華北某集約型污水廠BFM工藝設(shè)計與運行分析

摘要：華北某新建處理規(guī)模為2×10⁴m³/d的污水處理設(shè)施，面臨占地受限、進水（含工業(yè)廢水）水質(zhì)復(fù)雜、出水水質(zhì)要求高（需達到地表準V類標準）、需在4個月內(nèi)通水達標等難題。采用BFM工藝為核心工藝，即純膜MBBR工藝（B段）與改良磁加載沉淀工藝（M段），同時采用模塊化設(shè)計，80 d完成了設(shè)計施工，20 d實現(xiàn)了通水達標。工藝流程為預(yù)處理+BFM+臭氧氧化+轉(zhuǎn)盤濾池，B段總HRT僅為10 h，不設(shè)二沉池；M段設(shè)計表面負荷11.57m3/(m2·h)；除預(yù)處理采用土建形式，其余均采用模塊方式，可以縮短建設(shè)周期。全廠出水COD、氨氮、TN、TP、SS分別為（21.86±3.26）、（0.44±0.24）、（10.19±1.37）、（0.09±0.03）、（4.77±0.89）mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到地表準V類標準，臭氧氧化和轉(zhuǎn)盤濾池根據(jù)出水難降解COD含量間歇運行。智水優(yōu)控信息控制平臺的加載，提高了污水廠的綜合運營管理水平，實現(xiàn)了26%的節(jié)能降耗。本項目經(jīng)營成本0.98元/m³。BFM工藝具有穩(wěn)定、集約、經(jīng)濟、快速、智能的優(yōu)勢，解決了污水廠面臨的用地緊張、運行不穩(wěn)定、建設(shè)周期長等難題，適用于對占地、建設(shè)周期敏感的污水處理設(shè)施建設(shè)，如全地下污水廠建設(shè)、無二沉池類污水廠連續(xù)流改造、污水廠原廠區(qū)大規(guī)模提量、黑臭水體治理（含河道旁位治理）、微污染水治理、工業(yè)廢水處理、應(yīng)急污水處理等。

01 項目概況

已有污水廠設(shè)計處理規(guī)模為8×10⁴m³/d，出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級A標準，已滿負荷運行，但仍有處理量缺口，急需擴容2×10⁴m³/d。受限于已有工藝類型及運營方式，難以原池擴容，只能在廠內(nèi)新建一座獨立的2×104m3/d污水處理設(shè)施。新建項目出水在執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準的基礎(chǔ)上，COD、氨氮、TP需達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）V類水標準，即準V類標準。設(shè)計進、出水水質(zhì)見表1，其中設(shè)計進水水質(zhì)參考原污水廠實際進水水質(zhì)數(shù)據(jù)，滿足95%的保證率。

該項目難點主要包括：

① 占地受限。新建污水廠需在原污水廠廠址內(nèi)實施，僅有部分綠化帶可供使用，如圖1所示，占地僅為4300m2，對于建設(shè)2萬噸/天污水處理設(shè)施，難度極大；

② 出水標準要求高。原廠出水執(zhí)行一級A標準且達標運行壓力極大，新建項目出水水質(zhì)需要滿足準V類水標準，且需要在極為緊湊的占地下實現(xiàn)，所以新項目所采用工藝應(yīng)具有容積負荷高且同時可達到高出水標準的特點；

③ 工藝運行穩(wěn)定性要求高。新建項目進水中工業(yè)廢水比例高，占比達到70%。工業(yè)廢水來源主要是匯水范圍內(nèi)的化工企業(yè)，處理工藝需考慮來水沖擊以及難降解有機物的處理，已有污水廠達標壓力大，經(jīng)常遭受沖擊，因此新項目整體對于工藝運行穩(wěn)定性要求更高。

④ 實施周期短。需在4個月內(nèi)快速實現(xiàn)污水廠的建設(shè)并通水達標運行，扣除前期準備，實施需在2-3個月內(nèi)完成，所以應(yīng)選擇裝配式模塊化設(shè)計，以縮短工期。

針對以上難點，本項目核心工藝擬采用BFM+高級氧化技術(shù)路線，其中BFM為純膜MBBR+改良磁加載沉淀工藝。本項目同時進行了中試驗證，效果穩(wěn)定達標，為工程實施奠定了基礎(chǔ)；同時，本項目采用裝配式模塊化設(shè)計，可確保快速實施。

02 BFM工藝

2.1 工藝簡介

移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR），按微生物培養(yǎng)富集形式，主要分為泥膜復(fù)合MBBR工藝（S-MBBR，又稱為IFAS）和純膜MBBR工藝（P-MBBR）兩種形式。其中S-MBBR是國內(nèi)最早的應(yīng)用形式，通過向生化池投加懸浮載體富集生物膜，使得生化池內(nèi)同時存在附著態(tài)微生物和懸浮態(tài)微生物，可原池提高生化系統(tǒng)的處理能力，主要用于污水廠生化池的原池擴容提標。2008年，無錫蘆村污水廠作為國內(nèi)首個一級A提標改造的污水廠，率先采用了泥膜復(fù)合MBBR工藝，解決了提標缺地的難題。在我國“十二五”到“十三五”的提質(zhì)增效階段，S-MBBR工藝獲得了廣泛的應(yīng)用。從工程實際運行效果看，S-MBBR工藝雖然實現(xiàn)了生化池處理性能的原位提升，但并未取得“泥膜復(fù)合MBBR系統(tǒng)的處理能力≥單獨活性污泥處理能力+單獨生物膜處理能力”的效果。主要是由于生物膜和活性污泥存在競爭關(guān)系。生物膜的優(yōu)勢功能菌富集能力強，可達活性污泥的10倍以上，但活性污泥的存在也限制了生物膜效能的充分發(fā)揮。而在極端不利的條件下，如低溫、高鹽、強沖擊時，活性污泥處理能力大幅降低，此時生物膜主要發(fā)揮污染物去除性能，對系統(tǒng)的穩(wěn)定達標起到了主導(dǎo)性的作用。由此可見，在S-MBBR系統(tǒng)中，生物膜的抗逆性更強，功能菌的富集能力更強，但在常態(tài)化的運行過程中其生化潛力有待進一步釋放。

純膜MBBR工藝，系統(tǒng)只存在懸浮載體生物膜，不富集活性污泥，懸浮載體生物膜成為真正的“主角”。在工藝流程上，該工藝可不設(shè)二沉池，不設(shè)污泥回流，流程更加集約；在運行上，生物膜實現(xiàn)動態(tài)更新，運行簡便，無需反沖洗；在設(shè)計上，對進水的容忍度高，無需嚴格的預(yù)處理措施。P-MBBR是MBBR工藝最早的應(yīng)用形式，主要用于節(jié)地新建。在應(yīng)用效果上，具有占地省、負荷高等優(yōu)勢。如Lillhammer污水廠處理市政污水，在生化段HRT僅為3.2h條件下，出水可以實現(xiàn)遠優(yōu)于國內(nèi)一級A的水平。如國內(nèi)南方某污水廠，在進水氨氮濃度為30mg/L時，實際生化段HRT僅為1.99h，保障出水氨氮低于1.5mg/L，取得了良好的應(yīng)用效果。除市政污水領(lǐng)域外，純膜MBBR也已在微污染水治理等方面取得了良好的工程實踐效果。

懸浮載體生物膜存在動態(tài)更新，以維持高效的處理能力。脫落的生物膜稱為腐殖污泥。對腐殖污泥的泥水分離過程，國外早期進行過探索，如采用沉淀、混凝沉淀、氣浮等均可以實現(xiàn)固液分離，但單獨工藝很難實現(xiàn)SS穩(wěn)定低于10mg/L的效果。腐殖污泥一般含水率較低，易于沉降，但由于其胞外聚合物（EPS）含量高，所以沉淀時間過長容易反硝化上浮，故應(yīng)采用快速沉淀工藝。針對市政污水，純膜MBBR工藝出水SS增量大多為50～150mg/L，導(dǎo)致P-MBBR的出水SS濃度高于一般深度處理的進水，故對于快速沉淀工藝還應(yīng)考慮能夠承受更大的固體通量。磁加載沉淀工藝是其中較優(yōu)的選擇，該工藝通過向混凝池投加密度為5～6g/cm3的磁粉，在特殊的攪拌環(huán)境下使其與混凝絮體結(jié)合，生成更大、更密實的磁絮體，從而達到高速沉降的目的。與傳統(tǒng)工藝相比，磁加載沉淀工藝具有速度快、占地少、效果優(yōu)等諸多優(yōu)點。由于傳統(tǒng)的磁加載沉淀工藝主要用于深度處理，應(yīng)用場景不含長期高進水SS的情況，故需對傳統(tǒng)磁加載沉淀工藝進行改良，以適應(yīng)純膜MBBR出水中等濃度SS的去除。如青啤二廠采用改良磁加載沉淀工藝，在進水SS為(473.48±40.01)mg/L的條件下，出水SS可降至(7.62±1.08)mg/L，保障了出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，顯示了較好的處理效果及抗沖擊性。

BFM工藝，即是將純膜MBBR工藝和改良磁加載沉淀工藝耦合，形成針對污水處理的全流程核心工藝，分別為BFM-B段和BFM-M段。B段利用純膜MBBR工藝高負荷去除能力，對NH4+-N、TN、有機物進行充分、徹底的去除；M段利用改良磁加載沉淀工藝高效的固液分離性能實現(xiàn)對TP、SS的充分、徹底去除。此外，為實現(xiàn)節(jié)能降耗、提高污水廠的運營管理水平，該工藝還加載了智水優(yōu)控系統(tǒng)，即BFM-F段。該系統(tǒng)綜合電氣自控、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等技術(shù)，在通常的電氣自動化運行基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了能耗分析、智能控制、數(shù)字運營、移動中控室等智慧化功能。與MBR和BAF工藝相比，BFM運行費用低；與國外純膜MBBR工藝相比，優(yōu)化了泥水分離過程，一次沉淀即可獲得傳統(tǒng)工藝需兩次沉淀的SS去除效果；與泥膜復(fù)合MBBR工藝相比，縮短了工藝流程，實現(xiàn)了占地更加集約。目前，該工藝已成功應(yīng)用于用于南方某污水廠新建，采用模塊化設(shè)計，用時40d即完成了3×104m³/d的設(shè)計、施工并實現(xiàn)了通水達標，噸水占地僅為0.067m²/(m³·d-1)，實現(xiàn)了緊湊型布置且優(yōu)于一級A的運行效果。

2.2 適用場景

BFM工藝具有穩(wěn)定、集約、經(jīng)濟、快速、智能的優(yōu)勢，可解決污水廠面臨的用地緊張、運行不穩(wěn)定、建設(shè)周期長等難題，適用于對占地、建設(shè)周期敏感的污水處理設(shè)施建設(shè)。

① 全地下污水廠建設(shè)。全地下污水廠的核心是投資和運維。BFM工藝流程短、占地緊湊、智能化水平高，可極大地降低建設(shè)投資成本且易于維護，管理簡便。

② 無二沉池類污水廠連續(xù)流改造。對于SBR等間歇運行的生化工藝，由于BFM工藝無二沉池，可實現(xiàn)對上述工藝的替換，實現(xiàn)生化段的連續(xù)流運行。此外，BFM工藝也適用于MBR工藝改造，可以實現(xiàn)節(jié)能降耗。

③ 污水廠原廠區(qū)大規(guī)模提量。傳統(tǒng)污水廠原池提量，主要受限于二沉池過水能力，提量一般低于1.5倍。BFM工藝無需二沉池，破除了二沉池對污水廠提量的限制，且由于B段高效的處理性能，滿足了污水廠大規(guī)模提量的需求。

④ 黑臭水體治理（含河道旁位治理）。黑臭水體可采用旁位治理、源頭治理、末端治理等方式。BFM工藝實施速度快、應(yīng)用靈活，可在短期內(nèi)建立起對黑臭水體的有效應(yīng)對措施。

⑤微污染水治理。微污染水通常為劣V類水體，由于其污染物濃度不高，傳統(tǒng)活性污泥法很難富集微生物。宜采用生物膜法，即BFM-B段，而M段可根據(jù)具體需求實現(xiàn)TP、SS的穩(wěn)定去除。

⑥ 工業(yè)廢水處理。工業(yè)廢水單獨處理，面臨的首要問題是占地。其次是工業(yè)廢水水質(zhì)波動大，出水標準多樣化。BFM工藝可根據(jù)實際處理要求進行靈活布置，且B段和M段均能夠應(yīng)對較強的水質(zhì)、水力沖擊，適用于工業(yè)廢水處理；

⑦ 應(yīng)急污水治理。隨著我國提質(zhì)增效、水環(huán)境綜合整治的開展，新的污染源不斷涌現(xiàn)。并且，城市雨污合流導(dǎo)致的汛期沖擊也對污水廠的穩(wěn)定運行構(gòu)成了威脅?？焖俳⑵鹦碌奈鬯幚碓O(shè)施是保障污水廠穩(wěn)定運行，改善城市人居環(huán)境的重要手段。BFM工藝以其流程短、模塊化安裝、掛膜填料直接投加等方式，可在短期內(nèi)快速建立污水處理設(shè)施，滿足水環(huán)境治理的需求。

03 工藝設(shè)計與實施

3.1 工藝流程

本項目新建工藝流程見圖2。水線處理以BFM工藝為核心，預(yù)處理采用常規(guī)的粗格柵、提升泵房、細格柵、曝氣沉砂池、初沉池，以去除SS等顆粒物質(zhì)；由于進水中難降解有機物含量高，深度處理增加了臭氧高級氧化和纖維轉(zhuǎn)盤濾池。初沉池和改良磁加載沉淀池的剩余污泥進入污泥儲池，采用疊螺機進行脫水，將污泥含水率降至80%以下外運。

3.2  預(yù)處理

粗格柵和提升泵房合建，長×寬分別為9.60m×6.50m。粗格柵采用回轉(zhuǎn)式格柵，柵隙10mm。提升泵房設(shè)4臺潛污泵，單臺流量500m³/h，揚程250kPa，配套變頻器，實現(xiàn)流量穩(wěn)定控制。進水渠及細格柵長×寬分別為12.50m×3.60m，細格柵采用內(nèi)進流垂直網(wǎng)板精細格柵，網(wǎng)板孔徑2 mm。曝氣沉砂池長×寬分別為12.50m×5.35m。

3.3 BFM

B段采用搪瓷拼接圓形池體，為兩級A/O工藝，共設(shè)置2組，其中兩組共用后好氧區(qū)。各區(qū)域均投加懸浮載體，其中缺氧區(qū)填充率58%、好氧區(qū)填充率66%，總停留時間10h。硝化液從第一級O段回流至第一級A段，總回流比300%。配4臺流量為1250m3/h的干井式不堵塞泵，2用2備。好氧區(qū)設(shè)計DO為2～6mg/L。缺氧區(qū)針對懸浮載體流化，安裝專用推流攪拌器。

M段采用鋼制一體化設(shè)備，長×寬分別為10.30 m×6.00 m，混合池、磁種加載池、絮凝池停留時間均為2min，沉淀區(qū)設(shè)計表面負荷11.57m3/(m2·h)。采用斜管沉淀，斜管斜長1200mm，管徑DN80，安裝角度60°，總面積62m²。

3.4 COD深度處理

臭氧高級氧化接觸池采用不銹鋼制一體化設(shè)備。長×寬分別為12.00m×3.50m，停留時間42min。配套紫外光催化反應(yīng)器，N=24kW，316L鈦板曝氣盤80個。尾氣破壞及流量調(diào)配間長×寬分別為5.5m×4.8m。臭氧發(fā)生間采用20尺標準集裝箱，共設(shè)4套臭氧發(fā)生器，以液氧為氧源，臭氧產(chǎn)量15kg/h。

纖維轉(zhuǎn)盤濾池共設(shè)2組，為鋼制一體化設(shè)備，長×寬分別為5.40m×3.20m。設(shè)計濾速6.94m/h，轉(zhuǎn)盤直徑2000mm，每套12片，過濾面積60m²，驅(qū)動電機1.1kW，反洗泵2臺，Q=42m³/h，H=90kPa，N=2.2kW。

3.5 其他附屬構(gòu)筑物

污泥處理，污泥貯池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長×寬分別為4.65m×2.20m，配潛水攪拌器1臺，功率1.5kW。污泥脫水機房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長×寬分別為16.40m×10.40m。設(shè)水平螺旋輸送機2套，L=7m，輸送量5m3/h，N=3.0kW；傾斜螺旋輸送機1套，L=7m，輸送量5m3/h，傾角30°，N=3.0kW；一體化PAM溶解加藥裝置1套；進泥螺桿泵3臺，Q=27～45m³/h，H=200kPa，N=15kW；疊螺污泥濃縮脫水一體機2臺，處理量270～450kgDS/h，N=4.13kW，日運行10h，出泥含水率降至80%以下。

加藥間主要用于反硝化脫氮投加碳源。長×寬分別為16m×7m。風機房采用輕鋼板房，長×寬分別為16.4m×7.5m。放置3臺磁懸浮鼓風機，單臺Q=70m3/min(標準狀態(tài))，P=98kPa，N=150kW。

全廠除臭采用生物除臭，占地長×寬為9m×6m。除臭風量2000m³/h，裝機功率15kW。共安裝2臺離心風機，Q=2000m³/h，P=2kPa，N=4kW，1用1備。配套噴淋、循環(huán)、儲水箱等輔助設(shè)施，硫化氫及氨檢測儀器各1套。

3.6 工程實施

各工藝段除預(yù)處理采用土建方式外，其余均采用模塊化產(chǎn)品。項目從設(shè)計、施工安裝到具備通水條件僅共用時80d。項目實施后平面布置如圖3所示，采用以BFM工藝為核心的全流程系統(tǒng)，實現(xiàn)了在4300m²土地上的緊湊型布置，噸水占地僅為0.215m2/(m3·d-1)。從圖1可以看出，與原污水廠相比，噸水占地僅為原污水廠26%，節(jié)省了74%的占地。表2列舉了該地區(qū)其他污水廠的占地情況。從表2可以看出，在與泥膜復(fù)合MBBR工藝、MBR工藝、BAF工藝的對比中，BFM不僅占地省，而且出水標準高，極具應(yīng)用價值。

04 項目實施效果

經(jīng)過20 d調(diào)試，新建項目出水實現(xiàn)了穩(wěn)定達標。系統(tǒng)各污染物去除效果如圖4所示，進、出水取樣點分別為細格柵出水和BFM工藝出水。

從圖4可以看出，實際進水水質(zhì)波動較大，峰值基本能夠接近設(shè)計值。在系統(tǒng)進水COD、氨氮、TN、TP、SS分別為（336.17±44.90）、（43.95±5.97）、（49.77±6.70）、（4.97±0.82）、（225.15±40.00）mg/L的情況下，經(jīng)過BFM工藝處理后，出水COD、氨氮、TN、TP、SS分別為（21.86±3.26）、（0.44±0.24）、（10.19±1.37）、（0.09±0.03）、（4.77±0.89）mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定且優(yōu)于準V類設(shè)計標準，BFM工藝系統(tǒng)具備良好的脫氮除磷性能以及抗沖擊性能。

表3匯總了沿程各工藝斷面的檢測數(shù)據(jù)。從表3可以看出，B段承接了全部的硝化、脫氮，大部分有機物以及少量的TP去除。經(jīng)過B段的處理，對氨氮和TN去除率分別達到98.9%和78.4%，出水氨氮和TN分別降至0.45mg/L和10.67mg/L，實現(xiàn)達標。M段的主要功能是去除TP以及SS，包括以SS和膠體形式存在的有機物的去除。經(jīng)過M段的處理，對SS和TP的去除率分別達到97.6%和98.2%，出水濃度分別降至5.10mg/L和0.08mg/L，且出水COD進一步降低，實現(xiàn)穩(wěn)定達標。整體上經(jīng)過BFM工藝處理后，C、N、P均實現(xiàn)了優(yōu)于排放標準的運行效果，故實際深度處理間歇運行即可。

圖5展示了應(yīng)用于該項目的F段的智水優(yōu)控控制系統(tǒng)。目前，已實現(xiàn)了信息化與自動化，通過自控運行，已實現(xiàn)了26%的節(jié)能降耗，即將向智能化邁進。

本新建項目總投資8498.76萬元，包含勘查、設(shè)計、施工、設(shè)備等費用。經(jīng)營成本為0.98元/m³。

05 結(jié)論

華北某新建處理規(guī)模2×10⁴m³/d污水處理設(shè)施，以BFM為核心工藝，同時采用裝配式模塊化設(shè)計，最終80d完成了實施，20d完成了通水達標，解決了項目面臨的占地受限、進水（含工業(yè)廢水）水質(zhì)復(fù)雜、出水水質(zhì)要求高需達到準V類標準、需在4個月內(nèi)通水達標等難題。項目實施后占地僅為2150m²/10⁴m³。沿程斷面測定表明，B段承接了全部的硝化、脫氮，大部分有機物以及少量的TP去除，M段的主要功能是去除TP以及SS，包括以SS和膠體形式存在的有機物的去除。經(jīng)過BFM工藝處理后，出水COD、氨氮、TN、TP、SS分別降至（21.86±3.26）、（0.44±0.24）、（10.19±1.37）、（0.09±0.03）、（4.77±0.89） mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到準V類標準，臭氧氧化和轉(zhuǎn)盤濾池根據(jù)出水難降解COD含量間歇運行。智水優(yōu)控信息控制平臺的加載，提高了污水廠的綜合運營管理水平，實現(xiàn)了26%的節(jié)能降耗。本項目經(jīng)營成本0.98元/m³。BFM工藝具有穩(wěn)定、集約、經(jīng)濟、快速、智能的優(yōu)勢，解決了污水廠面臨的用地緊張、運行不穩(wěn)定、建設(shè)周期長等難題，適用于對占地、建設(shè)周期敏感的污水處理設(shè)施建設(shè)，如全地下污水廠建設(shè)、無二沉池類污水廠連續(xù)流改造、污水廠原廠區(qū)大規(guī)模提量、黑臭水體治理（含河道旁位治理）、微污染水治理、工業(yè)廢水處理、應(yīng)急污水處理等。