谈小雁，李 军，李志伟，张晶晶

(1.上海建邦环境科技有限公司，上海 200051；2.浙江天然城建设计有限公司，浙江温州 325000；3.青岛思普润水处理股份有限公司，山东青岛 266555)

随着我国经济社会的不断进步，污水处理行业也得到了蓬勃发展。根据《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》的要求，到2025年，基本消除城市建成区生活污水直排口和收集处理设施空白区，城市和县城污水处理能力基本满足经济社会发展需要，到2035年，城市生活污水收集管网基本全覆盖，城镇污水处理能力全覆盖。然而，随着城市的建设与发展，污水处理厂的新建和提标改造中占地紧缺的问题愈发严重，需要采用节地型的污水处理工艺，从而满足污水处理行业发展的要求。膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR)和移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor，MBBR)均属于典型的节地型工艺，已在污水处理行业当中得以实践[1-2]。然而，MBR工艺在实践中存在膜组件费用高、膜污染频繁、膜前曝气量高等弊端，需要经常对膜组件进行酸碱清洗，以保持污水处理量，而后期膜组件的更换也将增加运维成本。与MBR工艺相比，MBBR工艺不存在膜污染的问题，悬浮载体在曝气的情况下实现生物膜的迭代更新，可持续保持较高活性。MBBR工艺以悬浮载体富集功能化菌属、原位强化污水生物处理的性能[3]，自2008年在无锡芦村污水处理厂首次成功应用以来[4]，因其具有污染物负荷高、抗冲击能力强、适于原池改造等特点，目前，MBBR已被广泛应用于我国污水处理项目的提标改造和新建工程。

1 项目概况

某污水处理厂的设计处理水量共计196 000 m3/d，分4期逐步建成。该污水处理厂地处我国华东地区太湖流域，服务面积约为 115 km2。其中一期工程规模为50 000 m3/d，于2004年建成运行；二期工程规模为50 000 m3/d，且深度处理工程(100 000 m3/d)于2008年建成运行；三期工程增加规模为48 000 m3/d，于2016年建成运行。随着当地用水人数的增长和经济水平的提高，市政管网系统逐步完善，污水接管率有所提高，处理水量呈现逐年增加的趋势。在原有一期、二期和三期工程满负荷运行的情况下，又进行了处理规模为48 000 m3/d的四期工程建设，并最终投入运行。其中,一期、二期以改良AAO为主体生物工艺，采用露天池体;三期、四期的工艺形式为改良式五段Bardenpho，采用加盖池体。深度处理工程采用生物强化+气水反冲洗滤池工艺，经紫外消毒后，尾水排入太仓塘。污泥经板框脱水，配合投加生石灰和FeCl3，使污泥含水率降低至60%，并最终外运焚烧。由于污水处理厂距南侧居民小区较近，防护距离内构筑物采用封闭除臭措施，除臭工艺为生物滤池除臭法。

该厂的进水多数为市政污水，工业污水较少，该厂所处区域为无锡、苏州等城市的主要水源地，人口稠密、经济发达。随着当地制造业的不断升级，工农业体系的不断完善，当地面临的污水处理压力也日益增加。为了进一步改善流域环境，增加污水回用量，保障人民群众的生活质量，需要进一步削减污染物的排放量，对原有的污水处理系统进行升级改造。该污水处理厂地处城区核心地段，占地紧缺，需要采用节地型工艺进行改造升级。鉴于MBBR工艺在华东地区污水处理项目中的广泛应用以及该工艺在原池改造中的突出优势，选择MBBR工艺对该污水处理厂进行升级改造。

本项目根据污水处理厂各期不同情况，因地制宜，采用不同的思路，完成了系统的升级。本次研究一方面对改造后污水处理厂的运行数据、费用情况进行追踪；另一方面，结合高通量测序，对系统的微生物群落进行解析，从而判定悬浮载体投加对系统的强化效果。

2 工艺设计

本项目秉承节省成本、节约用地的理念，以MBBR工艺充分挖掘现有工艺的潜能。升级后的水质标准如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

一期和二期工程原工艺为改良式AAO工艺，三期和四期工程原工艺为改良式五段Bardenpho工艺，本次改造的思路如图1所示。在处理水量不变的情况下，保持预缺氧区和厌氧区的容积不变，将一期和二期工程的缺氧区扩大，进一步增强系统的反硝化功能，并将好氧区缩小，好氧不足的部分通过投加悬浮载体进行补充。三期和四期工程原有反硝化功能可满足改造要求，因此，保持各个功能区域基本不变，仅在好氧区投加悬浮载体，用以增强硝化功能。在MBBR区域增设辅助穿孔曝气系统，保障悬浮载体在池体中的充分流化，并设置进出水拦截系统，防止悬浮载体流失。所用悬浮载体由高密度聚乙烯材料制成，其直径为(25.0±0.5)mm，高为(10.0±1.0)mm，悬浮载体均被投加在好氧第二廊道。改造后，各期各功能区的水力停留时间如表2所示。本项目设计污泥质量浓度为3.5 g/L，最大气水比为6∶1。其中，一期和二期工程的设计有效水深为6.0 m，总回流比为300%；三期和四期工程的设计有效水深为7.2 m，总回流比为200%。

图1 改造示意图Fig.1 Schematic Diagram of Reconstruction

表2 水力停留时间Tab.2 Hydraulic Retention Time(HRT)

3 试验方法

3.1 沿程测定

一期和二期工程沿程样品分别取自总进水口、缺氧池出水端、MBBR进水端、MBBR出水端、生物池出水端，三期和四期工程的沿程样品分别取自总进水口、缺氧池出水端、MBBR进水端、MBBR出水端、1级好氧池出水端、后缺氧池出水端和生物池出水端。以上水样均为3次的混合样品，测定指标为氨氮，从而判定各个反应池对氨氮的去除效果。

3.2 小试试验

为验证悬浮载体的硝化性能，进行了硝化小试试验。小试用水取自二沉池出水端，并补充氨氮。取好氧MBBR池中悬浮载体进行研究，反应体积为10 L，设置悬浮载体填充率为30%。小试期间系统温度在12～13 ℃，溶解氧(DO)质量浓度在6.0 mg/L左右，定时取样并对水样的氨氮、硝酸盐氮含量进行测定。

3.3 分析方法

沿程样品及小试样品的常规指标均采用国标方法测定，DO采用便携式溶解氧仪测定。以高通量测序技术探究悬浮载体和污泥样品中的微生物组成。高通量样品取自2021年1月，此时悬浮载体挂膜均已成熟稳定，而活性污泥系统亦稳定运行多年，所取样品均具备足够的代表性。通过专用试剂盒提取样品中微生物基因组DNA，随后对抽提基因组进行完整性检测，并以Qubit 3.0 DNA试剂盒测定DNA浓度。此后进行PCR扩增，其扩增产物经琼脂糖电泳，通过DNA胶回收试剂盒(SanPrep)处理后得以回收，再以Qubit 3.0 DNA检测试剂盒精确定量所回收的DNA，以1∶1的等量混合后，开展测序工作，通过Illumina MiSeq测序平台完成对样品高通量测序。

4 运行效果分析

本项目的改造始于2020年3月底，改造时间由早到晚分别为二期、一期、四期和三期工程。其中一期和二期工程于2020年7月底正式完成改造、调试，三期和四期工程于2020年10月底正式完成改造、调试。本文分析了一期和二期工程在2020年8月—2021年4月共计272 d，以及三期和四期工程在2020年11月—2021年4月共计180 d的进出水水质数据。

4.1 对有机物的去除效果

有机污染物的进出水浓度如图2所示。对于一期和二期工程，进水CODCr和BOD5平均质量浓度分别为(229.6±69.3) mg/L和(113.6±33.3) mg/L，出水CODCr和BOD5的质量浓度分别为(22.9±3.6) mg/L和(4.2±0.4) mg/L，CODCr和BOD5的去除率分别达到90.0%和96.3%。对于三期和四期工程，进水CODCr和BOD5平均质量浓度分别为(191.0±49.2) mg/L和(94.3±24.4) mg/L，出水CODCr和BOD5的质量浓度分别为(21.4±3.7) mg/L和(4.4±0.3) mg/L，CODCr和BOD5的去除率分别达到88.8%和95.3%。出水CODCr和BOD5的浓度均能稳定达到排放标准，结果表明该系统能够对污水中有机物起到良好的去除作用。本项目的进水以生活污水为主，因此，难降解有机物的浓度较少，易于通过生物工艺充分降低有机物浓度，而活性污泥和悬浮载体共存的体系，充分保证了出水CODCr和BOD5的达标。

图2 系统对CODCr和BOD5的处理效果Fig.2 CODCr and BOD5 Removal Efficiency by the System

4.2 对SS及TP的去除效果

图3为系统进出水SS和TP浓度的变化。一期和二期工程的进水SS和TP质量浓度分别为(141.3±36.6) mg/L 和(3.40±2.10) mg/L，出水质量浓度分别为(4.7±1.3) mg/L和(0.20±0.10) mg/L，两者的去除率分别能够达到96.7%和94.1%。三期和四期工程进水SS和TP质量浓度分别为(121.1±27.5)mg/L和(2.70±0.60)mg/L，出水质量浓度分别为(6.8±0.7)mg/L和(0.10±0.04)mg/L，两者的去除率分别能够达到94.4%和96.3%。各期工程的出水SS和TP质量浓度分别稳定低于10.0 mg/L和0.50 mg/L，表明该系统依然对出水SS和TP具有足够的保障作用。

图3 系统对SS及TP的处理效果Fig.3 SS and TP Removal Efficiency by the System

4.3 对TN及氨氮的去除效果

本项目的脱氮效果如图4所示。一期和二期工程中，进出水的氨氮质量浓度达到(20.0±4.6) mg/L和(0.4±0.2) mg/L，去除率为98.0%；三期和四期工程中，进出水的氨氮质量浓度分别达到(23.3±3.1) mg/L和(0.3±0.2) mg/L，去除率为98.7%。上述结果表明，经改造的系统具备理想的氨氮去除性能，出水稳定达到设计标准。相关研究认为[2,5]，由于MBBR悬浮载体能够有效富集长污泥龄的菌属，尤其适合富集具有硝化功能的菌属，大幅提高了系统对氨氮的处理性能，这是泥膜复合MBBR系统实现高效氨氧化性能的机理。

在进水TN质量浓度为(25.3±5.7) mg/L的情况下，一期和二期工程出水TN的质量浓度降低至(7.2±1.7) mg/L，去除率为71.5%；而三期和四期工程中，进出水的TN质量浓度达到(28.5±3.6) mg/L和(7.0±1.7) mg/L，去除率为75.4%。上述结果表明，改造系统的脱氮效果理想，出水TN稳定达标。本次改造中，缺氧区域得以扩大，其反硝化的潜力得以挖掘，因此，TN的去除得以保障。而悬浮载体的加入强化了硝化功能，在好氧区域略有缩小的情况下，实现了氨氮去除能力的增强。此次改造的工艺形式为氨氮和TN的去除提供了双保险。

图4 系统对TN及氨氮的处理效果Fig.4 TN and Ammonia Nitrogen Removal Efficiency by the System

图5 系统沿程断面氨氮变化Fig.5 Changes of Ammonia Nitrogen in Section along the System

4.4 沿程效果分析

为了进一步研究氨氮的整体去除过程，对系统沿程断面氨氮质量浓度变化进行了测定(图5)。在进水氨氮质量浓度为25.8 mg/L时，一期和二期工程的第一廊道好氧区(MBBR进水前)氨氮去除率分别占总氨氮去除率的12.0%和19.0%，MBBR区氨氮去除率占比分别达到62.0%和74.0%，第三廊道好氧区(生物池出水)氨氮去除率占比分别达到22.0%和2.0%，表明氨氮去除主要集中在MBBR区，出水氨氮质量浓度均低于0.2 mg/L，能够稳定达标。对于三期与四期工程，在进水氨氮质量浓度达到30.6 mg/L的情况下，第一廊道好氧区分别去除0.5%和19.0%的氨氮;MBBR区分别去除48.0%和67.0%的氨氮;MBBR之后好氧廊道内的氨氮去除率占比分别为50.0%和10.0%，生化池出水氨氮质量浓度均低于0.5 mg/L，具备稳定达标的能力。上述结果表明，在悬浮载体加持的情况下，该污水处理项目的氨氮去除能力稳定，MBBR工艺发挥了作用。

4.5 挂膜与小试

图6为全厂各期悬浮载体挂膜情况，与三期和四期工程相比，一期和二期工程的悬浮载体生物膜整体颜色较深。该结果一方面源于一期和二期工程进水含有粪便水，有机物多于三期和四期工程；另一方面，源于一期和二期悬浮载体的投加时间略早于三期和四期工程。

图6 悬浮载体挂膜效果Fig.6 Biofilm Formation Effect of Suspended Carrier

取好氧MBBR区域的活性污泥和悬浮载体进行硝化速率测定。如图7所示，活性污泥和悬浮载体的硝化过程均能平稳进行，氨氮浓度稳定下降。在活性污泥、悬浮载体单独存在的体系当中，氨氮的起始质量浓度分别达到10.6 mg/L和11.2 mg/L,经过2.0 h后，其质量浓度均降低到0.12 mg/L。该结果表明，针对于硝化性能，悬浮载体与活性污泥基本一致。而经过1.5 h后，在活性污泥和悬浮载体共存的体系当中，氨氮质量浓度由10.50 mg/L下降至0.05 mg/L，表明悬浮载体的加入有效提高了系统的氨氮去除效果，保障了系统性能的发挥。

图7 硝化速率小试结果Fig.7 Result of Lab-Scale Test on Nitrification Rate

5 高通量分析

分别取MBBR区挂膜悬浮载体和好氧池污泥进行高通量测序，门水平物种丰度如图8所示。悬浮载体和污泥中丰度较高的微生物为变形菌门(Proteobacteria)、硬壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteriota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、Patescibacteria、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)、浮霉菌门(Planctomycetota)和疣微菌门(Verrucomicrobiota)等。悬浮载体及活性污泥中Proteobacteria的相对丰度分别达到33.90%和33.50%，高于其他菌门。由于Proteobacteria中包含了最多的具备脱氮除磷功能的菌属，因此其在城市污水处理厂的生物系统中占据优势。在活性污泥中，Firmicutes、Chloroflexi、Actinobacteriota、Bacteroidota和Acidobacteriota的相对丰度分别为8.90%、14.00%、9.60%、16.00%和9.60%。悬浮载体中Firmicutes和Chloroflexi的相对丰度(22.10%和16.10%)高于活性污泥，而Actinobacteriota、Bacteroidota和Acidobacteriota的相对丰度(8.90%、8.60%和2.80%)低于活性污泥，表明悬浮载体和污泥样品中生物种群具有差异性。

为了进一步探究悬浮载体和活性污泥中微生物群落的差异，在属水平上进行了分析(图9)。丰度较高的微生物包括Nitrolancea、乳球菌属(Lactococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、Litorilinea、不动杆菌属(Acinetobacter)、Thermomonas、Ignavibacterium、Terrimonas、Ferruginibacter、Defluviimonas和Trichoco-ccus等。

注：变形菌门(Proteobacteria)；硬壁菌门(Firmicutes)；绿弯菌门 (Chloroflexi)；放线菌门(Actinobacteriota)；拟杆菌门(Bacteroidota)； 酸杆菌门(Acidobacteriota)；芽单胞菌门(Gemmatimonadota)； 浮霉菌门(Planctomycetota)；疣微菌门(Verrucomicrobiota)图8 门水平物种相对丰度Fig.8 Relative Abundance Distribution at Phylum Level

Nitrolancea是一种新型的杆状硝化菌属[6]，其在悬浮载体和活性污泥上的相对丰度分别达到4.60%和0.87%。Nitrosomonas和Nitrospira在悬浮载体上的相对丰度分别为0.39%和0.28%，高于活性污泥(0.01%和0.10%)。悬浮载体上，硝化属相对丰度为5.27%，是活性污泥中的5.4倍。研究认为，Nitrosomonas是一类亚硝化单胞菌属，其能够将氨氮转化为亚硝酸盐氮；而Nitrospira能够同时参与亚硝化和硝化过程，具备较强的底物利用性，特别适用于低氨氮浓度的环境[7]。悬浮载体适合于富集污泥龄较长的菌属，而这也为上述3类菌属的富集提供条件。以上结果表明，悬浮载体对硝化菌属的富集效果优于活性污泥，为硝化作用的强化奠定了微生物学基础，为该项目处理能力和运行稳定性的提升提供了条件。

Lactococcus是污水处理厂中常见的菌属之一，能够促进系统中糖类的转化[8]，其在悬浮载体及污泥样品中的相对丰度稳定在13.46%和1.60%。Pseudomonas和Acinetobacter具备好氧脱氮功能[9-10]，且能够去除苯环类物质，对石化废水具有一定的净化作用[11-13]。上述两种好氧脱氮菌属在悬浮载体中的相对丰度分别达到7.56%和2.39%，在活性污泥中的相对丰度分别达到0.94%和4.10%，提高了系统对毒性物质的抗冲击性，保证了系统的正常运行。

Thermomonas、Ignavibacterium、Terrimonas、Ferruginibacter、Defluviimonas和Trichococcus为污水处理系统当中常见的反硝化菌属[14-19]。Terrimonas对蒽类化合物具备降解能力[20]，其在悬浮载体中相对丰度达到0.97%，而污泥样品中的相对丰度则是1.62%。Thermomonas、Ignavibacterium、Ferruginibac-ter、Defluviimonas和Trichococcus在悬浮载体中的相对丰度为0.94%、0.76%、1.13%、0.73%和0.46%，在污泥样品中的相对丰度分别为3.30%、1.78%、2.75%、1.23%和3.11%。与活性污泥相比，悬浮载体中反硝化菌属的相对丰度偏低。工艺设计的要求，悬浮载体被固定在好氧区持续发挥作用，因此，其更加倾向于富集好氧硝化菌属，而对缺氧反硝化菌属的富集能力则偏弱，这也导致其反硝化菌属的丰度低于活性污泥。

6 项目经济分析

本工程共计投入资金965万元。改造后，2020年11月—2021年4月的运行经济情况如表3所示。2020年11月—2021年4月的吨水总电耗为0.254～0.294 kW·h/m3，平均值达到0.277 kW·h/m3。其中吨水平均动力电耗为0.263 kW·h/m3，约占全厂总电耗的95%。聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、消毒剂的投加费用分别为0.004 14～0.012 93、0.002 30～0.003 88、0.003 06～0.006 23元/m3，平均费用分别为0.007 43、0.002 91、0.004 36元/m3。结合此期间的数据统计，吨水药耗共计0.014 70元/m3。本项目用悬浮载体使用寿命高于15年，且使用过程中无流失和破损，无需额外补充。

表3 项目经济分析Tab.3 Project Eccnomic Analysis

7 结论

(1)本项目以MBBR技术改造后，一期与二期工程出水CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS和TP的质量浓度分别为(22.9±3.6)、(4.2±0.4)、(0.4±0.2)、(7.2±1.7)、(4.7±1.3) mg/L和(0.20±0.10) mg/L，三期与四期工程出水CODCr、BOD5、氨氮、TN、SS和TP的质量浓度分别为(21.4±3.7)、(4.4±0.3)、(0.3±0.2)、(7.0±1.7)、(6.8±0.7) mg/L和(0.10±0.04) mg/L，稳定达到一级A标准。

(2)氨氮的去除以MBBR区域为主。悬浮载体与活性污泥的硝化性能相当，悬浮载体的加入有效提高了系统的氨氮去除效果，保障了系统性能的发挥。

(3)悬浮载体上硝化菌的相对丰度达到5.27%，是活性污泥中的5.4倍，强化了系统的硝化效果。而活性污泥中反硝化菌的相对丰度高于悬浮载体。

(4)本项目改造工程总投资为965万元。经改造后稳定运行，电耗均值为0.277 kW·h/m3，PAC、PAM、消毒剂的投加成本分别为0.007 43、0.002 91、0.004 36元/m3，合计药剂成本为0.014 70元/m3。