BFM装配式用于占地受限型污水处理工程设计与实施效果

BFM装配式用于占地受限型污水处理工程设计与实施效果杨忠启，徐新月，程丽洁，周家中，韩文杰，吴迪，门艳辉，李海明（青岛思普润水处理股份有限公司，山东青岛 266510）

BFM装配式用于占地受限型污水处理工程设计与实施效果

杨忠启，徐新月，程丽洁，周家中，韩文杰，吴迪，门艳辉，李海明

（青岛思普润水处理股份有限公司，山东青岛 266510）

摘要北方某污水处理厂新建处理规模1×10 ⁴ m ³ /d的污水处理设施，出水水质要求达到“准V类”水，采用BFM装配式进行施工建设，仅用时29d完成污水处理设施新建并实现通水运行，通水7d后实现达标排放，解决了项目面临的占地受限、实施周期短、稳定性要求高的难题。项目实施完成后吨水占地仅为0.142m ² / (m ³ ·d ^-1 )，实际运行效果显示，BFM出水CODcr、NH ₃ -N、TN、TP、SS浓度分别为(31.09±3.95)、(0.41±0.38)、(4.21±2.40)、(0.08±0.04)、(4.56±0.91)mg/L，出水水质稳定并优于设计标准，通过纯膜MBBR后缺氧区碳源调控，可保障BFM出水TN低于5mg/L。BFM装配式具有集约紧凑、高效稳定、经济快速的优势，为污水厂原厂提标扩容提供了新思路。

城镇污水系统主要包括合流制与分流制，新建城区多采用分流制排水系统，对于老城区，合流制排水系统的大规模改造多采用截流式合流制模式。而截流式合流制溢流污染控制已成为黑臭水体整治与海绵城市建设中急需解决的问题。除源头排水管网治理外，末端污水处理厂收集处理是控制溢流污染的另一条路径，但由于溢流量波动较大，在保证出水标准的前提下，部分污水处理厂处理能力无法匹配溢流量波动，需要进行新、改、扩建。结合国内污水处理建设项目用地标准以及现状污水处理厂的实际占地情况，可以发现目前很多污水处理厂占地已接近控制指标，如果进一步进行改造，都将面临用地超标的风险。部分污水处理厂面临建设运行时间长、运行条件受限等诸多问题，无法实现原位改造，需进行污水处理设施的新建，同样面临预留用地不足或无预留用地的问题。同时，传统工艺流程长，实施速度慢，难以满足建设周期敏感的污水厂新、改、扩建项目。因此亟需紧凑高效、实施周期短的节地型污水处理工艺进行污水处理厂的新、改、扩建。

本文以北方某污水处理厂新建污水处理设施为例，在占地面积小，实施周期短，稳定性要求高的前提下，分析了 BFM装配式的技术优势、设计思路及运行效果，以期为同类型污水处理厂的新、改、扩建提供技术参考。

项目概况

1.1 项目背景

北方某污水处理厂设计处理规模为12×10 ⁴ m ³ /d，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准，现已满负荷运行。为缓解原厂运行压力，拟在原厂内新建一座独立污水处理设施，设计水量为1×10 ⁴ m ³ /d。污水厂原设计水质与实际相符，能满足95%保证率，新建部分设计进水水质仍参考污水厂原厂。出水水质中氨氮要求低于3mg/L，CODcr和TP要求达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）V类水标准要求，即准V标准，设计进出水水质见表1，设计水温10℃。

表 1 设计进出水水质

1.2 项目难点与工艺选择

本新建项目面临以下困难：

1）占地受限：污水处理厂周边已无扩建用地，新建污水处理设施需建在原污水处理厂厂址内，且厂内无预留规整用地，仅有部分绿化用地可供使用，如图1所示，仅1417m ² ，极为紧凑，新建污水处理设施应选取节地型工艺；

图 1 新建污水处理设施可用地情况（红色部分）

2）高标准下稳定性要求高：该污水厂位于山东省烟台市，进水基质浓度较高，主要为生活污水，与同属烟台市的套子湾污水处理厂水质类似，但水质浓度略低。2018年至2020年污水厂进水水质涵盖率如表2所示，以90%涵盖率时的进水水质最终确定本项目进水水质；原厂出水执行一级A标准已面临极大压力；新建项目出水执行准V标准，对于NH ₃ -N、TN和TP的去除要求更高，因此需要强化新建项目的脱氮除磷能力；同步考虑进水水质变化大，工艺需具有较强的抗冲击负荷性能，以保证出水水质能够稳定达标；本项目水量上需与原厂上进行平衡与调节，进水水量会有较大的波动，应关注工艺对于水量的耐冲击性；为满足后续水质提标要求，对于TN要求能够达到出水5mg/L的处理能力；

表 2 本项目 2018～2020年污水处理厂进水水质涵盖率（mg/L）

3）实施周期短：为尽快缓解污水处理厂运行压力，需在 2个月内完成新建并通水运行，所以新建设施应选择短流程技术，宜采用装配式模块化设计，缩短实施周期。

新建项目的工艺选择，应遵循短流程、小占地、高标准、耐受冲击、短周期实施等原则，宜选用装配式节地型污水处理技术进行建设。

1.3 工艺比选

常见的节地型污水处理工艺包括 MBR、BAF等。本项目进水水量会有较大的波动，需与原厂在水量上进行平衡与调节，应关注工艺对于水量的耐冲击性。而上述两种工艺，在应对水量冲击时均具有短板，若获得更强的耐水量冲击能力，只能增大设计变化系数，大幅增大投资。

BFM工艺是以纯膜MBBR为核心，耦合改良磁加载沉淀—超效分离工艺的组合创新技术，其工艺原理如图2所示。BFM利用纯膜MBBR高负荷特点实现节地；系统不富集活性污泥，可省去传统工艺流程中的二沉池，进一步大幅缩减占地；采用超效分离工艺实现纯膜MBBR出水的固液分离，通过一段沉淀代替传统工艺流程中二沉池、深度处理两段沉淀。纯膜MBBR在国外有较多成功案例，获得了良好的脱氮效果。国内应用上，广东某污水处理厂处理能力不足，存在3×10 ⁴ m ³ /d的污水处理缺口，采用BFM工艺在20m×100m的长条形土地上实施污水处理设施新建，仅用时30d即完成项目的设计、施工和调试，经BFM处理后出水可稳定优于一级A标准，实际占地仅为0.067m ² /(m ³ ·d ^-1 )，实现了极限占地条件下的快速实施、稳定达标，首次验证了BFM工艺在南方低基质条件下的可行性。华北某污水处理厂采用BFM为核心工艺新建2×10 ⁴ m ³ /d的污水处理设施，采用模块化设计并于厂区绿化带实施，仅用时100d即完成项目的设计、施工及通水达标，出水能够稳定达到“准V类”标准，吨水占地仅为0.215m ² /(m ³ ·d ^-1 )，为原厂占地的26% ，实现了BFM在市政污水领域的应用。针对本项目面临的困难，且基于国内诸多成功案例，本项目采用BFM工艺进行新建。

图 2 BFM工艺原理示意图

提标改造方案

2.1 工艺流程

本项目新建工艺流程见图 3 ，平面布置见图 4 。进水取自原厂初沉池，核心工艺为 BFM工艺，B段采用纯膜MBBR实现微生物的专性富集，提高系统有效生物量，保证碳、氮的稳定达标，M段采用超效分离工艺，进一步去除SS和TP，保障出水全指标达标。出水与原厂工艺出水混合，经紫外消毒后直接排放至受纳水体，剩余污泥先进入污泥储池，然后排放至原厂污泥脱水车间与原厂剩余污泥共同处理，含水率降至80%以下后外运处理。

图 3 原厂及新建污水处理设施工艺流程图

图 4 原厂及新建污水处理设施平面布置

2.2 进水系统

本项目进水取自原厂初沉池出水，设转子泵3台，2用1备，单台流量271m ³ /h，扬程15m，N=22kW。

2.3 BFM系统

B段为纯膜MBBR生物池，共设置2组，单组设置9个圆柱形罐体，碳钢材质，单个罐体尺寸均为Φ6.5m×8.0m，地埋1.5m，为保证TN高标准排放，生物池整体为两级AO工艺。前3个罐体为第一级缺氧区，第4～7个罐体为第一级好氧区，第8个罐体为第二级缺氧区，第9个罐体为第二级好氧区。通过生物池多级多段设置，实现各功能区核心菌种的专性富集和功能分置，提高脱碳、硝化反硝化效率及抗冲击能力。纯膜MBBR工艺前后缺氧区填充率均为55%，前好氧区填充率为60%，后好氧区填充率为65%。系统总停留时间为10.75h，其中前缺氧区为3.66h，前好氧区为4.76h，后缺氧区为1.17h，后好氧区为1.16h。反应器内投加SPR-III型悬浮载体，尺寸为Φ25mm×10mm，HDPE材质，密度为0.94～0.97g/m ³ ，有效比表面积≥800m ² /m ³ ，挂膜后比重接近于水，轻微扰动下即可实现均匀流化。

缺氧区设置MBBR专用搅拌器，N=4.0kW，在保证推力前提下悬浮载体均匀扩散。考虑充分利用原水碳源，设计6台硝化液回流泵，4用2备，单台流量320m ³ /h，扬程10m，N=15kW，硝化液回流比300%。好氧区采用磁悬浮风机对生物池进行曝气，共设3台，2用1备，单台风量42m ³ /min，风压70.0 ～ 80.0kPa，N=75kW，设计DO为2～6mg/L。

M段共新建2组，单组设计水量为5000m ³ /d，采用钢制一体化设备，含混合池、加载池、絮凝反应池各1格，停留时间分别为2.6min、2.6min和3.16min，混合池、加载池、絮凝反应池均采用立式搅拌器，功率分别为1.1kW、1.5kW及1.5kW。沉淀区采用斜管沉淀，斜管斜长1.2m，孔径80mm，安装倾角60°，共安装36m ² ，设计表面负荷11.57m ³ /(m ² ·h)。

2.4 污泥储池

新建污泥储池一座，置于 M段下方，设计规格5.8m×5.7m×1.6m，含排泥泵2台，1用1备，N=2kW。

2.5 装配式模块

装配式BFM在工厂内进行模块化单元体加工制作，完成项目现场地面平整准备后，整体运输至项目现场进行安装。如图5所示，本项目BFM-B段为碳钢罐体结构，现场仅需进行固定及管路焊接，BFM-M段为模块化装备，可直接运输至现场与BFM-B段进行安装连接，在厂内无新建用地的条件下，利用厂区边缘绿化带进行实施，吨水占地0.142m ² /(m ³ ·d ^-1 )，仅为原厂吨水占地的17%，克服了建设占地受限、实施周期短的难题。自设计至安装完成共计用时29d，调试7d后实现达标排放，有效缓解了原厂运行压力。

图 5 BFM装配式实景图

运行效果

3.1 工艺运行效果

本项目采用同类型污水处理厂挂膜成熟的悬浮载体进行接种启动，水温 20℃，调试7d后实现出水达标，调试完成后项目实际进出水情况如表 3 所示，其中实际进水取自原厂初沉池出水， B段及M段出水水质参数均为水样经中速定性滤纸过滤后测定。

表 3 BFM沿程污染物变化情况

项目稳定运行阶段实际进水水量为9148.59±591.55m ³ /d，达到设计进水量的90%，实际停留时间约11.5h。进水COD、BOD ₅ 和TN浓度分别为542.94±96.69mg/L、224.94±43.87mg/L和68.36±7.06mg/L，基本达到设计标准，而BFM-B段即生化段出水COD、BOD ₅ 和TN浓度分别为36.79±5.22mg/L、3.78±1.01mg/L和4.60±2.53mg/L，已达到设计出水标准，出水TN浓度稳定低于10mg/L，通过两级A/O布置，前缺氧区利用原水碳源去除大部分TN，后缺氧区调控碳源投加量实现TN的深度去除，依靠生物膜高效的反硝化速率，可使出水TN稳定低于5mg/L。经过BFM-M段后，以SS形式存在的有机物进一步被去除，保证出水总COD稳定达标。进水氨氮浓度达到59.01±5.62mg/L，长期超过设计值近20%，但BFM-B段出水氨氮即可稳定达到1mg/L以下，均值仅为0.47mg/L。实际进水SS和TP分别为137.84±15.08mg/L和10.58±4.05mg/L，经过生化段后，TP有少量降低，而由于生物膜的动态更新过程，SS出现增长，继续经过BFM-M段处理后，出水SS和TP分别为4.56±0.91mg/L和0.08±0.04mg/L。BFM-B段保证了出水碳、氮的稳定达标以及少量TP的去除，而BFM-M段则进一步保障了TP和SS的达标排放，整体出水稳定优于设计排放标准。

3.2 生物膜性状

图 6 好氧悬浮载体挂膜情况（左：泥膜复合 MBBR生物膜；右：BFM生物膜）

悬浮载体生物膜挂膜情况如图 6 所示，其中左图为临近本项目的泥膜复合 MBBR项目中悬浮载体挂膜情况，右图为本项目纯膜MBBR中悬浮载体挂膜情况。从图中可以看出常规泥膜复合MBBR中，悬浮载体生物膜厚度一般为100～200μm ，而本项目中，好氧区生物膜厚度在 200～400μm，较泥膜复合MBBR生物膜更厚，这主要是由于纯膜MBBR中没有活性污泥与生物膜的竞争，因此可以充分发挥生物膜高效富集作用，其有效生物量更高，有效功能菌的数量更多，处理负荷更高，同时生物膜厚度的适量增加也提高了系统的抗冲击负荷能力。

1.1 系统流化效果

MBBR工艺能够成功运行的核心在于悬浮载体是否能够良好流化，而在BFM系统中，纯膜MBBR工艺的填充率较传统泥膜复合MBBR工艺更高，如何实现高填充率下悬浮载体的低耗流化成为纯膜MBBR工艺大规模应用的关键。对于好氧区，由于存在曝气系统，仅需对其进行合理布置，即可实现悬浮载体的均匀流化，无需额外曝气量；而针对缺氧区，则需要配备推流搅拌器，国外项目缺氧区的功率密度高达30W/m ³ 。本项目基于传统泥膜复合MBBR的设计经验，缺氧区采用了MBBR专用搅拌器，在保证推力前提下能够使悬浮载体扩散，功率密度可降低50%以上。本项目实际流化效果如图7所示，悬浮载体流化状态良好，无堆积现象。

图 7 项目实际流化效果（左：缺氧区；右：好氧区）

改造完成后，借助基于 CFD软件的仿真模拟对生物池整体水流场进行模拟分析，清晰体现了系统内的流化状态。图 8 显示了基于该项目的悬浮载体分布情况，缺氧池悬浮载体受专用推流搅拌器的推流作用做循环流动，初始阶段，悬浮载体分布于水池上方，在专用推流搅拌器的搅拌作用下，将悬浮载体均匀分散开，缺氧池整体分布较为均匀。好氧池内的穿孔曝气孔置于池底，悬浮载体受到气体冲击向四周分散运动，分布均匀，没有悬浮载体堆积现象出现。

图 8 水池内悬浮载体分布图

图 9 显示了基于该项目的流场分布，从整体的水流速度分布看，水流分布受到外力作用变化，如图 9 -a，b速度矢量图所示，缺氧池内推流器附近水流速度较大，带动了水池内的水体运动，水体在运动的同时携带悬浮载体进行循环流动。好氧池内的穿孔曝气带动水流向上运行，造成水体在水池内震荡波动，悬浮载体在水池内也跟随水体进行震荡波动，保证了悬浮载体在水池内的运动状态。如图9c，d所示，专用推流搅拌器使水池内的水体呈现较高的速度分布，并且推流器位置的合理设置也能保证水体在水池内的循环运动。好氧池内的水体速度在池壁附近有所增大，这是因为水体液面震荡所致，局部速度增大值有限，局部速度增大也有利于加快悬浮载体在水池内运动速率。

通过 CFD模拟，验证了其模拟效果与实际运行效果的相似性，对于后续的指导调控与优化运行具有重要的参考意义。

图 9 水池内流场分布图

3.4 投资与运行费用

本项目建设总投资4595.57万元，其中工程费用为4223.75万元，单位水量总成本为1.9元/m ³ ，单位水量经营成本为1.29元/m ³ ，吨水耗电量为0.55kW·h/m ³ 。

结论

北方某污水处理厂新建处理规模1×10 ⁴ m ³ /d的污水处理设施，项目需同时满足占地面积小、稳定性高、实施周期短的要求。核心工艺采用BFM进行新建，利用绿化带进行实施，吨水占地仅为0.142m ² /(m ³ ·d ^-1 )，同时采用装配式模式进行施工，设计及建设仅用时29d，通水7d后实现达标排放，实现了在缺地条件下污水处理设施的快速新建。BFM出水各指标稳定达到并优于设计出水标准，其中出水氨氮浓度稳定低于1mg/L，出水TN浓度稳定低于10mg/L，且通过纯膜MBBR工艺段后缺氧区的优化调控，可保障出水TN稳定低于5mg/L，出水TP稳定低于0.1mg/L，实现了高效的脱氮除磷效果；纯膜MBBR流化效果良好，缺氧区搅拌功率密度较国外降低50%以上，实现了节能降耗，并通过CFD模拟，实现了悬浮载体流化的指导调控与优化运行。BFM装配式具有集约紧凑、高效稳定、经济快速的优势。针对污水厂原厂提标扩容，在原系统不变的基础上，通过新建装配式序列，增加系统处理能力，实现整体提标，为污水厂原厂提标扩容提供了新思路。