MBBR在准IV类提标改造中的应用与思考
MBBR，作为一种新型高效的污水处理方法，运用生物膜法的基本原理，强化污染物去除。MBBR既充分利用了活性污泥法的优点，又克服了传统活性污泥法及固定式生物膜法的缺点，同时兼具传统流化床和生物接触氧化法的特征，依靠曝气或搅拌的动力使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜复合系统，使得MBBR充分利用了了整个反应器空间，并发挥了附着相和悬浮相生物两者的优越性，扬长避短，相互补充。与以往填料不同的是，悬浮载体能与污水频繁多次接触因而被称为“移动的生物膜”。
MBBR即移动床生物膜技术，其微生物本质是生物膜，水力学特征是移动床，李村河污水处理厂是采用MBBR持续升级的典型案例。
青岛李村河污水处理厂在2010年之前运行水量17万m3/d，出水执行一级B标准。2010年进行第一次提标改造，要求出水COD、BOD、氨氮要达到一级A标准。采用思普润MBBR技术，将MBBR工艺嵌入到好氧池中，实现了以上指标的稳定一级A达标。随着青岛市的发展，污水处理量逐年上升。2015年该污水厂进行第二次提标改造，首先水量从17万m3/d提升到25万m3/d，其次要求所有出水指标均达到一级A标准，且出水具备达到准IV类水的能力。所以我们采用工艺布置形式，扩大了好氧区悬浮载体的投加区域，并形成了五段Bardenpho工艺，来实现提量和提标。
在整个MBBR的升级改造过程中，从设备方面考虑，我们增加了悬浮载体、曝气系统、进水系统和出水筛网系统，形成了整个MBBR工艺中的设备部分。但MBBR绝不仅仅是设备的简单集合，对工艺的认知不足就可能导致工艺的失败，比如填料堆积，筛网跑漏等。李村河污水厂在原池采用MBBR进行改造，实现了从一级B到一级A到体量到达到准IV水的平滑升级。是MBBR在城市污水厂升级改造中的典型应用。
MBBR的升级改造技术路线
在污水厂升级改造的技术路线上，宏观上需要流域统筹、厂网协同，而对于污水处理厂本身而言则主要是能源资源的配置，核心则是各指标，如氨氮、TN、TP、SS去除方式的具体选择。根据多年的升级改造经验，大体形成了三条技术路线：
第一个技术路线是氮素分置。该技术路线的特点是对于生化池的改动小，生化池主要去除氨氮，但需要新增反硝化滤池或MBBR后置反硝化池、混凝等工艺用以去除TN、TP和SS。例如2008年无锡芦村的案例就是采用这样的技术路线，在好氧池投加悬浮载体，强化处理效果，并且增大了缺氧区，为反硝化脱氮创造条件。同时芦村改造的时候，也是新建了深度处理系统，保证了各指标能够稳定达到一级A的标准。
MBBR之所以能够强化硝化反硝化过程，主要是因为从微生物的层面上，在悬浮载体、活性污泥这样的复合系统中，除了亚硝化单胞菌这些污水处理常见的AOB以外，还有硝化螺旋菌作为优势菌种存在。当硝化螺旋菌作为优势菌种存在时，出水氨氮一般都非常稳定，在2mg/L甚至是1mg/L以下，可以作为出水水质较好和稳定的指示性微生物。进一步，我们发现随着填料的成熟，硝化细菌逐步向填料上富集，这是微生物长期进化及选择的结果。所以，以硝化菌群为代表的比生长速率低的长泥龄菌群更易在填料上富集。此外，许多高效反硝化菌群虽然是异养菌，生长速率很低，但它的反硝化速率却很高，在填料上也会有大量的检出。并且随着运行时间的延长，填料上的硝化菌群的占比会逐步增加。通过对十几个污水处理厂的填料进行测定，硝化细菌占比一般在8-10%，最好的为25%的，差异主要是与各个污水处理厂的运行水平有关。
此外，因为MBBR是一个悬浮载体，实质上它是菌种固定化机制。对于采用常规活性污泥法的污水厂，它受到冲击以后，最难保证的就是氨氮的恢复，因为泥受到冲击后AOB得不到增值，并且增大排泥后，氨氧化细菌占比会继续降低。而MBBR的工艺的硝化细菌主要富集在填料上，所以虽然冲击来临的时候水质有波动，但是冲击过后系统就可以很快恢复，所以MBBR的抗冲击能力比较强。浙江的崇福污水厂是抗冲击的典型案例，通过菌群的固定化，使出水可以达到一个较高的排放标准。
第二个技术路线是氮素回归生化，强化生化脱氮。该路线主要是在生化段去除氨氮和总氮，而SS和TP则在深度处理中进行去除。对于总氮去除率要求不高的，可采用A2/O工艺，但是对总氮去除要求高的则需要采用五段Bardenpho工艺。众所周知，传统A2/O工艺对TN的去除受到回流比的限制，一般不大于80%。而在高标准尤其准Ⅳ类水提标的时候，出于对TN的要求，需要采用五段的Bardenpho工艺来破除回流比的限制。
浙江宁波新周污水厂污水厂设计水量16万m3/d，出水执行准Ⅳ类标准。经过MBBR改造以后，出水总氮可达到一个较稳定的水平。三门污水厂，采用MSBR-MBBR工艺进行五段Bardenpho工艺，出水效果稳定达到准Ⅳ类水的水平。
之所以采用这样的工艺路线，一方面受限于A2/O对TN的去除率，通过后置反硝化区域的设计，能够控制总氮去除率达到更高的要求。另外一方面，悬浮载体除了特定的硝化菌群，填料上微生物菌落更加丰富，更容易保持水质的稳定性。
第三个技术路线是要在稳定脱氮的基础之上，强化生物除磷(溶解性总磷)。此时就需要对生化池有更高的要求，以满足生物除磷的基本条件。团岛污水处理厂，设计水量10万m3/d，进水水质浓度非常高。在保证脱氮基础上，通过缩短它的泥龄，强化了生物除磷。使出水总磷稳定地保持在1mg/L，去除率接近90%，充分发挥生物除磷的作用。
之所以MBBR能够强化生物除磷，实际是源于MBBR的双泥龄系统。对于传统的活性污泥法，是单一泥龄系统，所以必须要兼顾脱氮和除磷。但是对于MBBR工艺，则是双泥龄系统，系统既有悬浮态的短泥龄菌群，又有固定式附着态的长泥龄菌群。通过人为控制，实现针对脱氮除磷泥龄的分离，强化脱氮除磷。
以上三条技术路线基本上可以满足大多数污水厂的升级改造。它们有一个共同的特征，就是将MBBR工艺镶嵌在原工艺内。整个技术路线都是以回归生物处理为基础，充分挖掘生化潜能，立足水厂现在，考虑未来发展。MBBR在其中发挥着生物选择器的作用。
填料的设计参数与材质选择
MBBR工艺更加关注填料的设计和选型，青岛思普润联合住建部共同出台了《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》行业标准，行业标准的制定主要是规范了市场的一些乱象，对悬浮载体进行了统一的界定。在材质上，由于高密度聚乙烯(HDPE)在密度、耐候性以及热塑精密性上的优越，所以采用HDPE作为悬浮载体的材质。
另一方面是关于设计参数，通过对多个污水处理厂参数进行总结对比后发现，当两种不同类型的填料型号不同，填充率不同，但面积相同的时候，其处理能力是相当的。MBBR的微生物学本质是生物膜，本来就对界面要求非常高，这也符合逻辑认知。所以在MBBR设计上更倾向于采用膜面负荷。很多人会认为填料的作用就是一味的增加生物量。但是，需要认知的是生物量越多必然导致生物膜越厚，当生物膜厚度过高，就会减少过水断面，影响流化和传质。一个极端的情况就是填料上全部都是微生物，此时生物膜过厚无法传质，势必也会影响去除效果。所以冬季最佳的生物膜厚度为100μm，而夏季则是60μm。所以MBBR的设计不是按照污泥负荷，而是采用膜负荷进行设计。
台州黄岩污水厂就是基于这样的理念进行的设计。黄岩污水厂是2014年改造，但直到2107年才验收合格。之所以会产生这些问题，就是由于进水水质大面积的超标，并且波动较大。对于一般活性污泥系统，基本上不会有太大的效果。但是采用MBBR工艺处理后，经过几年的运行，填料上的硝化细菌逐步富集，现在系统基本上达到稳定，并且在进水存在波动甚至超标的时候，出水依然能够保持稳定。这也体现设计方案、设计方式的正确性。按照膜负荷的设计指标，在设计范围内就能达标，超过设计范围就不达标，无任何填料的多投，这就体现了设计参数的合理性。从材质寿命上来讲，进行了一系列的模拟实验，实验结果远远高于15年。
发展方向—关注MBBR的流化和传质
填料的发展方向应该朝着具有更大有效比表面积的方向发展。所以在工艺上，需要强调的是有效生物膜面积，要正确认知生物膜的作用，关注它的流化和传质。
工程方面，最直观的就是关于填料的拦截、流化。首先，比较好的拦截系统要保障筛网不堵、不变形。MBBR不是简单的筛网和填料的组合，也不是简单设备的集合。筛网技术的核心就是防堵，MBBR成功的前提就是掌握水力学相关技术。填料的流化是保证传质传氧良好的前提，是达到预期处理效果最基本的要求。填料不流化，基本不挂膜，所以流化提供的水力剪切，是微生物富集、筛选、进化非常重要的外在条件，是生物膜动态更新的必要条件，是连接MBBR的宏观和微观，是MBBR区别于其他工艺最基础的特征，也是MBBR工艺与其他活性污泥和生物膜工艺要求不一样的地方。
由于MBBR是一个生物膜工艺，所以需更加关注其传质效果。此外，生物膜属不饱和的营养结构。当基质增大的时候，传质动力增强，去除负荷就会增加，这有利于提高抗冲击负荷能力。生物膜的分层结构，有利于创造微观的厌/缺氧、好氧的环境，为同步硝化反硝化创造了条件。实际上，在MBBR好氧区也发现了同步硝化反硝化过程，对TN的去除最多可达到20%，极大的节省了碳源投加。对于同步硝化反硝化调试的核心，就是控制好溶解氧和水力剪切的平衡。
技术升级
思普润同样注重产品升级。早期的项目在无锡芦村使用的是循环流动池型，需要增加推流器来辅助填料流化。而现在，可以采用微动力混合池型，不需推助推流器。通过水力的科学布置，就能够实现较好的流化，极大的节省的投资和运行费用。
所以在工程上，最关注的是流化和传质。工程水平的高低不仅关系着能否成功，更关系着MBBR基本原理能否在工程中展现。思普润的实践经验主要是来源于大量的工程应用。截止到目前，思普润以及积累了近100项工程案例，日处理水量近600万吨，业绩内遍布国内22个省级行政单位。对于北方的低温有非常显著的效果。在华东具体到长三角地区，也涵盖了MBBR结合各种工艺处理各类型水质，出水稳定达到一级A以及地表准IV水的各类工程业绩。
凝练MBBR工艺的优势就是，采用“镶嵌式”理念，能够快速施工，投资费用低低、能达到要求的排放标准，运营效果稳定，并且不改变原来工艺的运行方式，后期运行维护简单，也可在后期通过填料的补投来实现水量和水质的持续升级。
从工艺包来讲，前面说到的填料、进水、拦截、曝气系统是MBBR的设备集合，此外MBBR的设计和后期的运行保证都是工艺包中的重要一环，三者紧密结合才能让MBBR系统更好的运行。思普润会和用户签订水质保障协议，保证水质达标，这是对产品的绝对信心，也是对技术的承诺。
MBBR工艺的发展
以污水厂能源资源平衡的概念厂是未来的发展方向，核心工艺就是MBBR和自养脱氮，MBBR是思普润已有的核心优势，自养脱氮则是未来技术的主要发展方向。思普润研发中心已经启动了50m3/d的厌氧氨氧化中试，目前也获得了非常好的效果。MBBR作为易附着菌群的载体，可以对一些特殊水质进行细菌的筛选，这也是MBBR未来的发展方向。
