MBBR认知误区解析及在广东地区的应用
引言
2019年9月26日，青岛思普润水处理股份有限公司受邀参加了在广州市召开的2019年水安全保障及水环境综合整治-聚焦粤港澳大湾区水环境建设高峰论坛暨《中国给水排水》第十六届年会，公司华南区总监夏超发表了《MBBR认知误区解析及广东地区的应用》的演讲。
MBBR在国内已经推广10多年了，也涌现了大量的实际工程案例，但实际上行业内对于MBBR，既熟悉又陌生。熟悉是知道MBBR工艺通过向反应器内投加悬浮载体，强化处理效果；而陌生是因为对待MBBR时，容易低估其水力学设计，同时忽视了生物膜与活性污泥的区别。
MBBR主要误区包括悬浮载体对于氮磷的强化效果、生物膜性状及挂膜的认识以及将MBBR工艺材料化的困扰等。
1、误区一
悬浮载体投加能够强化氨氮去除，无法强化TN去除。实际上，这句话的前半句是正确的。MBBR给大家最直观的效果就是增加生物量，强化生物富集作用。生物膜泥龄远高于活性污泥，悬浮载体持留在专性活性区域，有利于细菌的富集培养。通过对已有项目的追踪，我们发现，生物膜上硝化菌群丰度是活性污泥的10余倍，且优化了硝化菌群的种属。硝化细菌质变与量变，大大强化了系统硝化效果。
在悬浮载体能够强化硝化的基础上，硝化不再是系统功能的限制性因素，我们可以通过借用好氧池容，优先满足缺氧反硝化，好氧池容不足引起的硝化缺失，可以最终通过好氧区投加悬浮载体补足。直接在缺氧区投加悬浮载体，会引起搅拌能耗的数倍提升，对于系统的抗冲击负荷能力的提高有限，不作为优先选项。
生物膜分层分布的特点，为同步硝化反硝化（SND）的出现创造了条件。通过优化控制，SND对TN去除贡献能超过10%，如新周污水厂SND贡献率在20-40%，大大节约碳源费用，悬浮载体上稳定的反硝化丰度占比，也为同步硝化反硝化奠定了微生物学证据。所以，好氧区投加悬浮载体，以悬浮载体强化硝化细菌富集为基础，通过池容布置和同步硝化反硝化（SND）的优化调控，同样可以实现TN的强化。
2、误区二
同样与TN有关，认为准IV类水标准TN<10mg/L的要求下，TN无法在生化段保障，必须增加反硝化滤池。以我们在宁波新周16wt/d污水厂升级改造的经验为例，当初为了确保TN达标，生化段设计了Bardenpho-MBBR，通过五段式的后缺氧段保障TN去除，同时深度处理增加了深床反硝化滤池，进一步增加可靠性。新周的实践表明，Bardenpho-MBBR完全能够保障TN的稳定达标，生化池出水TN可稳定<10mg/L，在不投加碳源的情况下比改造前多去除了6-8mg/L的TN，遇到较大冲击时可直接在后缺氧区投加碳源稳定处理效果，后缺氧区的C/N比在3-3.5。改造后的反硝化滤池一直当普通滤池运行，没有发挥投资的最优化效益。Bardenpho-MBBR完全能够替代反硝化滤池的TN去除功能，深度处理选择一般的过滤技术即可保障总体指标的达标。在反硝化深床滤池投加碳源，由于进水DO较高，C/N比高达7-9，以去除5mg/L的TN为例，吨水碳源费用为0.22元，MBBR工艺的选择省去此部分碳源投加费用，年节约1300万元，4年即可回收MBBR的全部投资。因此，MBBR不论是理论上还是实践上，脱氮可稳定达到准IV类水标准，是生化池原池升级的可行途径之一。
3、误区三
认为除磷只与排泥有关，MBBR的加载无法强化生物除磷。针对该问题介绍一个MBBR强化生物除磷的案例，青岛团岛污水处理厂。2010年采用MBBR改造，改造后出水稳定达到一级A标准。团岛厂生物池进水总磷在9mg/L左右，生化段出水可稳定<1mg/L，生物段的TP去除率高达88%，大大节约深度处理的药剂投加费用。团岛生物除磷的强化，与悬浮载体的投加密不可分。活性污泥法=存在污泥龄的矛盾，脱氮除磷效果难以兼顾。悬浮载体的投加，使得系统成为了双泥龄结构。悬浮载体生物膜上的固定态泥龄长，可满足硝化细菌生长需求，因此可适当缩短活性污泥的悬浮态泥龄，强化生物除磷效果。
4、误区四
MBBR在低基质条件下难以挂膜，很多业主尤其是南方地区的业主都会担心进水浓度偏低，生物膜长不起来。按照我们实际工程经验，污水厂夏季挂膜在1-2周，冬季3-6周。以广州大坦沙中试为例，7天可以明显观察到生物膜富集，60天生物膜相对成熟。另外一个更低基质案例是今年刚做的给水预处理项目，进水氨氮只有2mg/L，但池内悬浮载体挂膜良好，第二组投加10天迅速挂膜。实际上，基质并非影响悬浮载体挂膜的最关键因素，最主要的还是运行条件的控制，尤其是流化。流化提供的剪切力刺激微生物胞外聚合物EPS的分泌，强化了悬浮载体的挂膜。水力剪切，是微生物富集、筛选、进化的重要外在条件，也是生物膜动态更新的必要条件。通过优化控制，完全可以规避低水质浓度对挂膜带来的影响，水质浓度越低，对于控制的经验要求越高，需要确保水力剪切，实现正常挂膜。
5、误区五
MBBR生物膜越厚越好，一个基本的逻辑就是，生物膜越厚生物量越多，处理效果也随之增加。但这个逻辑忽略了一点，生物膜法与活性污泥不同，传质是生物膜工艺共同的瓶颈。MBBR就是为了强化传质，才将传统的固定床，优化为移动床。如果传质有问题，再多的生物量也没有处理效果上的增益。一方面，悬浮载体内部过水流道面积有限，一味增加生物膜厚度将导致流道变窄，增加表面张力降低实际比表面积，系统传质受阻；另一方面，DO穿透能力有限，若生物膜较厚内部易形成厌氧层，厌氧发酵将导致生物膜大面积同时脱落，影响处理效果。因此良好的生物膜为薄薄致密一层，MBBR工艺应保障生物膜良好传质传氧而非单纯增大生物量。
6、误区六
将MBBR等同于简单的设备集合，只看到了设备忽视了设计；甚至将MBBR技术材质化。这种认知非常容易出现失败案例。只有把设备、设计和服务统一起来，才能真正实现MBBR的成功。突破MBBR水力学最重要的就是权衡悬浮载体、拦截和流化的关系。载体比重决定流化难易，悬浮载体尺寸决定拦截筛网大小，而流化又为筛网提供清洁动力。
悬浮载体的选择需要综合考虑其外观、材质和参数。外观上，在实验室研究上，不论球形、海绵填料等都取得了不错的处理效果；但是工程上，球形填料水力学上难以流化，质地易碎；海绵填料磨损严重且内部传质困难，目前国内外普遍采用扁圆柱状填料。材质上，高密度聚乙烯HDPE最符合作为悬浮载体的要求，包括密度、耐老化性、耐候性、热塑精密性等，而为了确保MBBR系统整体寿命，行业标准禁止使用回收料生产悬浮载体，防止炭黑等无机质大量掺杂，影响使用寿命。思普润悬浮载体选用HDPE纯料制作，使用寿命＞15年，无需更换补投。无锡芦村已稳定运行11年，悬浮载体状况良好。
悬浮载体最关键的参数就是比表面积，即能够被微生物附着生长且实现良好传质传氧的面积。市面上悬浮载体繁多，肉眼无法判断比表面积。因此14年住建部出台的行业标准规定了多种市场上常用悬浮载体的图样，经专家论证确定对应比表面积。新修订的室外排水设计标准规定了MBBR按照膜面负荷进行设计，一旦出现比膜面积造假虚报等情况，必然引起的工艺负荷大量损失，面临出水不达标风险。
我们建议在载体选择时，以行业标准为参考，统一悬浮载体型号。
而流化，除了前边说的，促进传质传氧的同时，也为筛网清洁防堵提供动力。在实际工程中，通过循环流动池型和微动力混合池型均可实现悬浮载体的充分流化。
服务也是不可或缺的一环。尤其是我们通过对已有案例的追踪、回访，进一步发掘了MBBR的工艺优势，通过优化运行，强化处理效果，实现MBBR性能的增益。因此，MBBR工艺不是简单设备组合，还包括水力学设计、悬浮载体量设计、优化运行等完整的服务体系，MBBR是专业厂商实施的完整工艺包。
以上就是我们对于MBBR常见误区的理解，MBBR可实现强化生物脱氮除磷，在准IV类水标准条件下，生化段可保障氨氮、TN的达标，并强化生物除磷效果；悬浮载体挂膜不受水质浓度限制，在运行过程中应保障生物膜良好传质传氧；并且以工艺包和系统的角度看待这一技术，结合的优化运行，实现MBBR的最大化效益。
分享案例
思普润在对MBBR不断探索和研究过程中，针对广东地区水质特点因地制宜，优化设计，目前区域业绩数量已达14项，水量142.6wt/d。接下来，我们通过MBBR在广东地区的几个典型案例，汇报下MBBR在广东地区实际运行效果。
第一个案例是55wt/d超大提量的广州大坦沙污水处理厂，出水需提标到准V类。大坦沙污水厂主要面临如下问题，首先是广东地区普遍面临的进水碳源不足，影响脱氮效率，此外进水冲击性强，需协同处理垃圾渗滤液，对系统抗冲击能力要求高，最后无扩建用地，只能原池改造。改造采用芦村路线，切割好氧池容延长缺氧池容，在好氧中段设置MBBR区域强化硝化稳定性。鉴于大坦沙污水厂体量大，问题具有普遍性和代表性，为确保MBBR方案可行性，业主和广州市政院组织进行中试验证。方案验证阶段，全程未投加碳源，TN去除量相对于同期污水厂增加4.5mg/L，相同回流比工况下仍优于现状水厂，同时沿程分析也发现了同步硝化反硝化现象，进一步助力TN去除。水量冲击也是南方污水厂面临的普遍问题，中试模拟1.3/1.4倍水量冲击工况，氨氮短暂波动迅速稳定，TN保持稳定，考核指标稳定达到排放标准。协同进行垃圾渗滤液处理时，系统氮素负荷明显提升，进一步加剧了C/N较低的不利情况，同时渗滤液自身具有生化抑制性，但MBBR依然表现出稳定高效的处理效果。在TP去除方面，鉴于MBBR双泥龄特点，适当缩减活性污泥泥龄，保障了生物除磷的良好效果，未投加絮凝剂，出水TP一般＜0.4mg/L。
第二个案例是深圳北控水务横岭污水厂，体量20wt/d，出水执行准IV类标准，面临进水冲击、考核标准严、冬季相对低温等挑战。改造思路是将好氧第一廊道改为缺氧区，并在好氧区投加悬浮载体设置MBBR区，采用微动力混合池型。采用MBBR改造之后，无需投加碳源，出水TN稳定在7-8，实际去除率已经超过理论值，存在明显的同步硝化反硝化现象；在除磷方面，由于MBBR泥龄分置强化生物除磷，工艺PAC加药量仅为二期生物滤池的十分之一；此外，在进水波动时MBBR的抗冲击负荷能力显著优于二期，出水更加稳定。
第三个案例是佛山高明污水处理厂，设计规模10wt/d，生化段采用广东地区常用的A2/O微曝氧化沟工艺。氧化沟改造与A2/O廊道不同，需维持整体完全混合式反应器流态。高明厂改造时将缺氧隔墙后移，拉大池容，在大氧化沟嵌套小的循环流动MBBR池。改造后稳定达标，总氮出水均值可以达到8.3mg/L，全年无需投加碳源。
第四个案例是惠州石湾污水厂，虽然只有3wt/d，但一两期分别采用了A2/O和CASS两种工艺。CASS改造与连续流工艺不同，需考虑时间分配、悬浮载体流化、滗水器等因素，增加了改造难度。CASS采用MBBR改造未动土建，施工周期短，在主反应区末端设置拦截筛网保护滗水器，悬浮载体流化良好无堆积，出水稳定达标。
MBBR工艺在广东应用涵盖了主流工艺和特殊水质，MBBR处理效果稳定，公司也积累了丰富的工程设计调试经验。同时，技术上不断进步，与业主共同合作，开发挖掘MBBR的潜力和优势。专业、专注、专谨是思普润的经营理念，10多年公司只做一件事，就是MBBR，保证MBBR工艺包的合理设计与工程实施质量，不计一切代价实现出水稳定达标，是我们的原则与信条。思普润有信心和能力与广大水务人一起，改善区域水环境，与大家共同履行人类对环境可持续发展的责任，创建人与自然的和谐，谢谢大家！
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