜盡可能直接或基本達(dá)到設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)。改造后的工藝流程如圖1所示。
4、MSBR池改造方案
污水處理廠提標(biāo)所面臨的瓶頸主要是低碳源與低水溫的問題，投加填料或采用MBR工藝均能在一定程度上達(dá)到強化脫氮的目的�，F(xiàn)狀MSBR可行的基本改造思路：①改造為MBR膜工藝；②投加填料，調(diào)整功能分區(qū)，改造為MSBR-MBBR或類似工藝。采用MBR膜工藝進行改造，主要存在以下問題：①土建改造工程量過大，內(nèi)部隔墻幾乎需要全部拆改，原有池體結(jié)構(gòu)利用率不高；②一次性投資過高，單池改造費用初步測算為6900萬元，遠(yuǎn)高于填料方案；③運行成本偏高。
鑒于此，提標(biāo)改造以投加填料為優(yōu)，通過控制流化填料在生物反應(yīng)池內(nèi)的比例，可以形成活性污泥與生物膜的共生系統(tǒng)，脫氮效率高，抗沖擊負(fù)荷能力強。具體方案：①改造為MSBR-MBBR工藝；②采用懸浮填料耦合一體化斜板沉淀的組合工藝。方案①仍然利用MSBR池的1、7單元來完成泥水分離，但運行方式將由序批間歇式調(diào)整為兩池并聯(lián)的連續(xù)運行模式；方案②將效能低下的2、3單元改造為厭/缺氧區(qū)，并將1、7單元改造為兩座獨立的一體化斜板沉淀池，以強化沉淀效果，其泥水分離功能相對更為專一、穩(wěn)定和高效。MSBR-MBBR方案基本不改變原有構(gòu)筑物狀態(tài)，懸浮填料耦合一體化斜板沉淀池方案改造相對更為徹底，工程量較大，新增設(shè)備較多。兩種方案的技術(shù)改造對比示意見圖2。
兩種方案的經(jīng)濟技術(shù)比選如表2所示。MSBRMBBR方案盡管在土建改造工程量、現(xiàn)有池體設(shè)施設(shè)備利用率、實施的難易程度、設(shè)備采購費及總投資方面具有較大優(yōu)勢，也克服了原池容偏小、污泥負(fù)荷較高的缺陷，但仍存在如下問題：①澄清區(qū)跑泥問題未徹底解決；②厭/缺氧區(qū)空間固化，停留時間仍不足2h，后置反硝化池負(fù)荷高、易堵塞；③2、3單元存在的問題甚至進一步惡化；④水質(zhì)達(dá)標(biāo)過多依賴一、二期共用的深度處理設(shè)施，因深度處理單元挖潛有限，達(dá)標(biāo)存在一定風(fēng)險。綜上，該項目最終確定采用方案②。
懸浮填料耦合斜板沉淀方案摒棄了原效能不高的污泥濃縮池和預(yù)缺氧池，拆除濃縮池兩側(cè)短邊隔墻并在5、6單元隔墻底部開孔，2、3、4、5單元及6單元中間區(qū)域徹底連通，形成一個通長的厭/缺氧可調(diào)區(qū)，總?cè)莘e相對MBBR方案增加了1790m3，且運行更為靈活。1、7單元完美嵌入一體化斜板沉淀后，水力負(fù)荷提高一倍，達(dá)到2m3（/m2·h）。沉淀池前端脫氣區(qū)利用中孔鼓風(fēng)曝氣形成紊流驅(qū)散氮氣，進一步提高了泥水分離效果；排泥采用鏈條式刮泥機，效果良好；斜板下方安裝自動氣洗裝置，可定時定期對斜板進行清洗，避免污泥黏附。為避免藻類滋生，斜板區(qū)加蓋遮陽棚，采用門式鋼架、一體化裝配式光伏屋頂，簡潔美觀。鋼架屋面單跨18m，坡度10°，凈空2.2m。光伏系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模為1.47MWp，4池共選用290Wp多晶硅組件5088塊，總面積8292m2，采用固定傾角安裝方式，角度同屋面。同時配套逆變器、匯流箱等附屬設(shè)施，采用分塊發(fā)電、就近并網(wǎng)方案，發(fā)電總量可達(dá)125×104kW·h/a。
5、技術(shù)特點
基于MSBR的懸浮填料耦合斜板沉淀系統(tǒng)具有如下技術(shù)優(yōu)勢：①出水水質(zhì)好，處理效能全面高效。系統(tǒng)具備除碳、硝化、脫氮及除磷的多重功能，出水水質(zhì)可達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。②鑲嵌式改造方式池體結(jié)構(gòu)利用率高，可實現(xiàn)原位擴容提標(biāo)，改造潛力大，可實施性強。改造方案維持了原MSBR池的一體化組團共壁結(jié)構(gòu)，流程簡潔、占地省，易于實施。③厭/缺氧區(qū)之間容積相互可調(diào)，運行靈活，脫氮效率高，對水質(zhì)適應(yīng)性強，出水總氮可降至10mg/L。④泥膜結(jié)合協(xié)同硝化，處理效果穩(wěn)定高效，抗沖擊負(fù)荷能力強，出水氨氮可實現(xiàn)≤1.5（3）mg/L的目標(biāo)。⑤一體化斜板沉淀泥水分離效果好，排泥順暢，有效解決了現(xiàn)有問題。⑥斜板沉淀池遮陽棚采用光伏屋頂，大力踐行綠色低碳理念，節(jié)能效果明顯。
6、改造后運行效果
2021年1月初，MSBR池1號池完成改造并通水試運行，之后陸續(xù)完成余下3池改造。2022年監(jiān)測期間，始終保持1號池滿負(fù)荷運行，實際出水水質(zhì)見表3。其他3池2月—3月為調(diào)試期，穩(wěn)定后出水水質(zhì)與1號池接近。全年監(jiān)測期間，1號池好氧區(qū)MLSS均值為3827.35mg/L，斜板沉淀池前端未加除磷藥劑時，沉淀池出水TP均值為0.36mg/L，90%累積率數(shù)值為0.70mg/L，剩余污泥含水率均值99.08%，SVI均值為104.06mL/g；TN僅有5d為10.2～11.6mg/L；SS有15d超過10mg/L，13～14mg/L僅出現(xiàn)3次，其他指標(biāo)均直接達(dá)到設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)。在未經(jīng)深度處理和投加除磷藥劑的情況下，斜板沉淀池出水即已基本達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，全流程則完全穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計排放標(biāo)準(zhǔn)。沉淀池進水端投加除磷藥劑后，出水SS、TP將愈發(fā)改善，可進一步減輕后端生物濾池和高效沉淀池的負(fù)荷。
7、工程投資及效益
利用懸浮填料耦合一體化斜板沉淀池原位改造MSBR，取得了較好的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，4池改造工程費用合計14399.89萬元，直接運行成本為0.65元/m3。本項目成功實現(xiàn)了MSBR池的原位擴容提標(biāo)，土地、現(xiàn)有設(shè)施利用率高，極大減少了對水體環(huán)境的污染。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、藥耗少、運行維護費用低，每年可減少污染物排放量：COD為1825t、TN為456t、氨氮為320t，乙酸鈉投加量為800t/a。分布式光伏發(fā)電于2022年7月投產(chǎn)，發(fā)電量月均值11.3×104kW·h，最高月為19.8×104kW·h，最低月為6.8×104kW·h，預(yù)計發(fā)電總量將達(dá)到125×104kW·h/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤450t。
8、結(jié)語
①懸浮填料耦合斜板沉淀系統(tǒng)具有除碳、硝化、脫氮及除磷的多重功能，高效穩(wěn)定，出水水質(zhì)好，是MSBR池實現(xiàn)原位同步擴容提標(biāo)的較佳途徑。
②鑲嵌式改造方式占地省，易于實施，對于一體化組團共壁結(jié)構(gòu)的二級生化系統(tǒng)改造具有較好的借鑒和示范意義。
③提標(biāo)改造工程應(yīng)注意優(yōu)先利用內(nèi)部碳源，功能分區(qū)應(yīng)能實現(xiàn)氮磷的強化去除，確保硝化充分，二級處理出水TN應(yīng)控制在約10mg/L，盡量少用或不用后置反硝化功能，以降低運行成本。
④平底結(jié)構(gòu)的沉淀單元采用邊側(cè)單點排泥效果不佳時，可改用底部機械排泥，效果較好。
⑤斜板/管沉淀池等構(gòu)筑物遮陽棚可采用一體化光伏屋頂，具有明顯的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。（來源：湖南省建筑設(shè)計院集團股份有限公司，湖南鑫遠(yuǎn)環(huán)境科技股份有限公司）
