MBBR+磁混凝沉淀在污水处理厂提标改造中的应用

汪凡 1 李心雨 2

中国市政工程中南设计研究总院有限公司 515041

摘要：汕头市北轴污水处理厂现状设计规模为12万m³/d，设计出水水质采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2008中二级标准，为实现政府要求的节能减排目标，采用“MBBR+磁混凝沉淀”工艺对污水处理厂进行提标改造，改造后出水稳定达到广东省地方标准《水污染物排放限值》（DB44/26-2001）第二时段一级标准和国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准中的较严值。

关键池：污水处理厂；提标改造；MBBR；磁混凝沉淀

1、工程概况

汕头市北轴污水处理厂用地面积90亩。于2010年建成投产。工艺流程为：进水→粗格栅→进水泵房→细格栅→沉砂池→A²/O生化池→二沉池→消毒池→尾水排放。该项目于2018年底启动提标改造，2019年底逐步投产运行。

项目原设计进出水水质如下：

表1 原设计进出水水质一览表 （单位mg/L）

目前实际出水基本能达到一级B标准。但随着各级政府对水环境的重视，同时配套污水管网的完善，实际进水水质浓度将进一步上升，污水处理厂面临着提标改造的问题。本项目提标进水水质按原设计，出水水质要求达到国标一级A标准和广东地标第二时段一级标准的较严值。

2、现状进出水水质分析

分析污水处理厂2017年~2018年进水水质数据可知：COD进水范围205~300mg/L，出水范围20~34 mg/L，BOD₅进水范围98~140 mg/L，出水范围10~17 mg/L，SS进水范围82~141 mg/L，出水范围8~28 mg/L，TN进水范围12.1~45.9 mg/L，出水范围3.0~21.5 mg/L，TP进水范围2.4~4.3 mg/L，出水范围0.2~1.4mg/L，NH₃-N进水范围5.2~30.3 mg/L，出水范围0.2~19.6mg/L。各项指标按一级A标准的达标率分别为：COD为100%，BOD₅为99%，SS为7.9%，TN为95.1%，TP为78.1%，NH₃-N为86%。为确保改造后水质全面达标，提标重点指标为TN、NH₃-N、TP和SS，次重点为COD和BOD₅。分析上述水质指标，BOD₅/COD平均值为0.45>0.3，BOD₅/TN平均值为6.63>4，BOD₅/TP平均值为37.11>17，说明进水可生化性好，脱氮除磷碳源充足，且适合生物除磷。

虽然目前COD出水水质达到了一级A标准，BOD₅、TN、NH₃-N等指标的达标率均超过了80%，但进水并未达到设计负荷，TN和NH₃-N不能100%达标，说明硝化/反硝化过程并不充分，提标工艺应考虑对二级处理工艺进行强化处理，保证稳定达标的同时，可应对将来进水水质进一步提升。对于TP和 SS，仅靠二级处理工艺很难达到一级A标准，需要增加化学除磷措施和深度处理工艺，确保稳定达标。

3、主体工艺选择

本项目无法另行征地，且现状设施布置整齐紧凑，红线内也没有较大空地用于提标设施的建设，用地特别紧张，故主体工艺选择时优先考虑占地小，负荷高的紧凑型工艺；平面布局时，充分利用现状分散的小块空地，优化调整现状平面布置。

3.1 强化二级处理工艺选择

在池体无法扩容条件下，通常是通过提高生化池的容积（污泥）负荷来提高处理效率。一般可选择MBR工艺或MBBR工艺。对比两种工艺，本项目最终选择MBBR工艺进行二级强化处理，主要基于以下两点考虑：

1、MBR工艺建设经营成本较高，运行管理相对繁琐。虽然工艺单元少，具备占地小，改造少的优点，但是建设投资比完整的“MBBR改造+深度处理工艺”还高；日常膜清洗维护繁琐，膜更换成本高。

2、MBR工艺对TP的处理不理想。本项目进水含有大量工业废水，进水TP指标波动较大，如采用MBR工艺，为保证TP的去除率，需在生化系统投加PAC进行辅助化学除磷， PAC将对MBR膜产生不可逆污染。

3.2 深度处理工艺选择

由于采用MBBR工艺强化二级处理，来解决COD、BOD₅、TN和NH₃-N的问题，故针对TP和SS需增加深度处理工艺。根据不同的出水水质要求，一般城镇污水处理厂二级处理出水后设置“混凝+沉淀+过滤”，最后配合消毒工艺，保证出水达标。本项目由于用地限制，传统的网格絮凝斜管/斜板沉淀池，折板絮凝平流池等池型均不适用，应选择负荷高，占地小的高效混凝沉淀工艺，为了在有限的用地内尽可能提高处理效果，本项目选择采用磁粉作为外加介质，在污泥循环加载型沉淀技术的基础上投加磁粉，作为沉淀析出晶核，使水中胶体颗粒与磁粉颗粒更容易碰撞脱稳而形成絮体，提高了悬浮物的去除效率。相对于投加介质砂，投加磁粉产生的絮体比重大，易沉淀，表面负荷高，可达20~40m³/（m².h），且磁粉回收率高，投加药剂量小，对污水中的SS和TP具有非常优异的去除效果，后续可不再设置过滤设施。

4、主体工艺设计方案

4.1 提标改造工艺流程

对原A²/O生化池进行MBBR改造，并在原二沉池出水后设置中间提升泵房，污水提升进入磁混凝沉淀池处理，尾水经接触消毒后排放，提标工艺流程如下图所示：

图1 提标改造工艺流程图

4.2 生化池MBBR改造

本项目生化池共4座，厌氧池容积6500m³，停留时间1.3h，缺氧池容积8000m³，停留时间1.6h，好氧池容积40500m³，停留时间8.1h。总的停留时间为11h，生化池停留时间和缺氧池容积均偏小，难以满足水量水质提高后的要求。改造考虑分割一部分好氧池容积作为缺氧池，优先满足反硝化脱氮所需池容，剩余池容作为好氧区，在好氧区中分割出MBBR区，投加悬浮填料，强化好氧有机物氧化和氨氮硝化去除效果。设置进出水拦截筛网，保证填料良好流化且不随水流失。

改造后，厌氧池容积6500m³，停留时间1.3h，缺氧池容积15429m³，停留时间3.1h，好氧池容积33071m³，停留时间6.6h。MLSS为4g/L，污泥回流比50~100%，内回流比100~300%，气水比5：1。生化池改造前后的功能区划分如下：

图2 原设计生化池功能划分

图3 提标改造生化池功能划分

改造后，更换膜管式微孔曝气器共计3800个（Q=8m³/个.h）。拆除原好氧池24台推流器，重新在后好氧池安装12台，在新增缺氧池另新增4台。（叶轮直径∅2500，功率N=3.5kW）。调整原12台淹没式循环泵安装位置。在MBBR区投加填料，规格为∅25×10，采用PE材质，4组MBBR池投加填料的总有效膜面积为1.0416×10⁶m²，有效比表面积大于800m²/m³，填充率约8%。MBBR池进出水端设置进出水拦截系统，确保填料流化不流失。

4.3 新建磁混凝沉淀池

新建磁混凝沉淀池尺寸30.1×30.7m。分2组，每组设3个反应池、1个澄淀池、1套磁粉回流回收系统。反应池包括快混池：3.2x3.2x6m，HRT为44s，磁混池：3.2x3.2x6m，HRT为44s，絮凝池：4.5x4.5x6m，HRT为87s，配套搅拌机，变频控制。沉淀池采用上方下圆单泥斗形式，并附设配套刮泥机，内径13m，平均表面负荷19.93m³/h，峰值表面负荷约25.91m³/h。一部分污泥直接回流到磁混池，可大幅减少药剂用量，另一部分剩余污泥经过磁粉回收后排至剩余污泥脱水系统。共设置回流污泥泵3台（2用1备），流量165m³/h，扬程8m，功率11kW，变频控制，剩余污泥泵3台（2用1备），流量30m³/h，扬程8m，功率5.5kW，变频控制。磁粉回收系统包括高剪机和磁分离机，流量30m³/h。高剪机将磁粉与污泥的混合絮体打散，使磁粉通过磁分离机回收，返回混凝反应池，经过磁粉回收后的剩余污泥至污泥脱水系统处理后外运处置。

4.4 其它新建设施

本项目在二级出水后增设中间提升泵房1座，由于提升扬程较小，选用大流量低扬程的轴流泵进行提升。为调节进水泵房和中间提升泵房的流量差，泵房设置了一定的调节容积，同时设置溢流措施，避免停电等突发状况导致污水溢流事故。

因用地限制，本项目将原机修间和仓库拆除，作为深度处理设施用地，在厂区北侧空地还建了机修间和仓库。同时新建了1座加药间和液体矾库，作为PAC和PAM的药剂制备投加间。

5、工艺改造技术总结

（1）对填料的要求：一般要求载体寿命应在15年以上，故应选用纯料HDPE，不添加炭黑或其它染料，具备良好的抗压、抗磨损、耐老化性能。填料的比表面积是关键设计参数，应结合填料的表面负荷、填充率、流化和提量余地综合考虑。

（2）MBBR池型选择和流化系统设计，是系统运行稳定的关键，应结合工程实例，确保填料均匀流化，避免在出水拦截网处堆积，导致出水水头损失增大，甚至破坏拦截网。本工程没有选择循环流动池型，主要考虑到需要投加填料不多，在整个好氧池内投加填料，填充率过低，且现有推流器需更换为填料专用型，不能利旧。通过对微动力池进出水流态、曝气、池型的综合设计，实现填料的流化，省去了推流器，进一步节能和节约投资。

（3）磁混凝沉淀池的工艺关键点，在于对混合絮凝过程的强化，由于各阶段反应时间非常短，远低于常规混合絮凝工艺，故对混合絮凝进程有更高的要求。搅拌设备应选用高效的推进行搅拌器，桨叶的推进方向、直径、安装高度、进出水孔洞的尺寸和位置、反应池的倒角处理、是否设置翼板、搅拌机的功率等，需根据不同搅拌器厂家的要求，结合反应池的尺寸参数，通过水力模型综合确定，最终应确保投加的药剂和絮体在反应池内至少处于“离底悬浮”状态，才能在短时间内高效的完成混合絮凝反应。

（4）磁混凝沉淀池的污泥回流和磁分离系统，是该工艺稳定运行的关键。由于污泥含有磁粉，密度大，回流泵应选用渣浆泵，管路应选用耐磨损的塑料材质。二级出水后应设置细格柵，避免较小的杂物随沉淀污泥进入污泥管道，导致回流泵堵塞。磁分离系统的优劣，决定了磁粉回收的效率，直接影响了运行成本。过多磁粉随剩余污泥进入污泥脱水系统，还会影响污泥脱水系统的运行稳定。

6、改造运行效果

本项目完成改造后，已稳定运行1年，下表为2020年度的进出水水质数据。

表2 2020年度进出水水质一览表 （单位mg/L）

对比2017~2018年的数据，TN、NH₃-N、TP和SS进水浓度均有一定的升高，出水COD、BOD₅、SS、TP和NH₃-N有明显的降低。其中SS、TP进水达到或超过了进水设计标准，出水优良，体现了磁混凝沉淀工艺的优势。由于采用了微动力池型，气水比较原运行值有所提高，降低了出水NH₃-N，COD和BOD₅出水指标降低，体现了MBBR改造的效果，TN降低不明显，说明MBBR工艺的反硝化进程尚未充分，有待后续进一步优化运行参数，提高去除效果。

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