随着城区经济和城市建设的发展，对污水厂排放区域水质及其周边环境的影响越来越重视，对污水厂尾水排放标准也提出了更高的要求。与排放标准越来越严格相对应的则是处理水量不断增加，水质也越来越复杂。工业废水中一般存在一些抑制硝化菌生长的物质如游离氨(freeammonia，FA)、锌、铜、铅等重金属及氰化物等，这些抑制性物质严重影响废水中氨氮的去除。同时，由于其成分复杂、水质水量波动性较大等特点，使用传统的活性污泥工艺很难达到理想的去除效果。对于排放标准越来越严格的污水厂，需要选择合适的工艺进行升级改造。
移动床生物膜反应器(movingbedbioflimreactor，MBBR)是一种将生物膜法与活性污泥相结合的高效污水处理工艺，具有占地省、生物膜耐受力强、运行效果稳定、抗冲击能力强等特点。目前，国内已对MBBR工艺进行了多项试验性研究，已成功应用于生活污水和工业废水的处理，并取得了较好的效果，对于印染废水、含油废水、石化废水等工业废水也有成功改造的案例。本文以浙江某工业废水污水厂升级改造为例，分析了“MBBR+磁混凝”组合工艺用于工业废水的提标改造过程，为工业废水的提标提量提供了设计和改造思路。
一、项目概况
浙江省某污水处理厂，原处理水量为3万m3/d，生化段采用分点进水AAO工艺，具备脱氮除磷能力，尾水通过加氯消毒后排放，剩余污泥经脱水后统一运送至电厂干化焚烧。原出水COD、SS执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)二级标准，NH3-N、TN和TP执行一级B标准。近年来，随着城区经济和城市建设发展的加快，对于水质水量都有了更高的要求，故亟需在原污水厂基础上进行提标提量升级改造，改造后污水厂处理量由3万m3/d提升至4万m3/d，出水水质全部达到一级A标准。
该污水厂服务范围内有大量工业企业，企业采用“企业预处理+纳管集中处理排放”为主的工业废水治理模式，其生产废水经过各自预处理后排入污水处理厂进行终端处理。升级改造前实际处理量约为2.8万m3/d，其中70%为工业废水。工业废水的种类主要有印染废水、纺织废水、化工废水等，印染纺织废水水量约为1.2万m3/d，CODCr浓度为600~1200mg/L，SS浓度约为600mg/L，色度为400倍，化工废水水量约为0.8万m3/d，CODCr浓度约为15000mg/L，经预处理后达到150mg/L，生活污水水量约为0.5~0.8万m3/d。污水中COD、SS含量较高，NH3-N、TN和TP含量较低。
改造后新增部分工业预处理废水，废水来源为污水厂服务范围内的两家纺织厂和两家印染厂，纺织废水水量约为5700m3/d，印染废水水量约为2700m3/d，新增工业废水经集中预处理后排入污水厂，预处理后出水水质和污水厂原进水水质相当。
升级改造设计进出水水质如表1所示。
二、技术路线与设计方案
2.1 改造难点
升级改造面临的主要问题有以下两点。
(1)提标+提量。
增加1万m3/d工业污水，部分指标从二级直接提升至一级A，升级改造难度大。
(2)原工艺抗冲击能力弱。
进水以工业废水为主，水质波动较大，进水CODCr浓度最高为550mg/L，TN浓度为53.7mg/L，进水水质冲击负荷增大时，出水COD、TN浓度迅速升高，不能稳定达标，抗冲击性能较差。
(3)无扩建用地。
厂内用地已饱和，无生化池扩建用地，需充分挖掘现有生化池处理能力。
2.2 工艺方案确定原则
针对现状工艺处理效果，工艺方案确定时遵循以下原则。
(1)根据进水水质特点，针对现状工程处理能力的不足，以及出水水质要求的提高，结合工程的实际需要，采用抗冲击负荷能力强，且具有强化脱氮除磷效果的生化处理工艺，提高水质达标的稳定性和可靠性。
(2)结合厂区用地特点，深度处理采用技术先进、效果可靠、占地较省的处理工艺，保证出水经深度处理后达标排放。
(3)全厂污水、污泥处理工艺力求技术成熟先进、稳定可靠、操作、管理方便、节省投资、运营成本低。
2.3 工艺方案确认
本次污水厂升级改造工程分析设计进、出水水质指标以及现状污水厂进、出水水质指标，污水厂实际进水水质浓度偏低，但是水质波动较大，活性污泥处理工艺抗冲击性能弱。由于排放标准的提高，现状处理工艺已不能稳定达标，而单纯依靠增加深度处理工艺去除现状二级出水污染物的成本较高。因此，将现状二级处理中AAO工艺嵌入MBBR调整为AAO-MBBR工艺。向生化池投加悬浮载体，载体上丰富的生物菌群类型增加了对难降解有机物的处理性能，生物膜的污泥龄长，适宜硝化菌的生长，硝化菌含量高，NH3-N去除效果显著。污水厂工业废水占比高，且以纺织印染废水为主，处理难度大，二级处理出水除NH3-N和TN外，仍难稳定达到一级A标准，出水中的COD、TP需进一步进行深度处理。考虑到厂里用地紧张、水质复杂，以及脱氮除磷方面的综合考虑，选择磁混凝作为深度处理工艺。磁混凝适用于进水水质复杂、脱氮除磷要求高、用地紧张的污水厂项目，通过向反应器内投加磁粉强化混凝及絮凝效果，可以进一步降低出水不溶性COD及TP水平。经过论证后，确定本次提标工程的技术路线为“AAO-MBBR+磁混凝+紫外线/次氯酸钠消毒”。
(1)生化池改造方案
生化段原有厌氧区和缺氧区保持不变，好氧区呈S型分布的3个廊道中，在前两个廊道投加悬浮载体，填充率为11%，为防止悬浮载体在好氧池末端堆积，在每个廊道末尾设置拦截筛网，对悬浮载体进行持留，悬浮载体型号为SPR-Ⅱ型，直径为(25±0.5)mm，高为(10±1)mm，挂膜后比重与水接近，有效比表面积大于620m2/m3，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体》(CJ/T461—2014)行业标准，好氧MBBR区域采用微动力混合池型，通过在生化池底部合理布置曝气管、设置进水渠降低断面流速的手段，在无需推流器的情况下，实现悬浮载体在好氧区内的均匀流化。该池型具有水力条件好、无水力死角等优势。采用微动力混合池型可节省6台专用推流器，以及每年30万元的电费，大大降低了投资和运行费用。采取逐池改造的方式，不影响污水厂的正常运行，实现了原池改造。
(2)增设磁混凝澄清池，进一步去除污水中的不溶性COD、TP
磁混凝澄清池尺寸为32.9m×12.3m，占地约为400m2，共分为2座，总停留时间约40min。二沉池出水经提升后进入磁混凝澄清池，依次投加混凝剂PAC、磁粉和助凝剂PAM，PAC投加量为55mg/L，PAM投加量为1.33mg/L，磁粉投加量为2.5mg/L。反应生成比重较大的含磁粉絮体颗粒，然后进入磁分离池，通过磁辊进行泥水分离，经磁辊吸附的含磁污泥经高剪切机，实现磁粉和污泥的分离，并进入磁鼓进行磁粉回收，回收的磁粉再回流至絮凝池前继续参与反应，剩余污泥则进入后续污泥处理系统。
(3)现状二氧化氯消毒更改为“紫外线消毒+次氯酸钠消毒”
由于现状厂区构筑物布置紧凑，增设深度处理工艺后需增加深度处理构筑物。为保证工艺流程的顺畅，本次设计将二氧化氯消毒池拆除调整为次氯酸钠加药间，在消毒池位置设置紫外线消毒渠，同时根据实际出水状况补加次氯酸钠消毒，次氯酸钠投加量为25mg/L。
改造后工艺流程如图1所示。
三、改造后运行效果分析
本次升级改造工程于2018年8月中旬完成，水量达到设计值4万m3/d条件下，所投加的悬浮载体完成挂膜。分析2019年1月1日—2019年6月25日共计176d的进出水水质数据(包含整个冬季运行阶段)，结果如表2所示。
使用MBBR工艺改造后，强化了原池处理能力。NH3-N处理负荷力从0.029kgNH3/(m3•d)增加至0.036kgNH3/(m3•d)，增大了24%。MBBR工艺属长泥龄，有利于硝化菌群富集，且通过水力剪切的作用，保障悬浮载体上的硝化菌一直处于较高的活性。生化池出水TP浓度为(0.35±0.083)mg/L，已经达到一级A标准，通过磁混凝工艺进一步保障了TP的达标。
沿程分析发现，好氧MBBR区发生了明显的同步硝化反硝化(simultaneousnitrificationanddenitrification，SND)现象，TN去除率为22.44%，TN去除贡献率达到35.01%。生物膜上典型的缺/好氧微环境，以及对功能微生物的富集作用，促进了同步硝化反硝化作用的进行，使得在好氧区仍有TN的进一步去除，也大大降低了碳源的投加费用，故对于进水基质浓度不高的污水厂，甚至可完全节约外投碳源，使得MBBR除了在池容做到深度挖潜外，真正实现了基质利用上的深度挖潜，应用前景广阔。对众多使用MBBR的污水厂进行调研，发现在好氧填料区均存在显著的SND现象，TN去除量在3~8mg/L，且基质浓度较高的污水厂，SND效果更佳显著。
四、改造前后经济指标分析
该工程总投资为9747万元，其中工程费用为7659万元。如表3所示，改造前吨水处理费用为0.491元/m3，改造后吨水处理费用为0.584元/m3，与改造前相比，增加了0.093元/m3。改造后混凝剂投加量减少，但是增加了磁粉的消耗，故总的吨水药剂投加费用基本不变，均为0.10~0.11元/m3，改造前污泥处理量均值为20t/d，污泥处理成本为272元/t，改造后污泥处理量为25t/d，处理成本为303元/t，吨水污泥处理费用由0.173元/m3增加至0.202元/m3，改造前吨水电费为0.214元/m3，改造后增加至0.282元/m3，其原因为磁混凝工艺的增加使得吨水电耗有所提高。
改造前出水水质执行二级标准，运行平均能耗为0.279kW•h/m3，改造后出水水质执行一级A标准，运行平均能耗为0.322kW•h/m3，与改造前相比，增加了0.043kW•h/m3。由于改造后新增4台二次提升泵且磁混凝池也需搅拌，该部分增加电耗为0.053kW•h/m3，生化池能耗变化不大且出水水质得到了提高。
五、MBBR微生物分析
为进一步探究悬浮载体的作用，对该污水厂投加的悬浮载体和活性污泥进行了高通量测序分析，结果如图2所示。
图2中MBBR-1和MBBR-2为生化池不同区域的悬浮载体，污泥为生化池活性污泥。各部分的主要菌种及相对丰度如表4所示。
系统中的优势硝化菌群为Nitrospira(Comammox)，其在悬浮载体中的相对丰度分别为3.90%、7.33%，在污泥中相对丰度为0.75%。对悬浮载体生物膜和好氧污泥进行MLVSS测定，由表5核算得出，系统中69.8%的硝化菌来自悬浮载体，30.2%来源于污泥，表明在硝化过程中，悬浮载体起到了重要的作用。
此外，在悬浮载体中也检测出反硝化菌，如Ferruginibacter、Hyphomicrobium等，反硝化菌在悬浮载体和污泥中的相对丰度分别为4.05%、2.31%和3.65%。在MBBR-2区的悬浮载体上发现了大量Acinetobacter，相对丰度为27.18%，该菌种属于不动杆菌，也具有反硝化作用。反硝化菌群在填料上存在，从微观上提供了好氧区填料上发生SND的证据。
六、结论
使用“MBBR+磁混凝”工艺对工业废水进行原池提标提量升级改造，充分利用了现有空地，投资运行成本低，改造周期短，运行高效稳定。改造后水量增加至4万m3/d，出水COD、NH3-N、TP、TN均值分别为(30.52±5.73)、(0.90±0.92)、(0.09±0.075)、(8.26±2.55)mg/L，稳定达到一级A标准。改造前后生化池能耗不变，处理负荷提升，且抗冲击性能更好，吨水处理费用由0.491元/m3增加至0.584元/m3，适用于工业废水提标提量升级改造。(来源：宁波北仑岩东水务有限公司，青岛思普润水处理股份有限公司)
