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MBBR近十年的发展和应用

原创 2017-09-28 吴迪 中国给水排水

题目 ：MBBR近十年的发展和应用

报告人 ： 青岛思普润水处理股份有限公司  副总经理  吴迪 博士

主持人 ( 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 总工/教授级高工 郑兴灿  博士 ) ：下面有请青岛思普润水处理股份有限公司吴迪博士/副总经理，就MBBR工艺近十年的发展和应用给我们作介绍。

吴迪 ：各位领导，各位专家，各位同行大家上午好，我是吴迪。

今天很荣幸有这个机会跟各位专家一起分享一下MBBR近十年的发展和应用。这个技术起源挪威，上世纪90年代主要在欧美国家发展应用，当时在世界范围内已经有50多个国家、300多座污水厂应用此工艺技术。MBBR技术于2000年初引入国内，引入初期出现一些失败案例，这也延缓了这个工艺在国内的推广发展。初期失败的主要原因是把MBBR的微生物膜和传统的活性污泥法的悬浮性微生物等同起来。忽视了MBBR生物膜的特点，比如填料流化的重要性、筛网拦截、填料堆堵等问题，另外没有跟国内实际情况相结合也是导致出现这些问题原因。直到2008年无锡芦村首次将MBBR成功用于大型污水厂，这一个技术才真正在国内开启了工程化应用的先河。这是因为对上述MBBR出现的问题有了科学的认知，采取了一些折中和妥协办法，探索了一些创新技术，凝练了延用至今升级改造路线——以镶嵌理念，进行重新分配，优先满足好氧区不足的部分，通过添加填料予以补足，采用循环流动池型等等。

MBBR 在国内近十年市政污水的应用上涵盖广泛，此技术可以应用于提标改造、新建污水厂的各种工艺、各种体量、众多复杂水质处理的出水标准。就现在国内报道来看，总的MBBR工艺应用体量已经超过1000万吨/天，文献里面可以查阅到的体量是超过700万吨/天，市政废水可以查阅到的体量是超过600万吨/天。然而，整体上每万吨水的填料投加量的用量差距比较大，有些项目填料投加量甚至小于2%，这时候很难说MBBR在处理过程中能起到主导或保障性作用。MBBR工艺也有广泛的应用于青岛地区——青岛高新区，城阳，青岛李村河，青岛岔河都有我们MBBR工艺的工程应用。

为什么MBBR在提标改造当中有重要的地位，如何正确地避免MBBR工艺失败案例，MBBR将走向何方，这是今天讨论的重点内容，以上是第一部分介绍了MBBR的起源和发展概况。

第二个是介绍MBBR的工艺原理与再认知。我们一想到生化工艺，最初想到的就是活性污泥法，此技术已经发展百年，所以我们总习惯拿活性污泥法跟MBBR工艺作比较。实际它跟活性污泥法有联系也有区别。首先说联系方面，它们的动力来源相同，好氧阶段都是通过爆气实现，MBBR技术的泥膜负荷工艺有污泥回流，运行方式、工艺布置流程相似。再说区别方面，传统活性污泥法由于通过剩余污泥排放控制泥龄，是一个单泥龄系统；MBBR工艺是一个双泥龄的系统，有固定态泥龄也有悬浮态泥龄，一定程度可以缓解脱氮除磷泥龄上面矛盾。传统的活性污泥法微生物是阶段培养，比如硝化菌群在好氧曝气阶段实现增殖恢复，在缺氧段又受到抑制；而MBBR是一个专性和连续的培养过程，生物膜在固定区域流化培养。MBBR工艺中的微生物固定在填料上，强冲击来临时，整个的菌群系统不受影响，冲击过后整个系统的效能能很快恢复。再一个就是溶解氧不同，传统的活性污泥法在溶解氧大于2毫克/L时硝化功能就不受溶解氧影响，此时是一个零级反应；而MBBR工艺可以看到随着溶解氧的增加有两个明显区域，不同溶解氧水平下不光有零级反应，也有一级反应的区间。综上所述我们认为悬浮填料MBBR工艺泥龄控制方式和活性污泥法不同，抗冲击原理不同，微生物培养方式不同，溶解氧传质的方式不同，硝化菌群所含的比例不同，硝化菌群比例一般大于10%，最多可以超过70%。所以我们认为悬浮填料是增加和持留有效生物量、强化处理效果，而不仅仅是认为就是增加了MLSS。

在此基础之上我们有几个问题在这里探讨一下。第一个就是设计依据是什么，发展方向是什么，关注点是什么。首先设计依据方面，我们做了不同的一些研究，包括不同的水质、不同的投加区域和培养条件。结果我们发现它的生物量差别很大，没有一个明确的规律性，不同功能段含量差距也很大，但我们做硝化速率测试时发现它的硝化速率比较稳定。所以认为采用表面膜负荷作为设计依据更为科学。

再一个就是关注它的发展方向，MBBR填料直径25mm，流道最宽10毫米，最短2.5毫米，增大生物量就意味着增加生物膜厚度，这会有效减少生物膜面积和过水断面，相关研究表明1毫米的表面张力可以撑起14毫米的水柱，这时候没有一个强烈的流化状态很难让溶解氧传质进去，所以认为单纯增大生物量并不是一个正确理念方式。我们溶解氧可以穿透的基质厚度大概在50到100微米的水平，如果增大生物量必然增厚生物膜，就会导致厌氧层变厚、发酵，甚至引起生物膜大面积脱落，危害整个系统运行的稳定。我们研究最佳生物膜厚度冬季在100微米，夏季在60微米的水平，单纯增加生物膜厚度不利于生物膜的正常更新。

再一个就是解释一下为什么生物膜长泥龄的菌群会挂在填料上面。相关实验证明，填料百分之百填充运行半年时，填料上面并没有挂上生物膜，只是上面沉淀。我们把填料取出一部分，让它流化起来，最终可以挂上膜。大家可以看到膜在填料上沉淀样子和真正挂膜以后的样子是完全不同的。并且在一些实际工程里，我们发现填料的挂膜时间都很短，只要满足一个条件——流化，满足水力剪切就可以，这是填料挂膜和微生物筛选的重要外在条件。所以说悬浮填料应该按照膜面负荷设计，这是正确的发展方向。

MBBR 是料上膜不是料间膜，泥龄很长，通过水力剪切动态更新泥龄而不是通过反冲洗。现在很多应用中MBBR用于强化总氮去除的功能，并且是在原池内分割池体实现，而不是另外再新建生化池体，这是第一个技术路线。MBBR应用的第二个技术路线是缺氧和好氧均投加悬浮填料强化它的处理效果。综上来看，悬浮填料可以克服以往固定填料固有缺陷实现强化处理，由于它继承生物膜法特质，比如耐受低温可以到三到六度，耐受高盐废水，高毒性制药废水，MBBR工艺均有很好的效果。它可以认为是一种有活性污泥法外衣和生物膜法内涵的复合工艺。

我们的填料的处理能力和表面负荷、比表面积和填充率相关。当我们将一代填料按照45%的填充率填充时，MBBR达到跟传统活性污泥法基本相当的硝化能力。如果我们采用更大比表面积填料、更大填充率，它的负荷将有更大提升，这就使得我们工艺新建的时候能够节约占地，在改造的时候可以在很大范围内实现提标。青岛李村河就是这样一个工程案例，2010年进行第一次提标改造时，增加了MBBR区域；2015年由于需要提量进行了第二次升级改造，原有的基础之上重新划分内部功能区增加后置反硝化，形成五段式结构，再就是扩大MBBR区域，增加悬浮脱氮数量，实现平滑升级，也是凝练出第三个技术升级改造路线，强化总氮处理效果。

第三个是MBBR的技术路线和工艺设计。我们确定技术路线核算生物膜面积，确定分区分级进行限制性校核。这个主要是说我们的填料填充率应该小于67%，满足流化条件，不满足就需要调整。再一个就是我们刚才关注的，就是表面负荷到底要怎么取值，实际上它是受温度、填料的使用的区域、预处理情况、布置形式、有机物溶解氧、出水要求以及抑制性因素等多个因素共同影响。这一个取值建议根据工程经验或者现场实测确定。

填料方面国内出台水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料。规定了水处理常用填料有效比表面积和一些基本概念。在填料方面主要就是应该保障它的寿命，朝着有效比表面积更大方向发展。很多人关注曝气，认为有填料曝气量一定大，但实际研究来看，微孔、穿孔在满足流化所需的最小曝气量基本相当，气水比涵盖在污水厂正常生化所需要的气道范围内，悬浮填料流化无须额外曝气。我们发现填料存在对气泡有切割作用，同时填料可以延长气泡停留时间，能够延长它的溢出时间，两个因素综合起来可以提高它的氧转移效率。随着填充率提高，穿孔管曝气优势越来越明显。国内研究表明，当填充率大于30%时，穿孔和微孔曝气效率比较接近，我们更推荐采用穿孔曝气方式。

池型方面我们做了很多研究升级。最开始无锡芦村的是一种循环流动池型，通过推流器强化它的流化；现在李村河污水厂采用微动力混合池型，它通过水力学条件综合设置实现，这样我们可以省去推流器，大概节约能耗8.3%，这一种池型国内有已经有近一百万吨每天业绩，是一个非常成熟技术。微动力混合池型可以看到整个系统没有推流器，无论是进水端还是出水端，整个填料流化非常均匀，没有出现任何堆积，我们参观时可以看到。再比较一下我们的技术路线，很多人认为硝化不好应该投好氧，反硝化不好应该投缺氧，实际不尽然。好氧区投加填料，如果采用循环流动池型，能耗会增加8.3%，如果采用微动力混合池型8.3%的能耗就节约下来，整体能耗基本可以持平。一旦缺氧添加填料，能耗会随着填充率增加逐步增加，这个能耗会更高一些。但这不是绝对的，因为我们是否在缺氧区投加填料需要有一些特定的应用背景，到底应用哪个技术路线进行升级要结合原来的曝气系统，原来的碳源数量，而不是简单的硝化不好投加好氧区，反硝化不好投加缺氧区，需要整体考量。

综上总结，整个MBBR在国内升级改造的技术路线有三个，第一就是分割池容，投加好氧路线，第二就是好氧和缺氧都投加路线，第三个就是五段式路线。我们采用哪一种技术路线升级，需要结合我们的工艺条件，运行现况，出水标准，投资费用，运维成本因地制宜，不能一刀切一概而论。

经济上由于整个MBBR的总体投资受水质影响很大，所以它的规律性并不强，均值是这一个水平，但实际可以看到曲线平滑，各个项目的差异性还是比较大的。运维费用上，像当时追踪济宁水厂改造前后的数据，改造后能耗0.3，比改造前略微增加，实际生化段能耗下降，能耗下降原因在前述中已经讲过。李村河升级改造前后能耗有显著下降，一方面是因为进水体量分母增大，再一个是我们微动力混合池型的应用降低了能耗。

最后谈一谈对这个的工艺反思，这一个工艺早期没有推广起来，失败的原因主要还是流化失败和拦截失败。之所以失败，是没有一个系统化的思维，必须把填料、进出水设备和曝气做系统化的设计，不能够仅仅当成一个设备组合，水力学各方面和填料的搭配非常重要；再一个就是工程经验，必须要有大量的工程经验做支撑，这才能保证我们的工程应用成功。

MBBR 发展应用于一体化设备，因为效果实在，要的不是装置而是水质保证。所以MBBR的一体化设备具有系统灵活，效果稳定，无人值守，管理方便，因地制宜特点。需要思考的是MBBR强化的处理效果是碳氮和部分的磷，污水处理厂要想实现全指标的保证，我们还需要和深度处理，砂滤，盘滤，深床，磁分离等结合确保出水达标。研究过程当中发现一些MBBR工艺中的比较有益的现象，李村河，团岛等污水厂好氧区都存在同步硝化反硝化，这一部分的总碳去除占到15%以上，虽然设计没有考虑，但15%的出现，有效减少运行能耗和外碳源投加，降低运行费用。今后这一个现象也是我们的研究重点，怎么把这个现象固化下来，成为我们设计的一部分。再一个是厌氧氨氧化上面的研究，由于它的菌种非常娇贵，悬浮填料充当富集载体，效果也非常好。MBBR的发明人的概念厂技术路线，也是依据MBBR工艺和自养脱氮工艺建立起来的，这将是国内MBBR的发展方向。

最后介绍一下我们公司，我们是2006年成立，注册资金6900万，新三板高新技术企业。专注MBBR的建设。工程业绩现在是近500万吨每天，思普润从成立开始跟MBBR结下不解之缘，专注11年。我们很早时就采用水质保障协议方式保证业主利益，就是说不达标可以不给我们钱，甚至我们体量达到三百万吨时，公司都因为我们的协议保证而在垫资建设，这也是源于我们对自己工艺的信心。我们拥有完整的自主知识产权，发明专利，获取国家省市的众多奖项。我们李村河获得水协张杰院士的审评，参与国家865的专项课题技术发展。今天就介绍到这里，谢谢大家。

主持人 ( 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 总工/教授级高工 郑兴灿  博士 )：

最近十年思普润在MBBR技术发展上做了很大贡献。今天跟我们共享他们的经验，工程经验以及新的认知。可能大家以前认知有所不同，他们已经做到毫无保留。这是值得我们赞赏的。我们再次表示感谢。

主持人: 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 总工/教授级高工 郑兴灿  博士

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中国给水排水2017年中国污水处理厂提标改造高级研讨会在青岛成功召开:700多名排水行业代表齐聚青岛共商发展之道 -- 鼎力打造中国污水处理厂提标改造核心技术品牌生态圈

中国给水排水 2017 年中国污水处理厂提标改造高级研讨会在青岛成功召开 :700 多名排水行业代表齐聚青岛共商发展之道 -- 鼎力打造中国污水处理厂提标改造核心技术品牌生态圈

2017年 9 月 16-19 日 , 中国给水排水 2017 年中国污水处理厂提标改造高级研讨会在青岛成功召开，规模大、档次高、专业强、主题准、范围广都属空前。新概念、新标准、新工艺、新思路、新观念都属创新。

说起污水厂升级改造，这应该是一个历久弥新的话题。因为污水厂的建设及升级改造基本贯穿了我国水污染治理的整个进程，污水厂作为末端处理及把关环节，对削减污染负荷、保护水体环境起到了非常重要的作用。据不完全统计，截至 2016 年年底，我国已经建成城镇污水处理厂 4900 多座，日处理污水量约 1.72 亿立方米，无论是覆盖范围，还是收集处理率都达到了一个很高的水平。但在这些污水处理厂中，采用传统活性污泥法工艺的仍占有很大比例，其脱氮除磷能力明显不足。为保护水环境，国家出台了水十条，各地也相继制定并出台了更为严格的污水排放标准，这使得许多污水处理厂面临升级改造的任务要求。为此我们组织了此次污水厂升级改造技术交流会，期望通过政策解读、研讨技术、分享运维经验，为业内搭建一个交流的平台。本次会议特邀和遴选了 47 个实用报告，并安排了李村河污水处理厂、青岛高新区污水处理厂的参观。这两个厂均由华北院设计，其中李村河污水处理厂采用思普润公司的 MBBR 工艺，高新区污水处理厂为半地下式污水处理厂。通过研讨和参观，达到了答疑解惑的目的，为大家从事今后的工作提供了一些启发和思路。

本次会议得到业内极大的关注，吸引了来自水务公司、设计院、科研单位的 700 多人参会，得到了住房和城乡建设部、中国土木工程学会水工业分会、山东省城市建设管理协会城镇供水排水分会等政府部门和行业协会的大力支持和肯定，得到了青岛思普润水处理股份有限公司、赛莱默、江苏裕隆环保有限公司、大连宇都环境技术材料有限公司、南京贝特环保通用设备制造有限公司、西安益维普泰环保股份有限公司、南京磁谷科技有限公司、青岛洛克环保科技有限公司、青岛欧仁环境科技有限公司、江苏兆盛环保股份有限公司、中国市政工程华北设计研究总院有限公司、中国建设科技集团股份有限公司、天津创业环保集团股份有限公司、中国市政工程中南设计研究总院有限公司、中国市政工程西北设计研究总院有限公司、天津市市政工程设计研究总院、广州市市政工程设计研究总院、国家城市给水排水工程技术研究中心、上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司、天津生态城水务投资建设有限公司、云南城投碧水源水务科技有限责任公司、东南大学、北京工业大学、爱尔兰都柏林大学、青岛理工大学 污水处理与资源化国家地方联合工程中心、常州市排水管理处、 青岛水务环境公司等单位的鼎力支持，在此一并表示感谢。

与会者就我国污水处理厂提标改造工艺技术路线、技术发展及瓶颈，城市水环境综合解决方案，污水处理市场化设施建设与运行投融资探讨等问题进行了深入交流。由住建部主管、中国给水排水杂志主办的 “ 中国污水处理厂提标改造高级研讨会 ” ，是我国排水行业技术含量最高、规模和影响力最大的全国性学术会议。本次会议精心筛选了 47 个报告，围绕着污水处理厂提标改造的政策与市场、水环境综合治理和污水再生利用、核心工艺技术探讨及应用、最新工程案例等主题展开，来自各部委、机关、协会等行业主管部门，各大设计和科研院所的专业技术人员，各地供排水公司与下属污水处理厂的代表，全国各地的工程公司与专业技术设备厂商代表等 700 多名代表对污水处理厂提标改造及水环境综合治理有关问题进行了深入的交流与探讨。

2017年 9 月 17 日，住房和城乡建设部城市建设司原巡视员、中国土木工程学会水工业分会理事长 张悦教授 莅临本次污水提标改造大会并作主题为 “ 弥合断裂的水循环链条 ——污水处理提标改造再思考 ” 的报告。中国工程院 院士、北京工业大学 环境学科首席教授 彭永臻博士莅临本次污水提标改造大会并作 主题为 “ 短程硝化 + 污泥发酵耦合反硝化与厌氧氨氧化 ---- 实现城市污水深度脱氮与污泥减量 ” 的报告。

9月 19 日，约 400 名与会代表参观了李村河污水厂升级改造工程和青岛高新区污水处理厂新建项目。

700多名与会代表在会议期间紧张且愉快地进行了学习交流，纷纷表示期盼着中国给水排水杂志社组织的下次会议的召开。中国给水排水 2017 年中国污水处理厂提标改造高级研讨会在青岛成功召开，在大家的关心和支持下，它已成为业内影响力和规模最大的污水处理厂提标改造行业会议。

展望 2018 ：内容最丰富，规模最大，影响力最强，最具国际化的高端研讨会。诚邀 2018 年中国污水处理厂提标改造高级研讨会 联合主办、协办赞助单位！

( 联系人：中国给水排水杂志社 王领全 13752275003 022-27835639 [email protected] qq:745105304 )


附件 ： 参观工程简介：

青岛高新区污水处理厂新建项目/李村河污水厂升级改造简介

青岛高新区污水处理厂新建项目

青岛高新区污水处理厂系青岛北部生态科技新城的重要基础配套项目，是北方首座全地下式污水处理厂。工程总规模为 18 万吨 / 天，分两期建设，采用改良 A2O-MBBR+ 纤维转盘滤池工艺，出水达到一级 A 标准，投资概算 5.8 亿元。污水厂由华北院设计， MBBR 工艺段由青岛思普润水处理股份有限公司设计和施工。高新区污水处理厂的设计理念和技术方案在国内类似工程中具有较好的示范和引领效应，采用全地下式布局，符合青岛北部新城区高起点规划。

全地下污水厂属于环境友好型的污水处理设施，随着城镇化进程的加速及居民对环境质量要求的提高，全地下污水厂在国内逐步普及。对于全地下污水厂的设计，选择工艺时重点考虑占地造价、运行费用和提标提量等三个因素。占地及造价方面，由于全地下污水厂的投资是地面污水厂的 1.5-2 倍，主要是地下空间的建筑工程费用较高，需控制占地规模，而生化池作为水厂占地最大的构筑物，所选工艺需满足处理负荷高、占地省的要求，方能降低投资；运行费用方面，全地下污水厂运行费用普遍较高，其中通风电费即占据了一定的比例，这就要求对于污水处理费用尽可能降低；提标提量方面，全地下污水厂由于为全封闭式，难以进行升级改造，难以提标提量，往往土建按远期一次性建成，设备按近期安装，初期投资费用高，预留的土建不能迅速投入使用，造成了资金的闲置浪费，需选用在全地下污水厂条件下，可提量、提标的工艺，为今后发展留有余地的同时，无需预留土建，减少初期投资。

MBBR 工艺具有处理负荷高、占地省，较传统工艺至少可节约 10-50% 的占地；运行费用低，对于一级 A 或类地表 IV 类水一般处理电耗在 0.3KWH/m3 以下；可实现原池提标提量，通过填料的补投，实现持续升级。

思普润 MBBR 工艺，在全地下污水厂设计上进一步优化，一方面，填充率设计合理，既满足负荷高占地省的需求；另一方面，为今后的提标、提量留有了余地；同时，采用微动力混合池型，无需推流器，通过水力学条件的优化，实现填料均匀流化，降低了运行费用。

李村河污水厂升级改造简介

李村河污水厂位于青岛市李村河下游胶州湾入口处，服务面积 124 平方公里，服务人口约 44 万人，总处理规模 17 万 m3/d ，其中一期工程处理规模 8 万 m3/d ， 1998 年 10 月投入运行，二期工程 9 万 m3/d ， 2008 年投入运行。 2010 年，思普润采用 A2/O-MBBR 泥膜复合工艺对一、二期工程进行了第一次升级改造工程，改造后出水达到一级 A 排放标准； 2015 年，思普润采用五段 Bardenpho-MBBR 泥膜复合工艺对污水厂进行了第二次升级改造，处理规模从 17 万 m3/d 提升至 25 万 m3/d ，出水可达到类地表 IV 类水水质标准。

思普润在李村河一期、二期 MBBR 设计中，升级改造延续了原工艺运行模式，采用镶嵌理念，将 MBBR 工艺与活性污泥法紧密结合，不改变原工艺的运行方式；将 A2/O 升级为 Bardenpho 工艺，在现有池容结构下进行了划分，未进行扩建；原 MBBR 工艺已稳定运行 5 年，未出现磨损和流失，仍可继续使用，并补投新型悬浮载体，进一步强化处理效果；将原有 MBBR 区域环沟池型改为微动力混合池型，无需推流器，降低运行能耗。在李村河三期新建设计中，充分利用 MBBR 工艺占地省的优点，节约占地。改造中，先进行三期新建，再对一、二期共四组池子逐池改造，实现全厂不停水，不影响正常生产，改造周期短，见效快。

同时对改造和新建工程进行了能耗追踪，一期和二期吨水电耗从改造前的 0.3469 kW·h/m3 ；降至 0.2981 kW·h/m3 ；三期新建工程吨水电耗为 0.2908 kW·h/m3 ，出水标准提高而能耗降低，主要源于采用微动力混合池型，取消推流器，降低推流器电耗；同时，悬浮填料填充率增加，大幅提高氧利用率，降低曝气能耗。

2016 年 10 月，水协专家组对思普润 MBBR 工艺进行了技术评审鉴定，鉴定结果表明，“类地表 IV 类水新型悬浮载体强化脱氮除磷技术”技术通过功能分区，在生化段增加新型填料系统，并采用侧流进出水和筒式筛网等技术，有效提高了处理效果与运行稳定性；该技术能耗低，容积效率高，耐冲击负荷能力强，适用水质条件范围大；该技术适用于准 IV 类高标准水质要求的新建污水厂，同时也适用于现有污水处理厂升级改造，不需新增建设用地。