净水技术 | 改良ICEAS+MBBR工艺如何充分挖掘处理能力，实现高标准提标

栏目导语

以作品为媒，让图纸说话，感受每一个工程项目背后的设计理念和思想。“设计案例”与国内各大设计院所联名合作，深入剖析我国市政给排水新改扩建工程项目设计过程中的理念和经验，相互启迪，引领发展。

作者简介

AUTHORS

[作者简介] 封汇川（1981— ），男，高级工程师，主要从事水污染处理技术和给水处理技术，E-mail：[e-mail]。

[通信作者]  陈良（1991— ），男，硕士，工程师，主要从事水污染处理技术和给水处理技术，E-mail：[e-mail]。

本文引用格式

封汇川, 陈良, 周波, 等. 改良ICEAS+MBBR工艺在高标准污水厂提标改造中的应用[J]. 净水技术, 2022, 41(5):111-149.

FENG H C, CHEN L, ZHOU B, et al. Application of improved ICEAS+MBBR process in upgrading and reconstruction of high standard WWTP[J]. Water Purification Technology, 2022, 41(5):111-149.

随着污水处理厂出水水质的要求不断提高，特部分重点流域和区域已经将污水处理厂出水由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准提升至《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)准IV类甚至准III类排放标准（部分指标达IV类或III类标准）。如北京市2012年要求新建污水厂A标准中将总氮（TN）出水限值由15 mg/L提升至10 mg/L，总磷（TP）提升至0.2 mg/L。2015年—2018年，天津市、巢湖流域、四川省、浙江省、太湖流域也分别将TN出水限值提升至10 mg/L，同时TP出水限值提升至0.3 mg/L。显然，污水处理厂高标准排放已成为大势所趋。老旧城镇污水处理厂处理水量不断增加，远超出设计水量，成为污水处理厂实际提标改造过程中所遇到的常态问题。由于规划及设计等原因，厂内预留用地面积有限，且近期征地困难，导致短期内难以对污水处理厂进行扩容等。

云南某污水处理厂设计处理规模为3.00万m³/d，其生化处理工艺采用间歇式循环延时曝气活性污泥法(ICEAS)，深度处理采用高效沉淀池和V型滤池工艺。根据环保要求需要进行提标改造，出水部分水质指标由现状一级A排放标准提标至IV类排放标准。同时，现状污水处理厂实际进水量远超设计水量，污水无法及时处理，需要同时提高污水处理厂的处理规模。但由于现状用地有限，无法新建大量建构筑物，只能在原有工艺基础上进行挖潜改造，实现水质水量双提升，实现高标准排放。改造后的工艺处理日均水量可提高17%，部分出水水质可由一级A标准提高至IV类标准，提标工程仅新增占地面积为84 m²的碳源加药间，新增运营成本为0.22元/m³，改造后单位经营成本为1.05元/m³。

01

污水处理厂运行现状

云南某污水处理厂工艺流程如图1所示，现状设计进出水标准如表1所示。

2019年—2020年，该污水处理厂日均进水量为2.71万m³/d，雨季最大日处理量为4.54万m³/d，旱季时达到3.40万m³/d。同时，污水厂实际平均进水水质部分指标已超过设计值，其实际进水水质如表2所示，进水B/N曲线如图所示。污水厂长期处于满负荷甚至超负荷运行状态。

现状厂区内共有ICEAS反应池4座，每座尺寸为50.0 m×20.0 m×5.0 m，有效水深为4.5 m。其中预反应区和主反应区池容为675 m³和3 825 m³。实际运行周期为4.0 h，其中曝气2.0 h，沉淀1.0 h，滗水1.0 h。MLSS含量为3 000~5 000 mg/L，水力停留时间（HRT）为14.10 h，污泥停留时间（SRT）为24.3 d，设计气水比为7.68:1，污泥负荷为0.22 kg BOD₅/(kg MLSS·d)。

现状出水水质基本能达到一级A排放标准，出水水质如表3所示，但出水TN仍存在超标风险，主要原因为：①原设计进水水质较实际进水水质低，例如85%累积频率下，进水BOD₅浓度超过设计水质的46.7%，氨氮和TN超标更为严重，但进水B/N平均值为3.5，碳源不足；②原ICEAS工艺主要针对COD_Cr和氨氮的去除，无单独缺氧区，反硝化效果有限，无法有效去除TN；③现状曝气器及鼓风机老化严重，故障频发，无法稳定满足污水厂正常运行需要。部分指标执行IV类排放标准后（即COD_Cr限值为30 mg/L，BOD₅限值为6 mg/L，氨氮限值为1.5 mg/L，TN限值为15 mg/L，SS限值为10 mg/L，TP限值为0.3 mg/L），COD_Cr、TN、氨氮及TP等指标超标风险严重。

由于现状厂区占地面积紧张，基本无预留用地进行提标及扩容工程建设。其TP可以通过增大除磷剂加药量、强化深度处理达到新排放标准^[7]，但TN和氨氮只能通过生化工艺挖潜改造进行处理，方可实现处理水量和出水水质双提升，实现高标准排放。

02

改造方案

2.1

ICEAS工艺改造方案

传统ICEAS工艺主要在SBR反应器的进水端增加一个预反应区，可以实现在一个反应池中连续进水、生物氧化、硝化、反硝化、固液分离等过程。ICEAS由于其占地面积小、控制方便、不受水质和水量大范围波动带来的影响，在城镇污水厂、食品生产废水处理以及制药废水处理中取得广泛应用。但由于其运行模式及工艺特性所限，其处理效果较差，仅能满足一级A排放标准，对于高标准排放要求，需要对其进行挖潜改造。

目前，对ICEAS工艺进行挖潜改造的路线包括投加生物填料从而提高其处理能力，如朱云鹏等通过在主反应区中投加MBBR填料，其出水可以达到一级A排放标准。段存礼等也采用类似的方法在实践中取得成功。在好氧区增加MBBR填料可以提高COD_Cr和氨氮等的去除效果，但对TN去除效果有限。主要是因为ICEAS只能通过沉淀阶段进行反硝化脱氮，无硝化液回流和污泥回流，脱氮效果有限。其余改造路线则是通过调控各阶段的停留时间等工艺参数进行ICEAS工艺优化，脱氮能力同样有限。

为提高现状生化池碳化、硝化以及脱氮能力，马华敏等采用缺氧-好氧两级MBBR处理工艺对低温生活污水进行处理，在提高COD_Cr和氨氮等处理效果的同时取得了较好的脱氮效果。Husham等研究也发现两级MBBR处理工艺其好氧区氨氮去除率可达到97.89%，缺氧区反硝化率可达到66.76%，甚至发现在缺氧区出现了缺氧氨氮氧化反应，去除率为45.74%。缺氧-好氧两级MBBR工艺主要适用于对现有污水厂进行挖潜改造，目前处于小试及中试研究较多，工程案例报道较少。

按照进水水质（COD_Cr含量为400 mg/L，BOD₅含量为180.0 mg/L，TN含量为60.00 mg/L，氨氮含量为55.00 mg/L）和超设计规模20%的水量，对现状生化池进行复核，为达到去除BOD₅的目标，所需曝气区池容为27 700 m³，远大于现状主反应区池容（15 300 m³），氨氮能够达到1.5 mg/L的排放标准，但总氮去除效果有限。本工程结合上述研究成果，将现状ICEAS改造为“改良ICEAS+MBBR”工艺，将ICEAS分割为缺氧段和主反应区，分别投加MBBR填料，充分挖潜现状生化池的处理能力，同时提高其出水水质。

2.2

中试试验效果

实际工程改造前，采用中试试验验证技术可行性。中试采用按现状生化池同比缩小后的一体化中试试验装置进行试验，设备尺寸为长×宽×高为6.5 m×2.0 m×3.0 m，有效水深为2.5 m，有效池容为32.5 m³，处理量为72 m³/d。将生化池分为预反应区、缺氧区和主反应区，各区池容比为0.125:0.400:1.000。

中试分为两阶段进行，第一阶段为污泥的接种及填料挂膜阶段。中试试验采用实际污水厂生化池污泥进行接种，减少污泥培养周期，在缺氧区和主反应区均投加MBBR填料。挂膜阶段，进水采用间歇进水，随挂膜情况逐渐提高进水比例。结果表明，中试15 d后MBBR填料可以初步挂膜，填料表面出现少量轮虫和钟虫，30 d后MBBR填料表面出现大量微生物，镜检发现大量累枝虫，生物相较好。其镜检照片如图4所示。

第二阶段验证改造工艺处理能力，中试设备运行参数如下：HRT为11.00 h，进水流量为3 m³/h，连续进水间歇出水，反应周期为4.0 h，即曝气、搅拌及回流共130 min，沉淀50 min，出水60 min。污泥质量浓度为3~5 g/L，内回流比为100%~300%，外回流比为50%~100%，缺氧区和主反应区MBBR填料投加量分别为相应反应区池容的0.25和0.30。

中试进出水水质如表4所示。结果表明，在最高进水水质条件下（COD_Cr含量为500 mg/L，TN含量为60.00 mg/L，氨氮含量为50.00 mg/L，TP含量为6.00 mg/L），部分出水水质指标仍然可以稳定达到IV类水标准（TP、SS除外）。中试试验验证了通过投加悬浮填料可显著提高单位池容的处理负荷，MBBR工艺可解决现有污水处理厂池容不足的实际问题。通过增设回流比及内回流比可提高脱氮除磷效率，出水部分指标稳定达到Ⅳ类水标准，工艺可行。

03

工程设计

本工程改造中保留现有预反应池；在缺氧区进水端设置碳源投加点，池内设置搅拌器，投加缺氧MBBR填料，强化反硝化效果；在主反应区投加好氧MBBR填料，强化有机物氧化和氨的硝化作用；在主反应区末端设置混合液回流系统，促进缺氧区反硝化脱氮；在主反应区前端设置PAC加药点，加强化学除磷；同步更换曝气器和鼓风机等设备。具体ICEAS改造平面及剖面如图4和图5所示。

设计将主反应池划分为缺氧区和主反应区，池容比取0.400:1.000。根据设计进水水量和水质（COD_Cr含量为400 mg/L，BOD₅含量为180.0 mg/L，TN含量为60.00 mg/L，氨氮含量为55.00 mg/L），反算各区分别被活性污泥和填料去除的污染物的量。

生化池单池TN去除量为405 kg TN/d，按照划分后的缺氧区容积和利用率，理论缺氧区TN去除量为203 kg TN/d，剩余需要填料去除TN的量为202 kg TN/d。缺氧填料反硝化速率取0.72 g NO₃^--N/(m²·d)，填料有效比表面积取800 m²/m³，则所需缺氧填料量为351 m³，占整个缺氧区池容的32%，考虑一定余量，取缺氧区填料填充比为0.36。

主反应区主要进行碳化反应和硝化反应，好氧阶段先进行碳化反应后进行硝化反应。扣除碳化反应所需容积以及出水中携带的氨氮量、同化作用去除的氨氮量等，实际单池需要硝化的氨氮为397 kg氨氮/d。其中主反应区能够硝化的氨氮为99 kg氨氮/d，需要填料硝化的氨氮量为298 kg氨氮/d，设计填料的硝化速率为0.5 g氨氮/(m²·d)，填料有效比表面积为800 m²/m³，则好氧填料量为743 m³，占整个主反应区容积的27.3%，考虑一定余量，取好氧区填料填充比为0.31。

同时调整ICEAS各阶段运行参数，具体运行参数为如下：运行周期、时间与中试一致，污泥负荷为0.19 kg BOD₅/(kg MLSS·d)，设计污泥质量浓度为5 g/L，硝化液内回流比为100%~300%，外回流比为50%~100%。HRT为12.73 h，SRT为15.0~24.0 d，充水比为0.32，平均供氧量为225 m³/min。PAC采用成品液体PAC溶液，投加量为30 mg/L，在现状加药间内改造。新建碳源加药间，平面尺寸为14.0 m×6.0 m，碳源采用固体乙酸钠，设计投加量为92 mg/L。

04

实际效果

4.1

实际进出水效果

2021年3月改造完成，截至2021年7月，经过5个月运行时间，结果表明，改造后的污水厂平均日处理量可达到3.51万m³/d，较设计值提高了17%。在进水水质超过设计水质情况，出水部分指标能稳定达到IV类标准，实际进出水水质如表5所示，有效达到了处理水量和水质双提升效果。

4.2

技术经济指标

本项目工程总投资为3 084万元，其中工程费约为2 505万元，水处理经营成本为1.05元/m³。

本项目对主体处理工艺仅进行挖潜改造，不新增主工艺流程，仅增加一座占地面积为84 m²的碳源加药间，折合新增用地面积为23.93 m²/(10⁴ m³·d)。

本项目全年新增电耗为22.23万kW·h，新增吨水电耗为0.12 kW·h，电价为1.0元/( kW·h)，吨水电费成本为0.12元，新增运营成本为0.22元/m³，单位总成本为1.38元/m³，单位经营成本为1.05元/m³。

05

结论

（1）针对高标准排放需求的污水处理厂，本工程占地面积有限，将现状ICEAS工艺挖潜改造为“改良ICEAS+MBBR”工艺，仅增加碳源加药间等辅助用房，大大节省土建费用、占地面积小、投资少、改造周期短、操作管理方便，对类似项目具有一定的参考意义。

（2）缺氧区和主反应区MBBR填料培养15 d可初步挂膜，30 d可达到设计处理效果。通过辅助投加碳源和除磷剂，能够实现步出水部分水质指标由一级A标准提升至IV类标准，处理水量提升17%，对同类型项目产生良好的示范作用。

（3）提标改造工程全年新增电费成本为0.12元/m³，新增运营成本为0.22元/m³，单位总成本为1.38元/m³，单位经营成本为1.05元/m³。