第一章 提标改造工艺

一.1 典型填料工艺简介

一.1.1 MBBR工艺

移动床生物膜工艺（MovingBedBiofilmReactor，MBBR），是目前国际上成熟的污水生化处理技术。自1989年第一套生物移动床工艺装置建成以来，已在50多个国家建成了数千套市政和工业废(污)水处理设施，取得了良好的效果。该工艺以悬浮填料为微生物提供生长载体，通过悬浮填料的充分流化，实现污水的高效处理。该工艺充分汲取了生物接触氧化及生物流化床的优点，克服了其传质效率低、处理效率差、流化动力高等缺点，运用生物膜法的基本原理，充分利用了活性污泥法的优点，实现生物膜工艺的活性污泥方式运行。MBBR工艺，按微生物存在形式划分，分为悬浮填料工艺（MBBR）及活性污泥-悬浮填料复合工艺。

技术关键在于研发比重接近于水，轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料，且生物填料具有有效表面积大、适合微生物附着生长等特点，填料的结构以具有受保护的可供微生物生长的内表面积为特征。

MBBR工艺特点

一、容积负荷高，节约占地

二、可同步强化脱氮除磷

三、抗冲击负荷能力强，恶劣水质条件下仍表现较好处理效果

四、无活性污泥工艺易污泥膨胀等问题

五、污泥产量较低，节约污泥处置费用

六、系统寿命长

七、适用于污水处理厂升级改造及立体扩容

    MBBR工艺技术能够直接投放填料，但是需要停水对出水口进行改造，影响出水水头损失。严重时，将会对后续工艺造成影响，使水流不畅。且工程造价高，不适合本项目改造。

一.1.2 IFAS工艺

生物膜/活性污泥组合工艺（IFAS，integrated fixed-film activated sludge process），是将生物膜和悬浮生长的活性污泥合并在一起的工艺。该工艺已在美国、欧洲等地得到广泛应用。

IFAS工艺设计初衷是在原有活性污泥反应器内增加额外的生物量，以提高系统的处理能力。IFAS工艺中使用的载体填料能够使有效MLSS的浓度翻倍，因为载体上的生物量不增加活性污泥的混合液浓度，因此，下游沉淀池的性能并不会受到反应器内固体负荷增加的负面影响。

IFAS工艺专用于既有污水处理厂必须去除营养物质时的升级改造。IFAS工艺中的载体以及上面的生物量使好氧处理能够在更小额空间内完成，且因为生物膜的作用，在好氧区内增加了部分缺氧环境，使同步硝化反硝化（SND）得以实现。同时，IFAS工艺也能够用于缺氧区的改造，直接提高反硝化菌数量，强化反硝化。IFAS工艺具有广泛的适用性，任何形式的工艺和反应器构造几乎都能够采用IFAS工艺。IFAS工艺填料的形式可分为固定式和移动式两种。

IFAS工艺特点：

一、可以通过增加载体逐步提高系统的处理能力或性能；

二、能增加生物量但不增加沉淀池的固体负荷；

三、可提高处理效率，可以在较小的占面积下获得较高的处理能力；

四、能提高沉淀性能；

五、减少污泥产量；

六、可实现同步硝化反硝化；

    IFAS工艺是比较适合本项目改在的工艺技术，其灵活多变的安装方式和超强的处理效果给应用提供了广阔的想象空间。且投资价格适当，运行成本基本不增加。

一.1.3 DBR生物膜工艺

DBR生物膜工艺主体是导流式生物膜反应器（DBR生物膜反应器），该技术属于IFAS工艺变形工艺。根据我单位长期污水处理厂运行调试经验和对IFAS工艺的研究发现，IFAS工艺在改造项目中仍存在一些问题，主要如下：

1、IFAS工艺目前所使用的填料的比表面积小，悬浮填料和固定填料能够提供的生物量不多；

2、IFAS工艺目前的使用方式对污染物质的介质交换作用主要依靠原池内的水流作用，且增加IFAS工艺后，水流水力条件变差，在一定程度上减少了介质交换；

3、IFAS工艺对与填料生物膜的控制主要依靠填料自身对于生物膜的亲和程度和水力冲刷，控制方式较为被动。

    针对以上问题，我从增强介质交换能力和有效控制生物膜的角度，设计研发出DBR生物膜工艺，且以高效去除TN为目的进行相关参数的设计，主要针对进水C/N比低，进水TN高的污水废水的处理处置。

DBR生物膜设备脱氮工艺是充分考虑提标改造投资建设成本及TN去除效率后研发出的具有高效、稳定脱氮效果的新型工艺。

DBR生物膜设备由框架主体、高效脱氮填料、曝气系统三部分组成。其中，框架主体采用SS304不锈钢材质，经久耐用，且框架独立，便于安装和维修。DBR填料采用特殊材质，具有亲微生物和亲水性，比表面积大，挂膜速度快，是一种针对总氮处理难度大而进行研发的具有独特处理功能的新型环保设备。

一.1.4 DBR生物膜设备工艺处理原理及特点

（1）独特曝气搅动，增强氧分压和介质交换能力

    DBR生物膜设备底部配置有单独的曝气装置，顶部配置有导流板，中部配置固定式高效填料。实际应用过程中，底部曝气装置进行曝气时，将会使膜架设备区域内的上升流流速高于其区域，且结合导流板作用，区域内的水体将出现比其他区域水体更多的与填料接触的机会，从而增加了介质交换能力，促进生物膜活性污泥对污染物质的捕捉。同时，由于好氧池内自身曝气和DBR生物膜设备底部配置曝气装置的共同作用，可实现膜架设备区域内的溶解氧高于其他区域，提高了氧分压。从而使生物膜污泥活性提高，加速分解有机物质，且可通过曝气控制，实现对生物膜缺氧厌氧区的比例控制。

（2）微生物附着生长的优势

DBR技术中的主要功能层是附着生长在填料表面的生物膜，主要由微生物及胞外多聚物组成，包含细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物等。作为附着生长型污水处理技术，生物膜具有特殊的生物层结构、复杂的生物群落以及较长的食物链，这为DBR带来了特殊的优势。

由于填料的比表面积大（3000-4000m2/m3），以填料为载体可以有充足的空间为微生物的生长提供充足的附着面积，大大提高了单位空间内的微生物浓度，提高单位体积处理能力，增强耐冲击负荷能力。

由于微生物附着生长，水力停留时间和生物停留时间可实现独立控制，生物膜上的微生物不会随水流流失，污泥停留时间（SRT）理论上可被认为无限长，这为生长世代时间较长、增殖速度较慢的微生物，如硝化菌、反硝化菌、聚磷菌以及厌氧氨氧化菌等提供了生长和富集的可能，为DBR技术实现除磷脱氮创造了条件。同时，生物膜的分层结构能够创造好氧过程和厌氧过程的同时出现，为单一反应器内实现同时硝化反硝化和生物强化除磷过程提供了可能。

微生物种类多，结构复杂，生物膜对微生物起到了保护作用，能够有效降低水流剪切力和有毒有害物质对微生物活性的影响，使其对不同水体的适应能力明显强于以悬浮微生物菌体为主的活性污泥法。因此，DBR技术可被用来驯化特种微生物，实现对特种废水的高效处理。

DBR技术的SRT较长，高等生物能够生存繁衍，原生动物和后生动物通常以微生物为食，能够有效控制生物膜厚度，减少活性污泥的产生，降低污泥产率。同时，生物膜胞外聚合物（EPS）含量较高可以避免丝状菌的膨胀，污泥沉降性能好，易于固液分离。因此，运行过程中即使出现生物膜脱落现象，也可以通过简单的沉降工艺去除，保证出水水质。

（3）脱氮原理与特征

该高效脱氮填料具有良好的生物选择性，对专性菌尤其是参加脱氮过程的硝化菌和反硝化菌具有良好的固定化作用。生物膜挂膜完成后，在高效填料的有机和无机符合材质上将会形成均匀的生物膜，形成溶解氧梯度，生物膜外层为好氧菌，中间为缺氧菌，内层为厌氧菌，可形成N个微观意义上的A2/O工艺，发生短程和同步硝化反硝化作用，从而脱氮除碳的效果得到大大提高，总氮的去除效果将会达到85%-90%。

短程硝化是指NH3生成亚硝酸根，不再生产硝酸根；而由亚硝酸根直接生成N2，称为短程反硝化。短程硝化反硝化是指NH3---NO2----N2，即可以从水中氨氮去除的一种工艺。

同步硝化反硝化是指在好氧的情况下，生物反应器中同时发生了硝化和反硝化的过程。生物接触氧化法结合了活性污泥法与生物滤池的有点，可以在反应器内形成液、固、气三相共存体系，为了同时硝化反硝化创造了良好的环境。

DBR技术依据生物接触氧化技术原理，在填料附近形成局部厌氧层，并且在水体一侧因为溶解氧的作用，形成局部好氧层。大面积的生物膜会使池体内形成较大面积的同步硝化反硝化。通过控制膜组件内部的水流循环，使池体内形成全新的池体微环境，可在不增加回流量的情况下增加氨氮的去除率。

（4）除碳原理与特征

高效脱氮填料对COD的去除效果也十分明显。填料附着的兼性微生物如产酸菌，可以将被生物膜截留下来的有机物质大量水解，将不溶性有机物水解为溶解性物质，将大分子、难于生物降解的物质转化为易于生物降解的物质。并通过悬浮污泥和生物膜污泥的协同作用，使出水COD值得到进一步的降低。DBR生物膜设备底部设有曝气管，通过抱起作用，可实现对单位生物膜设备的定位供氧作用，通过调整供氧量，可以有效的增强生物膜的生长作用，并通过曝气搅拌作用，加速生物的更新换代，保持生物膜良好的脱氮除碳的作用。脱氮除碳原理图如3-1-1所示。

图3-1-1 脱氮除碳原理图

（5）降低污泥产量

DBR生物膜设备可以部分实现污泥减量化。添加DBR生物膜设备后，曝气池内生物相进一步丰富，将会有水质良好的指示生物出现，根据生物污泥产生的理论，大量的后生动物出现，其污泥进入内源呼吸期，部分的消耗本体污泥，最终减少污泥产量。本项目，通过布置DBR生物膜设备，组成生物膜与悬浮污泥协同处理的污水系统，是对悬浮活性污泥法作用的有效增强手段，并且从根本上提高悬浮活性污泥法的抗冲击负荷能力和处理能力。

（6）节约运行成本

DBR生物膜设备降低运行成本的主要通过两个方面，一是降低污泥产量，二是利用在生物膜处发生的短程和同步硝化反硝化作用下，在保证总氮去除效果的同时，可以减少碳源和碱度调节药剂的投加，内回流比可大大减少，减少运行成本。

一.2 改造工艺选择

综上分析，DBR生物膜设备脱氮工艺一次投资费用较低、运行管理方便、不需要新增池体，可与现有生化系统直接集成，处理效果稳定。因此选择DBR生物膜设备脱氮工艺作为本次改造主要工艺。

图3-1-2提标改造后武清区豆张庄污水处理厂水样