仵曉輝,劉 真,侯海明,李 娜,高小波,李志偉

(1.西寧市污水處理有限公司,青海西寧 810000;2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司第六設(shè)計(jì)院,甘肅蘭州 730000;3.青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司,山東青島 266000)

我國(guó)西部的高原地區(qū)山脈崎嶇、溝壑縱橫,生存環(huán)境較為惡劣,因此,人口偏少。這導(dǎo)致西部高原區(qū)域的發(fā)展進(jìn)程明顯落后于東部沿海地區(qū)。同時(shí),高原地區(qū)水源短缺的情況也進(jìn)一步阻礙了當(dāng)?shù)氐某志冒l(fā)展,因此,如何強(qiáng)化水資源的保護(hù),也成為了當(dāng)?shù)孛媾R的重要問題。此外,高原地區(qū)由于海拔較高,水溫較低,為其污水治理增加了難度和障礙。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(moving bed biofilm reactor,MBBR)源于20世紀(jì)90年代的挪威和瑞典[1-2]。該技術(shù)2008年被成功應(yīng)用于無錫蘆村污水處理廠,隨后在國(guó)內(nèi)污水處理廠提標(biāo)改造中得以充分施展和使用[3]。該技術(shù)負(fù)荷高、占地省、抗沖擊、耐低溫、耐高鹽,在實(shí)際工程當(dāng)中優(yōu)勢(shì)盡顯。目前,MBBR工藝在我國(guó)的應(yīng)用主要集中于中東部平原、盆地和丘陵地區(qū),其在西部高原地區(qū)應(yīng)用的情況較少。

我國(guó)某西部污水處理廠地處青藏高原,為了提高當(dāng)?shù)厮Y源利用率,改善生態(tài)環(huán)境,選擇MBBR工藝進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。本文對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行介紹,并結(jié)合高通量測(cè)序,從微觀角度闡述了其微生物的群落組成,以期為后續(xù)該類項(xiàng)目的實(shí)施提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

我國(guó)西部地區(qū)某高原污水處理項(xiàng)目分為原廠和擴(kuò)建工程兩部分,兩者相鄰而坐,位于同一廠區(qū)內(nèi)。其中原廠建設(shè)規(guī)模為3.0萬m3/d,出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級(jí)A污水排放標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目2017年1月5日經(jīng)由所在市環(huán)保局同意驗(yàn)收進(jìn)入正式運(yùn)行,其工藝流程主要包括:粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及旋流沉砂池、初沉池、多級(jí)多段缺氧/好氧(AO)池、二沉池、除磷池和D型濾池等。

擴(kuò)建工程位于原有廠區(qū)的西側(cè),新增污水處理能力3萬m3/d,選擇多段多級(jí)AO工藝,共9個(gè)構(gòu)筑物及建筑物,設(shè)計(jì)出水水質(zhì)依然為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。2019年3月完成進(jìn)出口在線檢測(cè)環(huán)保驗(yàn)收工作。擴(kuò)建工程與原廠的預(yù)處理和生化工藝相一致,但擴(kuò)建工程的深度處理工藝為高密度沉淀池和纖維轉(zhuǎn)盤濾池,最終消毒出水。

為了進(jìn)一步改善當(dāng)?shù)厮h(huán)境,創(chuàng)造良好的營(yíng)商氛圍,強(qiáng)化水資源的回收利用,本項(xiàng)目的技術(shù)改造也提上日程。在進(jìn)水水質(zhì)與擴(kuò)建工程相一致的情況下,需要將原廠和擴(kuò)建工程的出水處理到優(yōu)于一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)(表1),尾水再排入到下游的中水廠進(jìn)行最終處理。根據(jù)該污水處理廠的原有設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期運(yùn)行情況,對(duì)本次技術(shù)改造的要求包括以下兩點(diǎn)。

表1 改造后設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

(1)生物池要求原池改造。需要在原池基礎(chǔ)上,挖掘現(xiàn)存工藝的潛力,促成環(huán)境效益最大化。

(2)耐低溫。由于該項(xiàng)目位于海拔2 200 m處,水溫低于我國(guó)中東部地區(qū)。其全年最高水溫低于18 ℃,冬季最低溫低于10 ℃,因此,需要選擇耐低溫的工藝,以滿足改造的需要。

鑒于以上兩點(diǎn),為了更好更快地完成技術(shù)改造任務(wù),并使改造后工藝形式與原廠和擴(kuò)建工程相融合,最終決定采用MBBR工藝對(duì)四級(jí)AO生物池進(jìn)行升級(jí)改造,實(shí)現(xiàn)污水處理性能的升級(jí)。其改造思路如圖1所示。原廠和擴(kuò)建工程各有一座四級(jí)AO生物池,每座生物池分為兩組,均采用四級(jí)進(jìn)水的方式。本次采用MBBR工藝對(duì)污水處理廠進(jìn)行提標(biāo)升級(jí),無需新建構(gòu)筑物,無新增占地,也不改變?cè)袠?gòu)筑物狀態(tài)和運(yùn)行方式,因此,能夠?qū)崿F(xiàn)MBBR與現(xiàn)存工藝形式的有效結(jié)合。在二級(jí)好氧區(qū)中投加生物膜懸浮載體,配套MBBR區(qū)輔助穿孔曝氣系統(tǒng)。該穿孔曝氣所需的氣源來自原有曝氣體系。在MBBR區(qū)出水的位置增加懸浮載體攔截裝置,用于攔截懸浮載體,防止其隨水流流失。改造后原廠和擴(kuò)建工程的工藝流程如圖2所示。

圖1 生物池改造

圖2 改造后工藝流程

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)處理

原廠具備回轉(zhuǎn)式粗格柵2臺(tái),柵條間隙為20 mm,并配備螺旋輸送機(jī)1臺(tái)。提升泵房共有3臺(tái)提升泵,2備1用,單泵流量為906 m3/h。2臺(tái)回轉(zhuǎn)式細(xì)格柵,柵條間隙為6 mm,并配備螺旋輸送壓榨一體機(jī)1臺(tái)。旋流沉砂池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),共有兩臺(tái)。初沉池采用半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),分為兩組,單池尺寸為8.0 m×32.0 m×4.0 m,有效水深為3.5 m,設(shè)計(jì)停留時(shí)間為1 h。

原廠的粗格柵間和提升泵房是按照6萬m3/d進(jìn)行建設(shè),因此,擴(kuò)建工程并沒有新增粗格柵間和提升泵房的占地,僅新增了3臺(tái)提升泵,2用1備。新建細(xì)格柵間1座,柵條間隙為5 mm。新建旋流沉砂池2座,直徑為3.05 m。擴(kuò)建工程新建周進(jìn)周出輻流式初沉池3座,池徑為18 m,池邊水深為4.0 m,每座初沉池配備直徑為18 m的全橋式中心傳動(dòng)吸泥機(jī)1臺(tái)。

2.2 生物池

原污水處理廠四級(jí)AO生物池1座,分為兩組,單組的尺寸為60.6 m×29.4 m×6.5 m,有效水深為6.0 m,水力停留時(shí)間為14.0 h。其中厭氧段停留時(shí)間為2.0 h,缺氧段停留時(shí)間為4.0 h,好氧段停留時(shí)間為8.0 h。本次采用MBBR工藝對(duì)污水處理廠進(jìn)行改造,可以保持系統(tǒng)原有構(gòu)筑物狀態(tài)和運(yùn)行方式,不增加占地面積。在二級(jí)好氧區(qū)中投加生物膜懸浮載體,并配套安裝MBBR區(qū)輔助穿孔曝氣系統(tǒng)。在MBBR區(qū)出水的位置安裝懸浮載體專用的攔截裝置,將懸浮載體固定在特定的區(qū)域,防止其隨著水流失。設(shè)計(jì)生化池內(nèi)混合液質(zhì)量濃度為5 000mg/L,BOD5污泥負(fù)荷為0.071 kg BOD5/(kg MLSS)。所用懸浮載體的有效比表面積為800 m2/m3,MBBR區(qū)域的懸浮載體填充率為35%。生物池之后接2座周進(jìn)周出二沉池,池徑為32 m,池邊水深為4.0 m,每座二沉池配備直徑為32 m的全橋式中心傳動(dòng)吸泥機(jī)1臺(tái)。

擴(kuò)建工程共有3座四級(jí)AO生物池。其中厭氧段的單組尺寸為28.7 m×4.35 m×7.4 m,有效水深為6.2 m,水力停留時(shí)間為1.6 h。缺氧段和好氧段的單組尺寸為28.7 m×38.15 m×7.2 m,有效水深為6.2 m,水力停留時(shí)間為16.3 h。其MBBR技術(shù)改造思路與原廠一致。擴(kuò)建工程共有3座周進(jìn)周出二沉池,池徑為28 m,池邊水深為4.0 m,每座二沉池配備直徑為28 m的全橋式中心傳動(dòng)吸泥機(jī)1臺(tái)。

2.3 深度處理

原廠的深度處理工藝包括化學(xué)除磷池和D型濾池。其中化學(xué)除磷池的尺寸為17.8 m×29.5 m×5.8 m,共設(shè)有9臺(tái)攪拌器。在化學(xué)除磷池之后設(shè)置D型濾池,尺寸為27 m×20 m×5.4 m,反沖洗設(shè)備間尺寸為6 m×5 m×3 m。

擴(kuò)建工程的深度處理單元包括高密度沉淀池和纖維轉(zhuǎn)盤濾池。高密度沉淀池包含快速混合池、絮凝反應(yīng)池、濃縮池3部分。快速混合池1座,容積為178.2 m3;絮凝反應(yīng)池2座,單池容積為172.8 m3;濃縮池2座,尺寸為10.0 m×10.0 m,上部設(shè)置斜管分離區(qū)。纖維過濾池1座,內(nèi)設(shè)濾布轉(zhuǎn)盤及中心管一套,直徑為3 m,池體尺寸為10.5 m×6.5 m×4.7 m。

3 運(yùn)行效果分析

原廠和擴(kuò)建工程的MBBR改造始于2020年,2021年4月完成。對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行階段(2021年5月—2022年4月)的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖3)。該項(xiàng)目全年最高的水溫不超過20 ℃。進(jìn)入12月之后,其水溫逐步降低,最低溫度低于10 ℃。在此情境下,其出水穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以2022年2月為例,在原廠進(jìn)水CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS、TP的質(zhì)量濃度分別為(152.2±40.4)、(57.2±23.7)、(12.7±1.1)、(14.5±1.2)、(73.1±24.9)、(1.48±0.34)mg/L的情況下,出水的質(zhì)量濃度分別為(30.8±7.6)、(2.6±0.8)、(0.9±0.3)、(4.2±1.1)、(3.5±0.5)、(0.33±0.05)mg/L。在此時(shí)期,擴(kuò)建工程進(jìn)水CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS和TP的質(zhì)量濃度分別為(226.8±78.4)、(45.0±22.9)、(14.3±1.7)、(17.5±3.1)、(110.6±42.6)、(2.62±0.78)mg/L,出水的質(zhì)量濃度分別降至(28.9±7.2)、(1.9±0.8)、(1.2±0.4)、(8.9±2.2)、(3.2±0.6)、(0.34±0.07)mg/L。上述結(jié)果表明,MBBR具備對(duì)較低溫度的適應(yīng)性。事實(shí)上,我國(guó)西部高原地區(qū),低溫是常見性的問題。本項(xiàng)目的平穩(wěn)運(yùn)行,也為后期西部寒冷地區(qū)MBBR的工藝推廣提供了借鑒意義。

4 懸浮載體性能評(píng)價(jià)

由于本項(xiàng)目采用MBBR工藝進(jìn)行改造,需要對(duì)懸浮載體和活性污泥的CODCr和氨氮去除性能進(jìn)行測(cè)定,以判定懸浮載體在項(xiàng)目中產(chǎn)生的效果,分析泥膜共存的MBBR系統(tǒng)中污泥和生物膜的功能化差異,為高原地區(qū)此類工程項(xiàng)目的應(yīng)用提供可行性的借鑒。本次生物池改造,懸浮載體均投加在二級(jí)好氧區(qū),因此,取原廠和擴(kuò)建工程的懸浮載體進(jìn)行小試,并將兩個(gè)廠的活性污泥進(jìn)行等量混合后進(jìn)行活性污泥小試,測(cè)定小試過程中CODCr和氨氮的濃度變化。在本項(xiàng)目中,懸浮載體掛膜后,均呈現(xiàn)黑色(圖4),且原廠和擴(kuò)建項(xiàng)目的懸浮載體掛膜效果基本一致。

圖4 懸浮載體

本小試的溫度為8～9 ℃。如圖5(a)所示,3組試驗(yàn)中CODCr的濃度均先快速下降,隨后下降的趨勢(shì)逐步減緩,該結(jié)果可能源于試驗(yàn)初期微生物對(duì)CODCr的快速吸附?；钚晕勰嘣囼?yàn)組的CODCr下降速度高于懸浮載體試驗(yàn)組,表明活性污泥對(duì)有機(jī)物的去除能力強(qiáng)于懸浮載體。如圖5(b)所示,針對(duì)活性污泥、原廠懸浮載體和擴(kuò)建工程懸浮載體,隨著反應(yīng)時(shí)間由0增加至120 min,氨氮質(zhì)量濃度分別由11.5、11.7、11.8mg/L降低至8.2、7.9、7.8mg/L。懸浮載體對(duì)氨氮的去除量高于活性污泥,表明懸浮載體的硝化性能強(qiáng)于活性污泥。上述結(jié)果為高原地區(qū)MBBR工藝的設(shè)計(jì)提供了借鑒,具有一定實(shí)踐性意義。事實(shí)上,在泥膜共存的MBBR系統(tǒng)當(dāng)中,有機(jī)物的去除往往更多地由活性污泥承擔(dān),氨氮的去除則更多地由懸浮載體承擔(dān)。究其原因,是懸浮載體對(duì)硝化菌的富集能力強(qiáng)于活性污泥,使得懸浮載體硝化能力強(qiáng)于活性污泥[4]。

圖5 硝化小試結(jié)果

5 微生物群落分析

活性污泥和生物膜中獨(dú)有和共存的分類操作單元(operational taxonomic unit,OTU)數(shù)目如圖6所示?；钚晕勰嗪蜕锬ぶ蠴TU共計(jì)1 387個(gè),其中3組樣品中共有的OTU數(shù)目為746個(gè),占總數(shù)的53.8%。共有的OTU中Actinobacteriota(放線菌門)、Proteobacteria(變形菌門)、Firmicutes(厚壁菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)、Patescibacteria(髕骨菌門)、Bacteroidota(擬桿菌門)、Acidobacteriota(酸桿菌門)和Nitrospirota(硝化螺旋菌門)的相對(duì)豐度分別為34.8%、16.9%、12.9%、12.2%、8.7%、5.7%、4.3%和2.1%。活性污泥、原廠懸浮載體、擴(kuò)建工程的懸浮載體上獨(dú)有的OTU分別為128、90、95個(gè),僅占OTU總數(shù)的9.2%、6.5%、6.8%,表明獨(dú)有OTU并非引起三者功能差異的根本原因。

圖6 活性污泥和生物膜上微生物群落

對(duì)門水平上的菌群差異進(jìn)行分析(圖7)。活性污泥和懸浮載體中豐度最高的兩種微生物均為Actinobacteriota和Proteobacteria。在活性污泥、原廠和擴(kuò)建工程懸浮載體上,Actinobacteriota的相對(duì)豐度分別為35.6%、32.7%和36.1%,Proteobacteria的相對(duì)豐度分別為16.4%、15.8%、18.6%。Bacteroidota在活性污泥中的相對(duì)豐度為10.5%,顯著高于懸浮載體(3.5%和3.6%)。Firmicutes在活性污泥中的相對(duì)豐度略高于懸浮載體;而對(duì)于Chloroflexi則呈現(xiàn)相反的結(jié)果。Nitrospirota在活性污泥中的相對(duì)豐度僅為0.7%,低于其在原廠和擴(kuò)建工程懸浮載體上的相對(duì)豐度(1.8%和3.6%),這從門水平上表明了懸浮載體在富集硝化微生物方面的優(yōu)勢(shì)。

圖7 門水平物種相對(duì)豐度

為了深入地分析系統(tǒng)性能與功能微生物的關(guān)系,對(duì)屬水平上的生物組成進(jìn)行研究(圖8)。Nitrospira(硝化螺菌屬)兼?zhèn)浒毖趸蛠喯跛猁}氧化的功能,可以將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,特別適合在低基質(zhì)條件下生長(zhǎng)[5]。Nitrosomonas(亞硝化單胞菌)和Nitrolancea分別具備氨氮氧化功能和亞硝酸鹽氮氧化功能[2]。在活性污泥、原廠和擴(kuò)建工程懸浮載體之中,Nitrospira的相對(duì)豐度分別為0.70%、1.83%和3.61%,Nitrosomonas的相對(duì)豐度分別為0.37%、0.11%和0.67%,Nitrolancea的相對(duì)豐度則分別為0.99%、7.07%和4.78%。上述3種微生物在活性污泥中的相對(duì)豐度之和(2.06%)低于懸浮載體(9.01%和9.06%)。該結(jié)果與硝化小試中氨氮去除性能的差異相一致,表明懸浮載體和活性污泥在微生物富集方面的不同,最終影響了兩者在泥膜MBBR系統(tǒng)中的功能。相比于活性污泥,懸浮載體對(duì)硝化微生物的富集效果優(yōu)勢(shì)明顯,這也是在本項(xiàng)目水溫偏低的情況下,懸浮載體的硝化性能強(qiáng)于活性污泥的原因。懸浮載體對(duì)硝化菌屬的有效富集,是其強(qiáng)化系統(tǒng)硝化性能的微生物學(xué)基礎(chǔ),也是MBBR工藝處理低溫廢水的優(yōu)勢(shì)所在。即使在冬季溫度極低時(shí),懸浮載體能夠有效截留硝化菌屬,為系統(tǒng)兜底,保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 屬水平物種相對(duì)豐度

Trichococcus(束毛球菌屬)與活性污泥的沉降性有關(guān)[6],其在活性污泥中的相對(duì)豐度為11.48%,高于懸浮載體上的相對(duì)豐度(7.83%和6.30%)。Candidatus_Microthrix和Tetrasphaera均與生物除磷有關(guān)[7-8],其在活性污泥中的相對(duì)豐度之和為12.05%,高于原廠和擴(kuò)建工程懸浮載體上的相對(duì)豐度之和(6.83%和7.34%),表明上述兩種菌屬在污泥中的富集性強(qiáng)于生物膜。在實(shí)際MBBR工程當(dāng)中,生物膜的污泥齡長(zhǎng)于活性污泥,因此,更利于長(zhǎng)泥齡硝化菌屬的繁衍,這是懸浮載體硝化菌的相對(duì)豐度高于活性污泥的原因[2]。與之相反,污泥則更易于富集短泥齡的聚磷菌屬。Rhodobacter、Terrimonas、Ferruginibacter、Defluviimonas是污水生化工藝中數(shù)量較多的反硝化菌屬[9-12]。在活性污泥中,上述4種反硝化菌屬的相對(duì)豐度之和為7.15%,高于原廠和擴(kuò)建工程的懸浮載體(2.51%和3.64%),表明反硝化菌的富集以活性污泥為主。反硝化菌屬的存在,為該工程反硝化脫氮提供了微生物學(xué)的保障。

6 經(jīng)濟(jì)分析

本項(xiàng)目采用MBBR和四級(jí)AO工藝相結(jié)合進(jìn)行原池改造,土建少、無新增占地面積,是高原地區(qū)高效節(jié)地型工藝的典范。

原廠的電耗為0.495 kW·h/m3,按電價(jià)0.6元/(kW·h)計(jì),運(yùn)行電費(fèi)為0.297元/m3。聚合氯化鋁(PAC)用于除磷,費(fèi)用總計(jì)為0.024元/m3。聚丙烯酰胺(PAM)用于污泥脫水,費(fèi)用總計(jì)為0.026元/m3。擴(kuò)建工程的電耗為0.426 kW·h/m3,按電價(jià)0.6元/(kW·h)計(jì),運(yùn)行電費(fèi)約為0.256元/m3。擴(kuò)建工程的PAC和PAM費(fèi)用分別為0.023元/m3和0.026元/m3。

綜合能耗和藥耗,原廠的污水處理項(xiàng)目直接運(yùn)行費(fèi)用為0.347元/m3;擴(kuò)建工程的直接運(yùn)行費(fèi)用為0.305元/m3。合并計(jì)算后,兩廠直接運(yùn)行成本為0.335元/m3。上述兩廠的噸水污泥處置費(fèi)用約為0.136元/m3。本次MBBR工藝進(jìn)行改造后,最終運(yùn)行費(fèi)用為0.471元/m3。

7 結(jié)語

(1)西部地區(qū)某污水處理廠中原廠和擴(kuò)建工程改造同時(shí)運(yùn)行,生化池均為四級(jí)AO工藝,以MBBR技術(shù)進(jìn)行提標(biāo)改造后,即使在水溫低于10 ℃時(shí),出水能夠穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),證明了MBBR工藝在高原地區(qū)應(yīng)用的可行性。

(2)懸浮載體上硝化菌屬(Nitrospirota、Nitrosomonas、Nitrolancea)的相對(duì)豐度高于活性污泥,使懸浮載體的硝化性能強(qiáng)于活性污泥,從微生物學(xué)的角度強(qiáng)化系統(tǒng)的性能,充分證明了MBBR工藝處理低溫廢水的優(yōu)勢(shì)和可靠性。這為后續(xù)高原地區(qū)MBBR工藝的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒。

(3)該項(xiàng)目改造后,原廠和擴(kuò)建工程的直接運(yùn)行成本為0.335元/m3,污泥處置費(fèi)用約為0.136元/m3,合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用為0.471元/m3,且處理效果穩(wěn)定,從而為今后高原地區(qū)MBBR工藝的推廣與應(yīng)用提供了技術(shù)指導(dǎo)和實(shí)踐支撐。