西部高原某污水处理厂的MBBR改造效果分析

仵晓辉,刘 真,侯海明,李 娜,高小波,李志伟

(1.西宁市污水处理有限公司,青海西宁 810000;2.中国市政工程西北设计研究院有限公司第六设计院,甘肃兰州 730000;3.青岛思普润水处理股份有限公司,山东青岛 266000)

我国西部的高原地区山脉崎岖、沟壑纵横,生存环境较为恶劣,因此,人口偏少。这导致西部高原区域的发展进程明显落后于东部沿海地区。同时,高原地区水源短缺的情况也进一步阻碍了当地的持久发展,因此,如何强化水资源的保护,也成为了当地面临的重要问题。此外,高原地区由于海拔较高,水温较低,为其污水治理增加了难度和障碍。移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor,MBBR)源于20世纪90年代的挪威和瑞典[1-2]。该技术2008年被成功应用于无锡芦村污水处理厂,随后在国内污水处理厂提标改造中得以充分施展和使用[3]。该技术负荷高、占地省、抗冲击、耐低温、耐高盐,在实际工程当中优势尽显。目前,MBBR工艺在我国的应用主要集中于中东部平原、盆地和丘陵地区,其在西部高原地区应用的情况较少。

我国某西部污水处理厂地处青藏高原,为了提高当地水资源利用率,改善生态环境,选择MBBR工艺进行技术升级。本文对其应用效果进行介绍,并结合高通量测序,从微观角度阐述了其微生物的群落组成,以期为后续该类项目的实施提供借鉴。

1 项目概况

我国西部地区某高原污水处理项目分为原厂和扩建工程两部分,两者相邻而坐,位于同一厂区内。其中原厂建设规模为3.0万m3/d,出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的一级A污水排放标准。该项目2017年1月5日经由所在市环保局同意验收进入正式运行,其工艺流程主要包括:粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、初沉池、多级多段缺氧/好氧(AO)池、二沉池、除磷池和D型滤池等。

扩建工程位于原有厂区的西侧,新增污水处理能力3万m3/d,选择多段多级AO工艺,共9个构筑物及建筑物,设计出水水质依然为一级A标准。2019年3月完成进出口在线检测环保验收工作。扩建工程与原厂的预处理和生化工艺相一致,但扩建工程的深度处理工艺为高密度沉淀池和纤维转盘滤池,最终消毒出水。

为了进一步改善当地水环境,创造良好的营商氛围,强化水资源的回收利用,本项目的技术改造也提上日程。在进水水质与扩建工程相一致的情况下,需要将原厂和扩建工程的出水处理到优于一级A的标准(表1),尾水再排入到下游的中水厂进行最终处理。根据该污水处理厂的原有设计和长期运行情况,对本次技术改造的要求包括以下两点。

表1 改造后设计进出水水质

(1)生物池要求原池改造。需要在原池基础上,挖掘现存工艺的潜力,促成环境效益最大化。

(2)耐低温。由于该项目位于海拔2 200 m处,水温低于我国中东部地区。其全年最高水温低于18 ℃,冬季最低温低于10 ℃,因此,需要选择耐低温的工艺,以满足改造的需要。

鉴于以上两点,为了更好更快地完成技术改造任务,并使改造后工艺形式与原厂和扩建工程相融合,最终决定采用MBBR工艺对四级AO生物池进行升级改造,实现污水处理性能的升级。其改造思路如图1所示。原厂和扩建工程各有一座四级AO生物池,每座生物池分为两组,均采用四级进水的方式。本次采用MBBR工艺对污水处理厂进行提标升级,无需新建构筑物,无新增占地,也不改变原有构筑物状态和运行方式,因此,能够实现MBBR与现存工艺形式的有效结合。在二级好氧区中投加生物膜悬浮载体,配套MBBR区辅助穿孔曝气系统。该穿孔曝气所需的气源来自原有曝气体系。在MBBR区出水的位置增加悬浮载体拦截装置,用于拦截悬浮载体,防止其随水流流失。改造后原厂和扩建工程的工艺流程如图2所示。

图1 生物池改造

图2 改造后工艺流程

2 项目设计

2.1 预处理

原厂具备回转式粗格栅2台,栅条间隙为20 mm,并配备螺旋输送机1台。提升泵房共有3台提升泵,2备1用,单泵流量为906 m3/h。2台回转式细格栅,栅条间隙为6 mm,并配备螺旋输送压榨一体机1台。旋流沉砂池为钢筋混凝土结构,共有两台。初沉池采用半地下式钢筋混凝土结构,分为两组,单池尺寸为8.0 m×32.0 m×4.0 m,有效水深为3.5 m,设计停留时间为1 h。

原厂的粗格栅间和提升泵房是按照6万m3/d进行建设,因此,扩建工程并没有新增粗格栅间和提升泵房的占地,仅新增了3台提升泵,2用1备。新建细格栅间1座,栅条间隙为5 mm。新建旋流沉砂池2座,直径为3.05 m。扩建工程新建周进周出辐流式初沉池3座,池径为18 m,池边水深为4.0 m,每座初沉池配备直径为18 m的全桥式中心传动吸泥机1台。

2.2 生物池

原污水处理厂四级AO生物池1座,分为两组,单组的尺寸为60.6 m×29.4 m×6.5 m,有效水深为6.0 m,水力停留时间为14.0 h。其中厌氧段停留时间为2.0 h,缺氧段停留时间为4.0 h,好氧段停留时间为8.0 h。本次采用MBBR工艺对污水处理厂进行改造,可以保持系统原有构筑物状态和运行方式,不增加占地面积。在二级好氧区中投加生物膜悬浮载体,并配套安装MBBR区辅助穿孔曝气系统。在MBBR区出水的位置安装悬浮载体专用的拦截装置,将悬浮载体固定在特定的区域,防止其随着水流失。设计生化池内混合液质量浓度为5 000mg/L,BOD5污泥负荷为0.071 kg BOD5/(kg MLSS)。所用悬浮载体的有效比表面积为800 m2/m3,MBBR区域的悬浮载体填充率为35%。生物池之后接2座周进周出二沉池,池径为32 m,池边水深为4.0 m,每座二沉池配备直径为32 m的全桥式中心传动吸泥机1台。

扩建工程共有3座四级AO生物池。其中厌氧段的单组尺寸为28.7 m×4.35 m×7.4 m,有效水深为6.2 m,水力停留时间为1.6 h。缺氧段和好氧段的单组尺寸为28.7 m×38.15 m×7.2 m,有效水深为6.2 m,水力停留时间为16.3 h。其MBBR技术改造思路与原厂一致。扩建工程共有3座周进周出二沉池,池径为28 m,池边水深为4.0 m,每座二沉池配备直径为28 m的全桥式中心传动吸泥机1台。

2.3 深度处理

原厂的深度处理工艺包括化学除磷池和D型滤池。其中化学除磷池的尺寸为17.8 m×29.5 m×5.8 m,共设有9台搅拌器。在化学除磷池之后设置D型滤池,尺寸为27 m×20 m×5.4 m,反冲洗设备间尺寸为6 m×5 m×3 m。

扩建工程的深度处理单元包括高密度沉淀池和纤维转盘滤池。高密度沉淀池包含快速混合池、絮凝反应池、浓缩池3部分。快速混合池1座,容积为178.2 m3;絮凝反应池2座,单池容积为172.8 m3;浓缩池2座,尺寸为10.0 m×10.0 m,上部设置斜管分离区。纤维过滤池1座,内设滤布转盘及中心管一套,直径为3 m,池体尺寸为10.5 m×6.5 m×4.7 m。

3 运行效果分析

原厂和扩建工程的MBBR改造始于2020年,2021年4月完成。对稳定运行阶段(2021年5月—2022年4月)的进出水数据进行分析(图3)。该项目全年最高的水温不超过20 ℃。进入12月之后,其水温逐步降低,最低温度低于10 ℃。在此情境下,其出水稳定达到设计标准。以2022年2月为例,在原厂进水CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS、TP的质量浓度分别为(152.2±40.4)、(57.2±23.7)、(12.7±1.1)、(14.5±1.2)、(73.1±24.9)、(1.48±0.34)mg/L的情况下,出水的质量浓度分别为(30.8±7.6)、(2.6±0.8)、(0.9±0.3)、(4.2±1.1)、(3.5±0.5)、(0.33±0.05)mg/L。在此时期,扩建工程进水CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS和TP的质量浓度分别为(226.8±78.4)、(45.0±22.9)、(14.3±1.7)、(17.5±3.1)、(110.6±42.6)、(2.62±0.78)mg/L,出水的质量浓度分别降至(28.9±7.2)、(1.9±0.8)、(1.2±0.4)、(8.9±2.2)、(3.2±0.6)、(0.34±0.07)mg/L。上述结果表明,MBBR具备对较低温度的适应性。事实上,我国西部高原地区,低温是常见性的问题。本项目的平稳运行,也为后期西部寒冷地区MBBR的工艺推广提供了借鉴意义。

4 悬浮载体性能评价

由于本项目采用MBBR工艺进行改造,需要对悬浮载体和活性污泥的CODCr和氨氮去除性能进行测定,以判定悬浮载体在项目中产生的效果,分析泥膜共存的MBBR系统中污泥和生物膜的功能化差异,为高原地区此类工程项目的应用提供可行性的借鉴。本次生物池改造,悬浮载体均投加在二级好氧区,因此,取原厂和扩建工程的悬浮载体进行小试,并将两个厂的活性污泥进行等量混合后进行活性污泥小试,测定小试过程中CODCr和氨氮的浓度变化。在本项目中,悬浮载体挂膜后,均呈现黑色(图4),且原厂和扩建项目的悬浮载体挂膜效果基本一致。

图4 悬浮载体

本小试的温度为8～9 ℃。如图5(a)所示,3组试验中CODCr的浓度均先快速下降,随后下降的趋势逐步减缓,该结果可能源于试验初期微生物对CODCr的快速吸附。活性污泥试验组的CODCr下降速度高于悬浮载体试验组,表明活性污泥对有机物的去除能力强于悬浮载体。如图5(b)所示,针对活性污泥、原厂悬浮载体和扩建工程悬浮载体,随着反应时间由0增加至120 min,氨氮质量浓度分别由11.5、11.7、11.8mg/L降低至8.2、7.9、7.8mg/L。悬浮载体对氨氮的去除量高于活性污泥,表明悬浮载体的硝化性能强于活性污泥。上述结果为高原地区MBBR工艺的设计提供了借鉴,具有一定实践性意义。事实上,在泥膜共存的MBBR系统当中,有机物的去除往往更多地由活性污泥承担,氨氮的去除则更多地由悬浮载体承担。究其原因,是悬浮载体对硝化菌的富集能力强于活性污泥,使得悬浮载体硝化能力强于活性污泥[4]。

图5 硝化小试结果

5 微生物群落分析

活性污泥和生物膜中独有和共存的分类操作单元(operational taxonomic unit,OTU)数目如图6所示。活性污泥和生物膜中OTU共计1 387个,其中3组样品中共有的OTU数目为746个,占总数的53.8%。共有的OTU中Actinobacteriota(放线菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Patescibacteria(髌骨菌门)、Bacteroidota(拟杆菌门)、Acidobacteriota(酸杆菌门)和Nitrospirota(硝化螺旋菌门)的相对丰度分别为34.8%、16.9%、12.9%、12.2%、8.7%、5.7%、4.3%和2.1%。活性污泥、原厂悬浮载体、扩建工程的悬浮载体上独有的OTU分别为128、90、95个,仅占OTU总数的9.2%、6.5%、6.8%,表明独有OTU并非引起三者功能差异的根本原因。

图6 活性污泥和生物膜上微生物群落

对门水平上的菌群差异进行分析(图7)。活性污泥和悬浮载体中丰度最高的两种微生物均为Actinobacteriota和Proteobacteria。在活性污泥、原厂和扩建工程悬浮载体上,Actinobacteriota的相对丰度分别为35.6%、32.7%和36.1%,Proteobacteria的相对丰度分别为16.4%、15.8%、18.6%。Bacteroidota在活性污泥中的相对丰度为10.5%,显著高于悬浮载体(3.5%和3.6%)。Firmicutes在活性污泥中的相对丰度略高于悬浮载体;而对于Chloroflexi则呈现相反的结果。Nitrospirota在活性污泥中的相对丰度仅为0.7%,低于其在原厂和扩建工程悬浮载体上的相对丰度(1.8%和3.6%),这从门水平上表明了悬浮载体在富集硝化微生物方面的优势。

图7 门水平物种相对丰度

为了深入地分析系统性能与功能微生物的关系,对属水平上的生物组成进行研究(图8)。Nitrospira(硝化螺菌属)兼备氨氧化和亚硝酸盐氧化的功能,可以将氨氮转化为硝酸盐,特别适合在低基质条件下生长[5]。Nitrosomonas(亚硝化单胞菌)和Nitrolancea分别具备氨氮氧化功能和亚硝酸盐氮氧化功能[2]。在活性污泥、原厂和扩建工程悬浮载体之中,Nitrospira的相对丰度分别为0.70%、1.83%和3.61%,Nitrosomonas的相对丰度分别为0.37%、0.11%和0.67%,Nitrolancea的相对丰度则分别为0.99%、7.07%和4.78%。上述3种微生物在活性污泥中的相对丰度之和(2.06%)低于悬浮载体(9.01%和9.06%)。该结果与硝化小试中氨氮去除性能的差异相一致,表明悬浮载体和活性污泥在微生物富集方面的不同,最终影响了两者在泥膜MBBR系统中的功能。相比于活性污泥,悬浮载体对硝化微生物的富集效果优势明显,这也是在本项目水温偏低的情况下,悬浮载体的硝化性能强于活性污泥的原因。悬浮载体对硝化菌属的有效富集,是其强化系统硝化性能的微生物学基础,也是MBBR工艺处理低温废水的优势所在。即使在冬季温度极低时,悬浮载体能够有效截留硝化菌属,为系统兜底,保障了系统的稳定运行。

图8 属水平物种相对丰度

Trichococcus(束毛球菌属)与活性污泥的沉降性有关[6],其在活性污泥中的相对丰度为11.48%,高于悬浮载体上的相对丰度(7.83%和6.30%)。Candidatus_Microthrix和Tetrasphaera均与生物除磷有关[7-8],其在活性污泥中的相对丰度之和为12.05%,高于原厂和扩建工程悬浮载体上的相对丰度之和(6.83%和7.34%),表明上述两种菌属在污泥中的富集性强于生物膜。在实际MBBR工程当中,生物膜的污泥龄长于活性污泥,因此,更利于长泥龄硝化菌属的繁衍,这是悬浮载体硝化菌的相对丰度高于活性污泥的原因[2]。与之相反,污泥则更易于富集短泥龄的聚磷菌属。Rhodobacter、Terrimonas、Ferruginibacter、Defluviimonas是污水生化工艺中数量较多的反硝化菌属[9-12]。在活性污泥中,上述4种反硝化菌属的相对丰度之和为7.15%,高于原厂和扩建工程的悬浮载体(2.51%和3.64%),表明反硝化菌的富集以活性污泥为主。反硝化菌属的存在,为该工程反硝化脱氮提供了微生物学的保障。

6 经济分析

本项目采用MBBR和四级AO工艺相结合进行原池改造,土建少、无新增占地面积,是高原地区高效节地型工艺的典范。

原厂的电耗为0.495 kW·h/m3,按电价0.6元/(kW·h)计,运行电费为0.297元/m3。聚合氯化铝(PAC)用于除磷,费用总计为0.024元/m3。聚丙烯酰胺(PAM)用于污泥脱水,费用总计为0.026元/m3。扩建工程的电耗为0.426 kW·h/m3,按电价0.6元/(kW·h)计,运行电费约为0.256元/m3。扩建工程的PAC和PAM费用分别为0.023元/m3和0.026元/m3。

综合能耗和药耗,原厂的污水处理项目直接运行费用为0.347元/m3;扩建工程的直接运行费用为0.305元/m3。合并计算后,两厂直接运行成本为0.335元/m3。上述两厂的吨水污泥处置费用约为0.136元/m3。本次MBBR工艺进行改造后,最终运行费用为0.471元/m3。

7 结语

(1)西部地区某污水处理厂中原厂和扩建工程改造同时运行,生化池均为四级AO工艺,以MBBR技术进行提标改造后,即使在水温低于10 ℃时,出水能够稳定达到设计标准,证明了MBBR工艺在高原地区应用的可行性。

(2)悬浮载体上硝化菌属(Nitrospirota、Nitrosomonas、Nitrolancea)的相对丰度高于活性污泥,使悬浮载体的硝化性能强于活性污泥,从微生物学的角度强化系统的性能,充分证明了MBBR工艺处理低温废水的优势和可靠性。这为后续高原地区MBBR工艺的设计提供了一定的借鉴。

(3)该项目改造后,原厂和扩建工程的直接运行成本为0.335元/m3,污泥处置费用约为0.136元/m3,合计运行费用为0.471元/m3,且处理效果稳定,从而为今后高原地区MBBR工艺的推广与应用提供了技术指导和实践支撑。