污水實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)排放的難點(diǎn)是脫氮，脫氮的關(guān)鍵是生化過(guò)程。污水生化處理的核心是利用微生物將污水中的污染物進(jìn)行降解轉(zhuǎn)化，根據(jù)微生物的存在形式，生化工藝可分為生物膜法和活性污泥法兩大類。1893年，第一座基于生物膜法的生物濾池在英國(guó)Wales投入使用。1914年，第一座活性污泥法污水處理試驗(yàn)廠在英國(guó)Manchester投入使用。在早期的污水處理過(guò)程中，以脫碳為主要目標(biāo)，對(duì)脫氮要求不高，因此活性污泥法得到了快速的發(fā)展。從2008年無(wú)錫蘆村污水處理廠開始，我國(guó)市政污水排放標(biāo)準(zhǔn)開始執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；2012年，北京市發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/890—2012），其氨氮和總氮的最嚴(yán)值分別為1.0、10mg/L；2020年，云南省昆明市發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放限值》（DB5301/T43—2020）標(biāo)準(zhǔn)，要求TN達(dá)到5mg/L。持續(xù)提升的氮排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)污水處理生化工藝的高效性和穩(wěn)定性均提出了更嚴(yán)格的要求，活性污泥法在應(yīng)對(duì)高氮標(biāo)準(zhǔn)上表現(xiàn)出易受沖擊、穩(wěn)定性差、流程長(zhǎng)、占地大等不足。生物膜法的核心優(yōu)勢(shì)是通過(guò)長(zhǎng)泥齡實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)菌的高效富集，從已有的研究成果來(lái)看，在同一生化系統(tǒng)中，生物膜法對(duì)硝化菌的富集能力是活性污泥法的10倍以上。在針對(duì)高氮標(biāo)準(zhǔn)上，生物膜法具有高效、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。
以北方某污水處理廠為例，介紹了在同樣進(jìn)水條件下，活性污泥法和生物膜法的脫氮效果對(duì)比，以期為高氮標(biāo)準(zhǔn)下污水處理工藝的選取提供參考。
1、污水處理廠概況
該污水處理廠設(shè)計(jì)處理水量為12×104m3/d，分兩期建設(shè)，其中一期采用傳統(tǒng)活性污泥法，處理規(guī)模11×104m3/d，核心生化處理工藝為AAO；二期采用移動(dòng)床生物膜法（純膜MBBR），處理規(guī)模1×104m3/d，核心生化處理工藝為AOAO。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)水NH3-N為50mg/L，進(jìn)水TN為70mg/L。一期活性污泥法出水執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，二期生物膜法出水要求達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其中要求NH3-N達(dá)到1.5mg/L、TN達(dá)到5mg/L。污水處理廠工藝流程見圖1。
一期和二期工程共用預(yù)處理段，包括細(xì)格柵、旋流沉砂池及初沉池，初沉池之后污水分流，分別進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)和生物膜系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)出水最終進(jìn)入同一個(gè)消毒單元后外排。活性污泥系統(tǒng)生化單元總水力停留時(shí)間（HRT）為23.8h，其中生物池為20.8h，厭氧區(qū)為2.3h，缺氧區(qū)為6.2h，好氧區(qū)為12.3h；污泥濃度（MLSS）為6g/L；系統(tǒng)總回流比為400%，其中硝化液回流比為300%，污泥回流比為100%；二沉池HRT為3h。生化單元總占地面積為18805m2，核算噸水占地為0.171m2（/m3·d-1）。二沉池出水依次通過(guò)高效沉淀池、轉(zhuǎn)盤濾池進(jìn)一步進(jìn)行泥水分離，停留時(shí)間分別為0.5、0.1h。生物膜系統(tǒng)的生物池水力停留時(shí)間為10.35h，其中前缺氧區(qū)3.45h，前好氧區(qū)4.60h，后缺氧區(qū)和后好氧區(qū)均為1.15h，硝化液回流比為250%，無(wú)污泥回流，無(wú)傳統(tǒng)二沉池，MLSS≤500mg/L。生物池總占地面積為600m2，噸水占地為0.06m2（/m3·d-1）。生物池投加HDPE材質(zhì)SPR-Ⅲ型懸浮載體，尺寸為Ø25mm×10mm，有效比表面積≥800m2/m3。其中好氧區(qū)懸浮載體填充率為60%，缺氧區(qū)懸浮載體填充率為55%。污水經(jīng)生化處理后通過(guò)超效分離工藝進(jìn)行泥水分離，停留時(shí)間為0.25h。
2、運(yùn)行效果分析
對(duì)該污水處理廠2022年1月—2023年3月共計(jì)432d的進(jìn)、出水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，以分析不同污水處理工藝的脫氮情況。
2.1 脫氮效果與穩(wěn)定性
圖2為不同工藝系統(tǒng)的脫氮效果。在進(jìn)水氨氮和TN濃度分別為（50.46±13.55）、（70.33±19.58）mg/L的情況下，分別經(jīng)過(guò)活性污泥和生物膜的處理，出水氨氮分別為（1.04±0.85）、（0.45±0.37）mg/L，出水TN分別為（12.73±2.58）、（3.79±0.81）mg/L，可見生物膜系統(tǒng)脫氮效果明顯優(yōu)于活性污泥系統(tǒng)，尤其是出水TN穩(wěn)定低于5mg/L，滿足國(guó)內(nèi)最嚴(yán)TN排放標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)水氮濃度波動(dòng)較大時(shí)，生物膜法出水氮濃度較活性污泥法更為穩(wěn)定。
污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)是影響污水處理效果的關(guān)鍵因素，其同時(shí)受到水質(zhì)和水量的影響，在高負(fù)荷下出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)是污水處理工藝良好運(yùn)行的重要表征。本項(xiàng)目中兩種工藝系統(tǒng)在面臨進(jìn)水負(fù)荷達(dá)到1.3倍及以上沖擊時(shí)的脫氮效果如表1所示。
活性污泥法超標(biāo)期間進(jìn)水NH3-N負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的44.15%，出水較研究期均值提升21.41%，進(jìn)水TN負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的42.83%，出水較研究期均值提升8.58%；生物膜法超標(biāo)期間進(jìn)水NH3-N負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的52.07%，出水較研究期間均值提升11.12%，進(jìn)水TN負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷48.43%，出水較研究期間均值提升0.44%。從核算結(jié)果看，在進(jìn)水氨氮和TN負(fù)荷超標(biāo)較多的情況下，兩種工藝均體現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗沖擊能力，出水水質(zhì)滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但生物膜法抗沖擊能力明顯優(yōu)于活性污泥法，尤其在進(jìn)水TN沖擊時(shí)，出水TN濃度幾乎無(wú)明顯增長(zhǎng)。原因在于，懸浮載體生物膜依賴濃度梯度傳質(zhì)，在進(jìn)水負(fù)荷正常時(shí)，依靠外層生物膜即可實(shí)現(xiàn)污染物穩(wěn)定高效去除，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)水負(fù)荷沖擊時(shí)，生物膜內(nèi)外污染物濃度梯度增大，強(qiáng)化了生物膜的傳質(zhì)效果，內(nèi)層的生物膜開始發(fā)揮污染物去除作用，從而實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷下的穩(wěn)定出水達(dá)標(biāo)。
進(jìn)一步核算了不同工藝系統(tǒng)的硝化及反硝化容積負(fù)荷，不同系統(tǒng)的沿程氨氮、TN變化及負(fù)荷情況如圖3所示。
對(duì)于活性污泥AAO工藝，硝化主體位于好氧區(qū)，脫氮主體位于缺氧區(qū)，實(shí)際沿程測(cè)定顯示好氧區(qū)硝化負(fù)荷為0.133kgN/（m3·d）、缺氧區(qū)反硝化負(fù)荷為0.226kgN/（m3·d）。對(duì)于生物膜AOAO工藝，硝化的主體是前好氧區(qū)，脫氮的主體是前缺氧區(qū)和后缺氧區(qū)，實(shí)際沿程測(cè)定顯示前好氧區(qū)硝化負(fù)荷為0.363kgN/（m3·d）、缺氧區(qū)脫氮負(fù)荷為0.343kgN/（m3·d），其中前缺氧區(qū)為0.331kgN/（m3·d）、后缺氧區(qū)為0.367kgN/（m3·d）。后好氧區(qū)作為保障區(qū)域，實(shí)際負(fù)荷為0.013kgN/（m3·d）。針對(duì)硝化，生物膜系統(tǒng)中硝化負(fù)荷達(dá)到活性污泥系統(tǒng)的2.73倍，保障了出水氨氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，也為總氮的深度去除提供了基礎(chǔ)。后好氧區(qū)發(fā)揮保障作用，在沿程測(cè)定中負(fù)荷較低。針對(duì)反硝化，生物膜系統(tǒng)整體反硝化負(fù)荷達(dá)到活性污泥法的1.52倍，其中前缺氧區(qū)和后缺氧區(qū)的脫氮貢獻(xiàn)率分別為66.36%和20.32%，保障了出水TN穩(wěn)定低于5mg/L。基于硝化和反硝化負(fù)荷的大幅提升，生物膜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了占地的集約，噸水占地僅為活性污泥系統(tǒng)的35.08%。此外，在生物膜系統(tǒng)的前好氧區(qū)也出現(xiàn)了TN的去除，脫氮貢獻(xiàn)率為13.32%，容積負(fù)荷為0.091kgN/（m3·d），推測(cè)是發(fā)生了同步硝化反硝化（SND）現(xiàn)象。進(jìn)一步核算脫氮所需的C/N，活性污泥系統(tǒng)為4.11，而生物膜系統(tǒng)為3.7，生物膜系統(tǒng)低于活性污泥系統(tǒng)。
2.2 脫氮機(jī)理分析
脫氮效率的高低取決于系統(tǒng)功能菌的富集效率，而功能菌的富集效率體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是系統(tǒng)內(nèi)污泥絕對(duì)量的多少，另一方面是有效微生物富集能力的高低。研究期間活性污泥法MLSS為6.14g/L，MLVSS/MLSS為52%，即MLVSS為3.19g/L；生物膜系統(tǒng)好氧區(qū)生物量為15.22g/m2，缺氧區(qū)生物量為11.35g/m2，進(jìn)一步根據(jù)總生物膜面積和池容進(jìn)行核算，換算MLSS分別為7.3、5g/L，而生物膜的MLVSS/MLSS達(dá)到了71%~77%，以均值74%核算，即MLVSS分別達(dá)到5.4、3.7g/L。雖然活性污泥系統(tǒng)和生物膜系統(tǒng)的MLSS指標(biāo)較為接近，但由于生物膜有機(jī)質(zhì)含量更高，因此其MLVSS明顯高于活性污泥系統(tǒng)，在污泥絕對(duì)量上生物膜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了增長(zhǎng)。
分別取活性污泥與生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序，結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知，兩工藝系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)硝化菌主要為亞硝化單胞菌Nitrosomonas和硝化螺旋菌Nitrospira，其中Nitrosomonas為氨氧化菌（AOB），其將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，在活性污泥系統(tǒng)中的相對(duì)豐度為0.26%，在生物膜系統(tǒng)前好氧區(qū)的相對(duì)豐度為3.11%。Nitrospira為亞硝酸鹽氧化菌（NOB），其將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮，部分菌屬也具備直接將氨氮氧化為硝酸鹽氮的能力，在活性污泥系統(tǒng)中的相對(duì)豐度為0.95%，生物膜系統(tǒng)前好氧區(qū)的相對(duì)豐度為10.96%。整體來(lái)看，活性污泥系統(tǒng)中執(zhí)行硝化功能菌屬的相對(duì)豐度為1.21%，而生物膜系統(tǒng)為14.07%，達(dá)到活性污泥系統(tǒng)的11.62倍。
活性污泥系統(tǒng)反硝化菌相對(duì)豐度為22.12%，優(yōu)勢(shì)菌屬包括Trichococcus、Hyphomicrobium等，生物膜系統(tǒng)前缺氧區(qū)反硝化菌相對(duì)豐度為27.86%，優(yōu)勢(shì)菌屬包括Flavobacterium、Dechloromonas等，生物膜系統(tǒng)對(duì)反硝化菌的富集能力略高于活性污泥系統(tǒng)。同時(shí)，在生物膜系統(tǒng)的前好氧區(qū)，同樣發(fā)現(xiàn)了反硝化菌的富集，相對(duì)豐度達(dá)到了16.22%，優(yōu)勢(shì)菌屬包括Acetobacter、Trichococcus等，為好氧區(qū)同步硝化反硝化的現(xiàn)象提供了微觀證明。從功能菌相對(duì)豐度可以看出，生物膜系統(tǒng)對(duì)功能菌的富集能力高于活性污泥系統(tǒng)，這主要是由于活性污泥系統(tǒng)中污泥隨水流在各個(gè)功能區(qū)中循環(huán)流動(dòng)，不斷經(jīng)歷厭氧、缺氧、好氧的環(huán)境，造成了功能菌無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的富集，而生物膜系統(tǒng)中通過(guò)攔截系統(tǒng)的設(shè)置，將懸浮載體在特定區(qū)域、特定條件下均勻流化，實(shí)現(xiàn)了專性培養(yǎng)，大大提高了系統(tǒng)對(duì)功能菌的富集能力，尤其是對(duì)于自養(yǎng)型的硝化菌屬，強(qiáng)化富集效果更加明顯。
此外，生物膜系統(tǒng)中分別以進(jìn)水有機(jī)物和外源有機(jī)物為碳源的前缺氧區(qū)與后缺氧區(qū)在反硝化菌群組成上也存在較明顯的不同，后缺氧區(qū)菌屬較為單一，優(yōu)勢(shì)反硝化菌為Denitratisoma，占比達(dá)到4.87%，這與后缺氧區(qū)碳源類型較為單一有關(guān)。同時(shí)后好氧區(qū)亞硝化菌單胞菌Nitrosomonas和硝化螺旋菌Nitrospira相對(duì)豐度分別為0.35%和2.68%，仍遠(yuǎn)高于活性污泥系統(tǒng)，具有較高的硝化潛力，為系統(tǒng)的抗沖擊能力及穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供保障。
進(jìn)一步地，將污泥絕對(duì)量與功能菌相對(duì)豐度相乘，可近似得到系統(tǒng)內(nèi)功能菌的絕對(duì)量。活性污泥系統(tǒng)內(nèi)硝化菌絕對(duì)量為0.04g/L，反硝化菌絕對(duì)量為0.69g/L。生物膜系統(tǒng)內(nèi)硝化菌絕對(duì)量為0.78g/L，反硝化菌絕對(duì)量為1.06g/L，分別為活性污泥系統(tǒng)的20.68、1.53倍。因此，生物膜系統(tǒng)較活性污泥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脫氮效率的大幅提升，同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)出水的基礎(chǔ)上，還具有較大的硝化和反硝化潛力尚未發(fā)揮，在面臨沖擊時(shí)，可通過(guò)調(diào)控運(yùn)行條件進(jìn)行充分釋放，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。
2.3 運(yùn)行與調(diào)控
實(shí)現(xiàn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行與調(diào)控，是保障系統(tǒng)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。活性污泥法良好運(yùn)行的核心要素是維持良好的污泥形態(tài)與適宜的運(yùn)行環(huán)境。在進(jìn)水基質(zhì)濃度過(guò)低的情況下，容易發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象，原因在于絲狀菌對(duì)于基質(zhì)及溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)能力高于自養(yǎng)型硝化菌，在低基質(zhì)濃度下絲狀菌過(guò)量增殖導(dǎo)致污泥膨脹，污泥沉降性能大幅下降。此外，本項(xiàng)目處于北方地區(qū)，冬季水溫最低達(dá)到12℃以下，持續(xù)約2個(gè)月，由于活性污泥系統(tǒng)對(duì)功能菌的富集能力較低，在冬季低溫條件下，常規(guī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定出水達(dá)標(biāo)具有較大壓力，因此冬季以高污泥濃度運(yùn)行，并適當(dāng)提高曝氣量與碳源投加量，確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但高污泥濃度對(duì)二沉池和深度處理的運(yùn)行造成較大壓力。對(duì)于活性污泥法而言，其優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)行調(diào)控相對(duì)簡(jiǎn)便，但活性污泥受外界因素影響大，不適宜的溫度、DO、基質(zhì)濃度等都易造成系統(tǒng)運(yùn)行效果的下降，這也是導(dǎo)致活性污泥法抗沖擊性能較弱的原因之一。
純膜MBBR工藝，不富集活性污泥，因此無(wú)污泥膨脹、解體等相關(guān)問(wèn)題。而純膜MBBR工藝運(yùn)行的關(guān)鍵在于流化和攔截，良好的流化是效果的保障，穩(wěn)定的攔截是安全的保障。目前市面上采用MBBR工藝多面臨懸浮載體難流化以及出現(xiàn)攔網(wǎng)磨損載體泄漏等問(wèn)題。本項(xiàng)目載體填充率達(dá)到55%以上，在MBBR的應(yīng)用領(lǐng)域中屬于高填充率，若控制不佳，極易在污水前進(jìn)方向末端、生物池死角處出現(xiàn)載體堆積不流化的現(xiàn)象，造成懸浮載體難掛膜或傳質(zhì)傳氧效果的下降。因此控制的核心是通過(guò)曝氣的均勻分配，攪拌器攪拌頻率的控制以及開啟臺(tái)數(shù)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮載體的良好流化過(guò)程。填充率高的另外一個(gè)問(wèn)題就是懸浮載體數(shù)量多，增加了與攔網(wǎng)的摩擦頻率，雖然對(duì)攔網(wǎng)起到了刮洗作用，可避免發(fā)生纖維堵塞，但加速了攔網(wǎng)的磨損。因此在設(shè)計(jì)安裝之初，選擇了磨損指數(shù)較不銹鋼材質(zhì)更低的新材料攔網(wǎng)。安裝厚度為12mm，目前已穩(wěn)定運(yùn)行2年，在攔網(wǎng)不同位置的磨損量約0.20~0.25mm/a，以0.25mm/a核算，使用30年后攔網(wǎng)仍有4.5mm的厚度，強(qiáng)度仍能維持正常運(yùn)行。
3、結(jié)論與展望
以北方某污水處理廠為例，分析了活性污泥法和生物膜法在運(yùn)行效果、工藝機(jī)理和運(yùn)行控制上的差異。從運(yùn)行效果來(lái)看，生物膜法抗沖擊能力更強(qiáng)，具有更高的硝化和脫氮能力，生物池出水NH3-N和TN分別達(dá)到（0.45±0.37）mg/L和（3.79±0.81）mg/L，同時(shí)基于SND過(guò)程實(shí)現(xiàn)了C/N的降低。從工藝機(jī)理來(lái)看，生物膜法實(shí)現(xiàn)了功能菌的高效富集，硝化菌和反硝化菌的絕對(duì)生物量分別為活性污泥系統(tǒng)的20.68、1.53倍，是生化效率提升的內(nèi)在原因，也提高了系統(tǒng)的抗沖擊能力。基于生物膜生化效率的提升，生物膜法生化段噸水占地僅為活性污泥系統(tǒng)的35.08%，實(shí)現(xiàn)了集約化建設(shè)。在實(shí)際運(yùn)行中，活性污泥法應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注污泥形態(tài)的維持及運(yùn)行參數(shù)的調(diào)控；生物膜法不富集活性污泥，但應(yīng)保證良好的傳質(zhì)傳氧效果和結(jié)構(gòu)設(shè)備的穩(wěn)定。基于生物膜法高效富集功能菌和分層分布的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化菌的有效富集，在主流工藝中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的厭氧氨氧化脫氮效果，進(jìn)一步降低污水處理碳排放，是生物膜法未來(lái)需要重點(diǎn)研究和突破的方向。（來(lái)源：煙臺(tái)市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，浙江天然城建設(shè)計(jì)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）
