制藥廢水成分復雜、毒性大、氨氮濃度高、水質(zhì)水量變化大，是工業(yè)廢水中較難處理的一種。對于高氨氮制藥廢水的處理，普遍采用“預處理+生化法”的耦合工藝。馮金河采用“預處理+水解酸化+UASB+二級A/O+MBR膜”組合工藝處理制藥廢水，實(shí)際進(jìn)水氨氮為1141mg/L，預處理采用吹脫法去除大部分氨氮，然后經(jīng)過(guò)二級A/O-MBR工藝處理，出水氨氮低于10mg/L。雷頡等采用“MAP-鐵碳芬頓-A2/O-BAF”組合工藝處理高氨氮制藥廢水，MAP法可去除近70%的進(jìn)水氨氮，出水氨氮低于140mg/L，通過(guò)A2/O和BAF工藝的聯(lián)合處理，最終出水氨氮低于25mg/L。作為預處理工藝，吹脫法、MAP法均能實(shí)現高氨氮廢水的有效處理，但是能耗、藥耗均較高。生物法是較為經(jīng)濟的處理工藝，但高氨氮進(jìn)水帶來(lái)的高游離氨（FA）以及進(jìn)水中存在的有毒有害物質(zhì)會(huì )抑制活性污泥微生物的活性，從而降低活性污泥的處理效果，嚴重時(shí)直接導致生化系統崩潰。因此亟需尋求抗毒能力強、處理負荷高的替代工藝，而純膜MBBR工藝是較好的選擇。

純膜MBBR工藝是移動(dòng)床生物膜反應器（MBBR）的一種應用形式，屬于生物膜法。純膜MBBR工藝不富集活性污泥，擺脫了傳統泥膜復合MBBR工藝中活性污泥與生物膜競爭底物的束縛，具有更高的處理負荷。在國外，針對市政污水處理，純膜MB?BR工藝可在3~6h的停留時(shí)間內獲得優(yōu)于國內地表準Ⅳ類(lèi)水水質(zhì)的效果，具有較好的處理性能。在國內，純膜MBBR工藝已在微污染水、市政污水處理等領(lǐng)域成功應用，如廣東東莞某河道水質(zhì)凈化廠(chǎng)采用純膜MBBR工藝對其原一級沉淀工藝進(jìn)行原池改造，同時(shí)具備了除磷、硝化功能，有效改善了河道水質(zhì)。江蘇鹽城某原水預處理項目采用純膜MBBR工藝處理微污染水，在實(shí)際進(jìn)水氨氮為1.4mg/L的條件下，可使出水氨氮低于0.1mg/L，滿(mǎn)足地表Ⅲ類(lèi)水標準，取得了良好的應用效果。廣東肇慶某市政污水廠(chǎng)設計處理水量3×104m3/d，二級工藝采用純膜MBBR工藝，在HRT僅為1.99h的條件下，可實(shí)現出水氨氮低于1.5mg/L的處理目標。山東某污水廠(chǎng)處理水量2×104m3/d，采用純膜MBBR工藝，好氧區硝化容積負荷達到0.371kgN/（m3?d），出水氨氮穩定低于1.0mg/L。在高氨氮污水處理方面，已有基于純膜MBBR的全程自養脫氮（CANON）工藝成功用于污泥消化液的處理，在進(jìn)水氨氮最高為800mg/L的條件下，硝化負荷可達0.5kgN/（m3?d）以上，TN負荷達到0.9kgN/（m3?d）。純膜MBBR處理高氨氮廢水，具有處理負荷高、耐水質(zhì)水量沖擊的特點(diǎn)，同時(shí)MBBR工藝可靈活與已有生化系統鑲嵌，實(shí)現污水廠(chǎng)的原位提標、擴容改造。

以某制藥廠(chǎng)廢水處理系統改造為例，分析純膜MBBR工藝應對高氨氮廢水廠(chǎng)原位擴容提標的可行性以及處理性能，以期為高氨氮廢水的處理提供技術(shù)參考和數據支撐。

1、工程背景

1.1 項目概況

該制藥廢水處理廠(chǎng)主要處理制藥車(chē)間生產(chǎn)廢水，以氨氮和COD去除為主要目標，原設計流量500m3/d。原進(jìn)水氨氮為500mg/L，要求出水氨氮<45mg/L，原進(jìn)水COD為3000mg/L，要求出水COD<500mg/L，出水進(jìn)入廠(chǎng)內其他污水處理設施進(jìn)一步處理。生化系統采用兩段A/O工藝，第一段A/O主要去除有機物，經(jīng)過(guò)沉淀池泥水分離后進(jìn)入第二段A/O；第二段A/O主要進(jìn)行脫氮。實(shí)際運行中，COD能夠穩定達標，但出水氨氮難以穩定達標，主要原因是進(jìn)水水質(zhì)復雜，存在氨氮濃度高、水溫高（30~40℃）引起的高游離氨抑制等問(wèn)題。隨著(zhù)藥廠(chǎng)提量增產(chǎn)，實(shí)際進(jìn)水水量預計達到1000m3/d，進(jìn)水水質(zhì)濃度增大近1倍，核心氨氮濃度達到950mg/L。改造后進(jìn)水氨氮負荷達到改造前的3.8倍，原有系統已難以應對，亟需進(jìn)行改造，以提高生化系統的處理能力，保障出水水質(zhì)穩定。本次改造設計進(jìn)水量為1000m3/d，設計進(jìn)、出水COD不變，分別為3000、500mg/L，設計進(jìn)、出水氨氮分別為950、5mg/L。

1.2 存在問(wèn)題與應對措施

本次制藥廢水處理廠(chǎng)改造面臨的主要問(wèn)題有：

①高氨氮去除率。進(jìn)水水質(zhì)提升后，對出水要求也同時(shí)提高，氨氮去除率由91%提升至99.5%，這種高濃度氨氮經(jīng)過(guò)一段生化工藝處理出水達標鮮有報道。

②進(jìn)水有毒有害物質(zhì)濃度高。實(shí)際進(jìn)水成分復雜，主要含咖啡因、巴比妥、布洛芬生產(chǎn)原料及中間產(chǎn)物等有毒有害物質(zhì)，對系統硝化有抑制作用；進(jìn)水氨氮濃度高，水溫一般在30~40℃，系統內游離氨較高，對硝化也有較強的抑制作用；原活性污泥系統在處理負荷較低時(shí)也僅能勉強達標，并不穩定，仍需要廠(chǎng)內其他污水處理設施進(jìn)一步處理；隨著(zhù)進(jìn)水氨氮濃度的進(jìn)一步提高，將導致游離氨進(jìn)一步提升，對硝化的抑制作用更強。

③無(wú)新增用地。廠(chǎng)區用地緊張，無(wú)擴建用地，無(wú)法延長(cháng)工藝流程，只能通過(guò)原位改造方式增加處理負荷，需采用新工藝，充分挖掘處理潛能。

④水質(zhì)水量波動(dòng)大。受排污企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)影響，來(lái)水水質(zhì)水量波動(dòng)較大，不具備建設調節池條件，所選工藝需具備良好的抗水質(zhì)水量沖擊性能，并能夠應對長(cháng)時(shí)間的水質(zhì)波動(dòng)。

⑤工程施工困難。污水處理全流程為全封閉結構，施工困難；要求所選新工藝改造簡(jiǎn)單，工程量少，并且盡可能少地改造構筑物。

針對存在的問(wèn)題，并校核現有污水處理工藝性能，第一段A/O池容充分，結合已有系統運行情況，COD能夠穩定達標。本項目的改造難點(diǎn)是氨氮的去除，擬對第二段A/O進(jìn)行硝化能力強化。

2、技術(shù)路線(xiàn)與方案

改造后設計進(jìn)水氨氮達到950mg/L，更高的氨氮濃度必然進(jìn)一步提升系統內游離氨，對活性污泥抑制將更強，故不宜將活性污泥作為削減氨氮負荷的主體。對于TN而言，若氨氮能夠穩定達標，既有反硝化池容充分，以廠(chǎng)內生產(chǎn)廢料為碳源，可保障TN穩定達標?；诖?，改造路線(xiàn)采用活性污泥系統前增設生物膜硝化系統，形成O（Biofilm）+A/O（AS）雙泥系統（見(jiàn)圖1），生物膜前置用于削減氨氮負荷，之后通過(guò)A/O實(shí)現污染物進(jìn)一步處理達標。

O+A/O雙泥系統，OI段為純膜MBBR工藝段，微生物主要以附著(zhù)態(tài)存在；A/O仍為活性污泥法，沉淀池回流污泥直接回流至A段，不經(jīng)過(guò)OI段。純膜MBBR工藝段相當于后續活性污泥系統的預處理，進(jìn)行氨氮的削減，同時(shí)懸浮載體脫落的生物膜隨出水進(jìn)入活性污泥系統，可對活性污泥進(jìn)行硝化菌接種，維系污泥系統硝化能力的穩定性，活性污泥系統確保出水氨氮穩定達標。

3、工藝設計

改造前、后工藝流程對比見(jiàn)圖2。

針對脫氮池，將原二段A/O的后好氧池切割1/2池容改造為純膜MBBR區，形成兩個(gè)獨立的好氧區，流程上將二級A/O改造為OI+A/OⅡ工藝雙泥系統。改造后平流二沉池出水首先進(jìn)入純膜MBBR池完成高氨氮濃度的削減，然后進(jìn)入缺氧池進(jìn)行脫氮，后好氧保障出水氨氮和有機物的穩定達標。污水經(jīng)過(guò)豎流沉淀池后，上清液排放至廠(chǎng)內其他污水處理設施進(jìn)一步處理。污泥直接回流至缺氧池，不進(jìn)入純膜MBBR池，確保純膜MBBR池以生物膜為主體。純膜MBBR池的設計停留時(shí)間為44h，投加SPR-Ⅲ型懸浮載體。為充分發(fā)揮純膜MBBR池高負荷特性，純膜MBBR池設計硝化負荷>0.49kgN/（m3?d），出水氨氮低于45mg/L。根據實(shí)際處理能力，重新校核需氣量，純膜MBBR池單獨設3臺空氣懸浮風(fēng)機，風(fēng)量25m3/min（標準狀態(tài)下），風(fēng)壓75kPa，2用1備。好氧脫碳池和后好氧池更換為2臺空氣懸浮風(fēng)機，1用1備，風(fēng)量120m3/min（標準狀態(tài)下），風(fēng)壓75kPa。改造后核心功能區停留時(shí)間見(jiàn)表1。在工程施工方面，新增了平流二沉池至純膜MBBR區的進(jìn)水管道，更換了原純膜MBBR池的曝氣設備和風(fēng)機房至純膜MBBR池的空氣管路，增加了純膜MBBR區的攔截篩網(wǎng)。除此之外，無(wú)其他工程量。

4、運行效果

該項目運行的難點(diǎn)在于純膜MBBR池能否穩定發(fā)揮預處理功能，實(shí)現高氨氮濃度的削減，故主要分析純膜MBBR池的硝化效果。系統投運后，控制純膜MBBR池DO>3mg/L，純膜MBBR池進(jìn)、出水氨氮濃度變化見(jiàn)圖3，進(jìn)水氨氮負荷和硝化負荷變化見(jiàn)圖4，懸浮載體掛膜效果見(jiàn)圖5。系統經(jīng)歷了啟動(dòng)、穩定運行、兩次pH沖擊與恢復、低基質(zhì)運行與恢復、二氯甲烷沖擊與恢復等階段。

純膜MBBR池的啟動(dòng)運行和排污單位擴大生產(chǎn)同步進(jìn)行。前31天，實(shí)際進(jìn)水負荷基本為0.03~0.04kgN/（m3?d），變化比較小。從第32天開(kāi)始，進(jìn)水負荷逐步提升，至第74天，進(jìn)水負荷達到0.16kgN/（m3?d），硝化負荷也從0逐步提升至0.14kgN/（m3?d）。在此期間，純膜MBBR池出水氨氮穩定在45mg/L以下，在提產(chǎn)過(guò)程中保障了出水水質(zhì)的穩定性。純膜MBBR區投加新懸浮載體，一次性接種活性污泥4g/L，自然流失，不再回流污泥。運行至第11天，系統內污泥濃度降至0.5g/L以下，與進(jìn)水SS基本相同。掛膜方面，系統運行7d，懸浮載體內已明顯富集生物膜；運行至20d，懸浮載體整體呈現淡黃色掛膜效果；運行至40d，生物膜顏色更加均勻；運行至60d，生物膜為深褐色，更加均勻致密。此后，系統進(jìn)入正常運行階段，第75~152天，實(shí)際進(jìn)水量均值899m3/d，在第75~114天進(jìn)水負荷均值為0.17kgN/（m3?d），相對穩定，硝化負荷為0.15kgN/（m3?d），氨氮去除率維持在90%以上。隨后進(jìn)水氨氮負荷繼續提升至0.37kgN/（m3?d）。由于懸浮載體生物膜掛膜良好，硝化負荷隨之提升。出水氨氮持續降至5mg/L以下，運行效果穩定。經(jīng)過(guò)本階段的運行，硝化負荷達到0.37kgN/（m3?d）。

第153天和191天，系統遭受兩次高pH沖擊，pH分別達到9.91和10.11。第一次pH沖擊，硝化受影響較大，出水氨氮由2mg/L迅速升高至306mg/L，氨氮氧化率由99.7%降至51.35%，硝化負荷由0.37kgN/（m3?d）降至0.08kgN/（m3?d），降低了78.4%。運行11d后，氨氮氧化率恢復到90%以上，硝化負荷達到0.25kgN/（m3?d）。距第一次pH沖擊僅39d，系統再次遭受第二次pH沖擊，對硝化的抑制程度較第一次更為嚴重，硝化能力被抑制時(shí)間長(cháng)達5d，硝化負荷最低僅為0.03kgN/（m3?d），自第197天開(kāi)始出水氨氮恢復降低。pH沖擊10d之后，氨氮氧化率恢復至90%以上，硝化負荷達到0.30kgN/（m3?d）。研究表明，在生物脫氮過(guò)程中，氨氧化細菌（AOB）活性受所處環(huán)境pH影響較大，最適pH為7.4~8.2。當活性污泥受到高pH沖擊時(shí)，微生物活性、污泥沉降性能會(huì )受到影響，而懸浮載體生物膜遭受高pH沖擊的直接影響是脫膜。受pH沖擊后，同步對純膜MBBR池的懸浮載體和后好氧池的硝化污泥進(jìn)行了硝化試驗跟蹤。結果顯示，懸浮載體生物膜11d后硝化能力基本恢復至沖擊前的90%，而運行40d后，活性污泥硝化能力恢復至抑制前的94%，活性污泥恢復時(shí)間較長(cháng)。雖然懸浮載體生物膜存在部分脫落情況，但由于生物量大，且功能菌富集能力高，所以生物膜在應對pH沖擊條件下，即使硝化能力受影響，但自身應對沖擊能力較強，可在短時(shí)間內自然恢復。

在第203~290天系統恢復正常運行，純膜MBBR池繼續保持良好的硝化能力，純膜MBBR池出水氨氮穩定在5mg/L以下，硝化負荷最大達到0.45kgN/（m3?d）。生產(chǎn)單位自第291天開(kāi)始停產(chǎn)檢修，持續61d，此時(shí)系統進(jìn)水水量和水質(zhì)大幅降低，進(jìn)水負荷低于0.15kgN/（m3?d），低于設計進(jìn)水負荷的30%，純膜MBBR系統進(jìn)入低基質(zhì)運行階段。低基質(zhì)運行階段共持續61d，其中，負荷低于0.10kgN/（m3?d）的天數占93.4%。在此期間，系統一直處于低曝氣階段，DO低于1mg/L，即可保障出水穩定達標。從第352天開(kāi)始，系統進(jìn)水負荷開(kāi)始回升。7d后進(jìn)水負荷從0.13kgN/（m3?d）升至0.34kgN/（m3?d），提升了2.62倍。由于系統長(cháng)期受低基質(zhì)運行的影響，加之水溫較高，生物膜性能顯著(zhù)下降，硝化負荷恢復速率低于進(jìn)水負荷提升速率，系統處理能力不足，出水氨氮升高，最高達到199mg/L，氨氮氧化率降至63%。經(jīng)過(guò)17d的運行，出水氨氮降至13.8mg/L，氨氮氧化率達到95%，硝化負荷也同步從0.16kgN/（m3?d）恢復至0.32kgN/（m3?d）。在饑餓運行過(guò)程中，胞外聚合物（EPS）可以作為能源物質(zhì)轉化為細胞生長(cháng)所需碳源和能量。針對生物膜，由于EPS被消耗，直接導致了懸浮載體生物膜掛膜松散，在效果恢復期間易發(fā)生脫落。但從實(shí)際運行效果上看，低基質(zhì)運行61d，用時(shí)17d即完成效果恢復，優(yōu)于后端活性污泥的30d，表明純膜MBBR在應對間歇低基質(zhì)運行上具備良好的適應能力及快速恢復能力。

正常情況下，系統會(huì )接收二氯甲烷廢氣，進(jìn)氣濃度低于20mg/m3。運行至第395天，檢測到實(shí)際進(jìn)氣濃度達到10000mg/m3，是正常進(jìn)氣濃度的500倍，系統遭遇嚴重的二氯甲烷沖擊。沖擊后第2天，純膜MBBR池出水氨氮即上升至142mg/L，在此后的23d中出水氨氮一直高于45mg/L，氨氮氧化率最低降至35%。值得注意的是，雖然硝化性能受限，但硝化負荷仍高于0.15kgN/（m3?d），優(yōu)于pH受沖擊階段。經(jīng)過(guò)23d，系統處理能力得以恢復，而后端活性污泥直到60d后才恢復到?jīng)_擊前硝化能力，進(jìn)一步體現了MBBR生物膜的耐沖擊性及快速恢復能力。

由于制藥廢水成分復雜，導致純膜MBBR系統頻繁受到?jīng)_擊，包括pH沖擊和二氯甲烷廢氣沖擊等，但系統均能快速恢復，展現了較強的抗毒能力及快速恢復能力；系統正常進(jìn)水時(shí)，純膜系統能夠滿(mǎn)足處理要求，展現出較高的處理負荷。

5、經(jīng)濟性分析

本項目處理高濃度進(jìn)水，穩定運行期間總運行電耗為4.1~5.4kW?h/m3。其中純膜MBBR池風(fēng)機電耗1.0~1.8kW?h/m3，占總電耗的20%~35%，主要與進(jìn)水水質(zhì)濃度和組成有關(guān)。所需藥劑包括無(wú)機碳源和有機碳源，均為廠(chǎng)內其他車(chē)間副產(chǎn)物，不產(chǎn)生經(jīng)濟費用。

6、結論

采用純膜MBBR工藝將已有A/O活性污泥脫氮工藝改造為O+A/O雙泥系統，實(shí)現了制藥廢水處理廠(chǎng)原池擴容提標的目標。純膜MBBR池硝化能力達到0.45kgN/（m3?d），正常運行系統出水氨氮<5mg/L；面對進(jìn)水pH沖擊、二氯甲烷沖擊、長(cháng)期低基質(zhì)運行后進(jìn)水負荷激增沖擊等，純膜MBBR系統受影響程度小，展現了較強的抗毒能力及快速恢復能力；純膜MBBR池僅通過(guò)曝氣即可實(shí)現系統的充氧、懸浮載體良好流化，風(fēng)機電耗1.0~1.8kW?h/m3。純膜MBBR工藝有效解決了高氨氮去除率、進(jìn)水有毒有害物質(zhì)濃度高、無(wú)新增用地、水質(zhì)水量波動(dòng)大以及施工困難等難題，具備高負荷、耐沖擊能力強的優(yōu)勢，適用于高氨氮工業(yè)廢水的處理。（來(lái)源：中國市政工程華北設計研究總院有限公司，首創(chuàng )愛(ài)華<天津>市政環(huán)境工程有限公司，青島思普潤水處理股份有限公司）