2021年MBBR和MBR工藝作為應(yīng)用廣泛且運(yùn)行可靠的工藝被同時(shí)納入《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014—2021）。作為典型的集約型污水生化處理工藝，兩種工藝提高生化處理能力的方式不同，MBR可使生化池生物量提升至原來的2~3倍，通過提高污泥濃度強(qiáng)化處理能力；MBBR通過懸浮載體的投加，在提高系統(tǒng)內(nèi)生物量的同時(shí)，微生物部分形態(tài)由懸浮態(tài)變?yōu)楦街鴳B(tài)，功能菌相對(duì)豐度和處理能力得以提升。兩種工藝各有特色，在國(guó)內(nèi)市政污水領(lǐng)域的應(yīng)用體量均已超過2000×104m3/d，解決了污水處理廠新/改/擴(kuò)建面臨的缺地難題，在集約型污水處理中發(fā)揮了重要作用。
以北方某污水處理廠為例，分析MBBR和MBR的工藝特征、運(yùn)行效果及碳排放情況，以期為行業(yè)內(nèi)工藝選擇提供借鑒。
1、污水處理廠概況
該項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理水量為30×104m3/d，進(jìn)、出水水質(zhì)見表1，出水執(zhí)行地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，并排入受納河流上游，實(shí)現(xiàn)生態(tài)補(bǔ)水。一期、二期和三期提標(biāo)改造均采用泥膜復(fù)合MBBR工藝（即S-MBBR），設(shè)計(jì)水量為20×104m3/d；四期新建采用MBR工藝，設(shè)計(jì)水量為10×104m3/d。工藝流程見圖1。
MBR工藝對(duì)預(yù)處理的要求更高，新增了膜格柵，其設(shè)計(jì)柵間距為1mm，以進(jìn)一步去除細(xì)小毛發(fā)及纖維物質(zhì)等，減少對(duì)后端膜組件的污染和損傷；膜池設(shè)計(jì)污泥濃度為10g/L，生化池設(shè)計(jì)HRT為17h；MBR通過膜池實(shí)現(xiàn)固液分離，占地較二沉池小，且工藝末端無需再設(shè)置深度處理單元。S-MBBR對(duì)預(yù)處理無特殊要求；生化段將懸浮載體投加于好氧區(qū)，以強(qiáng)化硝化效果，缺氧池未投加懸浮載體，充分發(fā)揮活性污泥的反硝化作用，好氧區(qū)懸浮載體填充率為46%，采用SPR-Ⅲ型懸浮載體，有效比表面積>800m2/m3，生化池設(shè)計(jì)HRT為21.6h；S-MBBR仍需二沉池，后端仍采用傳統(tǒng)的深度處理實(shí)現(xiàn)對(duì)SS和TP的深度去除。
對(duì)比S-MBBR和MBR工藝流程可知，MBR更加簡(jiǎn)潔，流程短；S-MBBR能夠充分利舊，不改變主體工藝及流程，預(yù)處理和深度處理均為提標(biāo)改造前設(shè)施。因S-MBBR為改造部分，改造過程中維持原有的HRT，故HRT偏高；若進(jìn)一步在缺氧區(qū)投加懸浮載體，可進(jìn)一步降低HRT。兩種工藝在生化部分均能大幅降低HRT且相差不多，但固液分離部分MBR工藝優(yōu)勢(shì)顯著。
2、運(yùn)行效果與分析
選取該污水廠2021年數(shù)據(jù)分析兩種工藝的運(yùn)行效果。進(jìn)水樣品取自進(jìn)水泵站，S-MBBR出水樣品取自濾布濾池之后，MBR出水樣品取自膜池之后。
污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，增加了出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的難度，但兩種工藝均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，沒有顯著性差異。兩種工藝實(shí)際運(yùn)行水量負(fù)荷率不同，S-MBBR實(shí)際運(yùn)行HRT為18.15h，MBR實(shí)際運(yùn)行HRT為19.54h。從處理效果看，MBR對(duì)COD的處理效果更優(yōu)，較S-MBBR多去除3.2mg/L，而出水BOD5效果相當(dāng)，兩種工藝對(duì)有機(jī)物的去除均較為徹底，MBR更高的污泥濃度有利于對(duì)難降解有機(jī)物的去除。兩種工藝均利用活性污泥反硝化進(jìn)行脫氮，雖然MBR較S-MBBR多去除了2.1mg/L的TN，但由于其碳源投加量更大，所以兩系統(tǒng)TN去除效果基本相同。S-MBBR出水NH3-N、TN及TP標(biāo)準(zhǔn)差更低，顯示出更加穩(wěn)定的處理效果；MBR較好的膜過濾作用，保障了較低的出水SS濃度。
該污水處理廠生化池冬季水溫低至8~11℃，根據(jù)批次試驗(yàn)測(cè)定，活性污泥硝化負(fù)荷為0.018kgNH3-N/（kgMLSS·d），懸浮載體生物膜表面硝化負(fù)荷為0.371gNH3-N/（m2·d）。MBR工藝通過提升污泥濃度的方式實(shí)現(xiàn)了整體處理性能的提升，而S-MBBR工藝則通過投加懸浮載體形成生物膜的方式，彌補(bǔ)了與MBR的污泥濃度差距。此外，分別取S-MBBR生化池活性污泥、懸浮載體生物膜及MBR生化池活性污泥進(jìn)行高通量測(cè)序分析。MBR活性污泥硝化菌相對(duì)豐度為0.6%，S-MBBR活性污泥硝化菌相對(duì)豐度為0.64%，而S-MBBR生物膜硝化菌相對(duì)豐度達(dá)到了12.15%，S-MBBR生物膜能夠?qū)崿F(xiàn)硝化菌的高效富集。
兩種工藝在抗水量沖擊能力上存在較大差異。圖2為2021年兩種工藝運(yùn)行水量負(fù)荷率的變化。
S-MBBR運(yùn)行水量為（21.93±3.59）×104m3/d，一年內(nèi)有244d超過設(shè)計(jì)運(yùn)行水量，最大值為32.17×104m3/d，負(fù)荷率達(dá)到161%，平均運(yùn)行水量負(fù)荷率達(dá)到119%。MBR運(yùn)行水量為（8.43±0.84）×104m3/d，最大值為10.68×104m3/d，平均負(fù)荷率為87%。由于MBR末端膜組件的膜通量一定，因此其水量較為恒定，抗水量沖擊性能較差。在面臨進(jìn)水水量沖擊時(shí)，S-MBBR幾乎承擔(dān)了全部的增量部分，保障了污水處理廠的正常運(yùn)行以及總出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
3、藥劑與能耗分析
在藥劑消耗方面，S-MBBR使用的藥劑包括乙酸鈉、三氯化鐵及PAM等，用于反硝化脫氮及化學(xué)除磷；MBR使用的藥劑包括乙酸鈉、三氯化鐵、次氯酸鈉及檸檬酸等，用于反硝化脫氮、化學(xué)除磷及膜組件清洗。兩種工藝的藥劑日均消耗量見表2。MBR的乙酸鈉投加量高于S-MBBR，進(jìn)一步核算多投加的乙酸鈉可去除約2mg/L的TN，與S-MBBR和MBR出水TN差值接近，表明兩者出水TN差異主要由碳源投加量不同所致。MBR的三氯化鐵投加量高于S-MBBR，這主要與MBR泥齡較長(zhǎng)導(dǎo)致其生化除磷效果稍弱有關(guān)。根據(jù)三氯化鐵使用量進(jìn)行核算，S-MBBR化學(xué)除磷占比為32.33%，MBR化學(xué)除磷占比為36.79%。S-MBBR雖然通過投加生物膜可實(shí)現(xiàn)雙泥齡系統(tǒng)，有利于生物除磷，但實(shí)際由于進(jìn)水有機(jī)物濃度較低，在控制上優(yōu)先進(jìn)行反硝化脫氮，因此用于生物除磷的有機(jī)物濃度相對(duì)較低，導(dǎo)致生物除磷效果相對(duì)較弱。
在電耗方面，S-MBBR電耗為0.494kW·h/m3，其中生化池曝氣能耗為0.235kW·h/m3，占比為47.00%；MBR電耗為0.616kW·h/m3，其中生化池曝氣能耗為0.290kW·h/m3，占比為46.86%，S-MBBR對(duì)硝化菌的高效富集能力降低了曝氣能耗。MBR為了維持膜通量，膜池的能耗較高，本項(xiàng)目均值為0.204kW·h/m3，占比為33.26%，且膜組件使用不足兩年，隨著膜通量的降低，膜池的能耗有進(jìn)一步升高的趨勢(shì)。由于S-MBBR進(jìn)水量波動(dòng)大，曝氣能耗與進(jìn)水量關(guān)系密切，當(dāng)S-MBBR進(jìn)水負(fù)荷率低于100%時(shí)，曝氣能耗為0.304kW·h/m3；進(jìn)水負(fù)荷率為100%~125%時(shí)，曝氣能耗為0.219kW·h/m3；進(jìn)水負(fù)荷率>125%時(shí)，曝氣能耗為0.169kW·h/m3，與水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明S-MBBR在面臨進(jìn)水負(fù)荷沖擊時(shí)可充分發(fā)揮生物膜硝化潛力，不需大幅提升曝氣量即可實(shí)現(xiàn)污染物去除。
綜合電/藥消耗，S-MBBR電/藥費(fèi)用均值為0.469元/m3，而MBR電/藥費(fèi)用均值為0.626元/m3，其中MBR工藝不含換膜成本。
4、維護(hù)與控制
S-MBBR懸浮載體的良好流化是保證工藝穩(wěn)定運(yùn)行的核心要素，若控制不佳，則可能出現(xiàn)懸浮載體流化差、局部堆積現(xiàn)象，從而影響處理效果。尤其是在末端出水?dāng)r網(wǎng)處，一旦懸浮載體堆積，則可能造成攔網(wǎng)過水能力降低，從而在攔網(wǎng)前后產(chǎn)生液位差，造成懸浮載體冒漏。同時(shí)S-MBBR也應(yīng)關(guān)注攔網(wǎng)的磨損，隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，懸浮載體、進(jìn)水泥砂等與攔網(wǎng)的不斷摩擦，傳統(tǒng)不銹鋼篩網(wǎng)易被磨薄，甚至磨破，導(dǎo)致懸浮載體泄漏，影響深度處理運(yùn)行。目前，已有在攔網(wǎng)前后增加液位計(jì)的方式，通過自控系統(tǒng)上傳至智慧水務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧化控制；同時(shí)，安裝更換了復(fù)合材質(zhì)的攔網(wǎng)，磨損指數(shù)大大降低，保障了S-MBBR無憂運(yùn)行。圖3展示了S-MBBR良好的流化狀態(tài)與復(fù)合材質(zhì)攔網(wǎng)。S-MBBR后端仍有二沉池、高效沉淀池、濾池等深度處理單元，在實(shí)際運(yùn)行過程中尤其是水量沖擊下，應(yīng)關(guān)注其固液分離性能，防止跑泥。
MBR運(yùn)行穩(wěn)定主要在于膜組件。保障膜組件的膜通量是維持MBR正常運(yùn)行的關(guān)鍵，除了在正常運(yùn)行過程中通過曝氣進(jìn)行沖洗外，還需要根據(jù)跨膜壓差對(duì)膜組件進(jìn)行定期的特殊清洗（見圖4）。實(shí)際運(yùn)行當(dāng)跨膜壓差>35kPa時(shí)需進(jìn)行清洗。清洗頻次與方式主要與進(jìn)水水質(zhì)和膜污染程度有關(guān)，在線清洗包括堿洗和酸洗，堿洗時(shí)采用次氯酸鈉，每周一次，酸洗時(shí)采用檸檬酸，每半年一次，離線拆片清洗一年一次。除化學(xué)清洗外，還采用水/氣反沖洗、膜表面曝氣沖刷等物理方式進(jìn)行膜組件的清洗。膜污染程度與膜組件的清洗頻率和MBR工藝的能耗藥耗息息相關(guān)，而膜污染程度除與水質(zhì)有關(guān)外，還與運(yùn)行溫度有很大關(guān)系，冬季低溫情況下膜清洗頻次要稍高于夏季，低溫對(duì)于膜本身的結(jié)構(gòu)并沒有影響，膜孔徑不會(huì)受到低溫的影響，但膜污染程度會(huì)加重，主要受到污水黏度提升、微生物EPS提高等因素的影響。此外，MBR除磷藥劑（三氯化鐵）投加于生化池內(nèi)，而投加除磷藥劑后會(huì)使黏度較高的水和凝膠層包裹在膜絲表面，加速污染層的增長(zhǎng)，也遏制了水力剪切對(duì)污染層的脫除作用，提高了膜污染程度。因此在運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整清洗頻次和清洗程度，保證系統(tǒng)良好運(yùn)行。
5、污水處理廠低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)
污水處理廠進(jìn)行科學(xué)、高效的碳減排，對(duì)實(shí)現(xiàn)減污降碳，促進(jìn)生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要意義。根據(jù)《污水處理廠低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（T/CAEPI49—2022）碳排放強(qiáng)度核算方法，并綜合考慮對(duì)TN去除率、處理規(guī)模、耗氧污染物削減量、出水排放標(biāo)準(zhǔn)及臭氣控制程度等進(jìn)行修正后核算兩種工藝的低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)總分，修正系數(shù)見表3。
S-MBBR和MBR碳排放強(qiáng)度如圖5所示。
S-MBBR碳排放強(qiáng)度修正前為0.882kgCO2/m3，修正后為0.291kgCO2/m3，結(jié)合低碳行為核算低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)總分為78.75，評(píng)價(jià)為二級(jí)；MBR碳排放強(qiáng)度修正前為1.045kgCO2/m3，修正后為0.335kgCO2/m3，結(jié)合低碳行為核算低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)總分為72.62，評(píng)價(jià)為三級(jí)。綜合對(duì)比來看，S-MBBR運(yùn)行碳排放強(qiáng)度更低，更符合低碳理念。
由圖5（a）可知，兩種工藝的直接碳排放強(qiáng)度基本一致，分別為0.093、0.097kgCO2/m3，直接碳排放強(qiáng)度與污水處理過程中N2O、CH4和CO2的直接排放量有關(guān)，主要受進(jìn)、出水水質(zhì)和處理水量的影響。兩者差異主要體現(xiàn)在間接碳排放強(qiáng)度，主要與運(yùn)行電耗與藥耗有關(guān)。MBR碳排放強(qiáng)度較高的原因主要在于膜池運(yùn)行維護(hù)增加了能耗與藥耗。由圖5（b）可知，運(yùn)行電耗在間接碳排放強(qiáng)度的計(jì)算中占比達(dá)到80%左右，約占總碳排放強(qiáng)度的55%，藥耗約占總碳排放強(qiáng)度的7%~10%。蔣富海等核算了10座污水處理廠的碳排放量，結(jié)果表明，在污水處理廠的碳排放貢獻(xiàn)源中，電耗占比最大，約占31%~64%，藥耗次之，約占6%~19%，與本項(xiàng)目結(jié)果類似。周政等對(duì)7座污水處理廠的研究同樣表明，電耗導(dǎo)致的間接排放是最大的碳排放源，平均占比為49.43%，且AAO-MBR工藝較AAO工藝顯著增加了電耗碳排放占比，達(dá)到60%。因此，污水廠實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行，關(guān)鍵在于降低電/藥消耗。一方面是控制優(yōu)化，可通過增加智慧水務(wù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電/藥的精準(zhǔn)控制；另一方面是工藝優(yōu)化，可通過采用新工藝如厭氧氨氧化、同步硝化反硝化等實(shí)現(xiàn)電/藥消耗的降低，進(jìn)而整體上降低污水處理廠碳排放強(qiáng)度。
6、結(jié)論與展望
北方某污水處理廠在相同進(jìn)水水質(zhì)條件下，S-MBBR和MBR出水均能穩(wěn)定達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，但S-MBBR的抗水量沖擊能力更強(qiáng)，平均運(yùn)行水量負(fù)荷率達(dá)到119%，如遇汛期可處理更多污水。S-MBBR電/藥費(fèi)用為0.469元/m3，較MBR的電/藥費(fèi)用（0.626元/m3）更低，運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)。根據(jù)《污水處理廠低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（T/CAEPI49—2022），S-MBBR、MBR低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)等級(jí)分別為二級(jí)和三級(jí)，S-MBBR更具低碳潛力。S-MBBR運(yùn)行過程中應(yīng)關(guān)注懸浮載體的流化和攔截，需要可靠的設(shè)計(jì)和設(shè)備支撐，對(duì)工藝廠家要求更高；MBR則應(yīng)關(guān)注簡(jiǎn)化膜組件的清洗、維護(hù)和更換，降低能耗和藥耗。在工藝流程方面，MBR更加簡(jiǎn)潔，流程短；S-MBBR能夠充分利舊，不改變主體工藝及流程。目前已有基于純膜MBBR的全流程配套工藝，不僅實(shí)現(xiàn)了流程的簡(jiǎn)化，其占地效果也能與MBR媲美，可為污水處理廠的新/改/擴(kuò)建提供新的選擇方案。（來源：青島首創(chuàng)瑞海水務(wù)有限公司，青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司，青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司青島市綠色低碳生物膜與水環(huán)境恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司）
