MBR膜生物技术应用– 瑞典斯德哥尔摩两座大型污水厂的扩建案例
像其他欧洲大城市一样，瑞典首都斯德哥尔摩要面对城市化水平提高带来的基础建设的挑战。与此同时，随着波罗的海行动计划(Baltic Sea Action Plan)和欧盟的水框架法令(Water Framework Directive)的进一步落实，污水厂要执行更严格的出水标准，这给当地的污水厂带来了新的挑战。今天，IWA微信公众号将分享斯德哥尔摩市的两个污水厂采用膜技术进行扩建项目的案例。他们采用的是超滤膜生物反应器技术(ultrafiltration membrane bioreactor technology)，项目目标是要让出水的氮磷浓度分别为6mgTN/L和0.2mg TP/L。
▲ 建于岩洞里的Henriksdal污水厂
斯京水务(Stockholm Vatten)负责斯德哥尔摩市中心两个污水厂的运行，分别是Henriksdal污水厂(人口当量 780,000 PE，约70g BOD/pe/天)和Bromma污水厂(219,000 PE)。两座污水厂的大部分设施都建在岩洞里。两家污水厂的工序也大致相同，包括了初沉池、MLE( modified Ludzack-Ettinger)活性污泥工艺和双层砂滤。工序工艺细节可参考下图：
目前两座污水厂执行的氮磷出水标准分别为10mg TN/L和0.3 TP/L，而且一般都能达标排放。但是，该市人口估计以每年1.5%的速度增长(15000-20000 人/年)，这增加了运行操作的压力，另外运行成本也居高不下。斯京水务在2011年起就开展可行性研究，为斯德哥尔摩未来的污水处理寻求战略性替代方案。
可行性研究报告展示了两个选择，两者都能满足日后更严格的出水标准和更大的处理负荷：
1. 对Bromma和Henriksdal污水厂进行扩容和升级；
2. 关闭拆除Bromma污水厂，并将其进水导入扩建的Henriksdal污水厂。
▲ Henriksdal污水厂的曝气池
尽管大家普遍认为第二个改造方案在技术上更加复杂，而且造价更高，但其还是被选中成为最终方案。其中一个原因是Bromma污水厂有一部分在繁华居民区内，政府很看重这块土地的日后开发。另外，通过兴建新15km的污水运输管道，可以拆除一些溢流水管，这对当地环境也是有好处的。Bromma污水厂的拆建和Henriksdal污水厂的扩容升级项目从2014年5月起开始动工，两厂将合并为一个更大的中心污水厂，处理能力升至160万人口当量，这也让Henriksdal污水厂成为了世界最大的MBR污水厂。
▲ 世界上最大的MBR污水厂。来源：http://www.thembrsite.com/about-mbrs/largest-mbr-plants/
而在斯德哥尔摩以南30km的地方，另一家水务处理公司Syvab负责 Himmerfjärden污水厂的运行。为了应对不同时期的新标准，这座污水厂经历了好几次改建，导致污水厂工序繁多，使用多种化学品，而且能耗高。现在的工序包括了预沉池、包含硝化工艺的活性污泥法、三级沉降池、添加甲醇的反硝化流化床、固液分离的盘式过滤器。该厂还是饱受污泥膨胀和泡沫问题的困扰，所以通过添加了臭氧工序来控制丝状菌。更具体的工艺流程请参考下图：
早在2010年Himmerfjärden污水厂就对升级计划进行了概念设计，目标是增加335,000人口当量的处理能力，同时让设计更具灵活性和更好的冗余空间。最终选中的方案是分段进料的前置反硝化的活性污泥工艺，并配有泥水分离的过滤设备。在2010到2012年间，他们对盘式过滤机和MBR膜生物反应器技术进行了中试。
▲ Himmerfjärden污水厂鸟瞰图
与传统的活性污泥工艺相比，MBR反应器的污泥浓度可以高达14g MLSS/L，提高了单位体积的处理负荷，而且膜组件的占地面积小于二沉池。
瑞典Henriksdal污水厂的扩建升级充满了挑战。首先是出水标准的提高，其次是处理能力要翻倍，另外由于其特殊的地质结构，扩容只能在现有占地的基础上实施，难度很大，造价昂贵。MBR技术能让扩容工作在已有生物反应池中完成。基于可行性报告的结果，一个跨学科的概念设计方案在2015年1月完成了。目前他们在进行一个1：1000的中试验证，并获取膜运行表现等数据。计划投产时间预计在2017年，首批MBR工艺共7条线。
Syvab负责的Himmerfjärden污水厂，没有Henriksdal那样的占地限制问题，他们选择了MBR技术是处于其他考虑，包括更严格的出水标准、使用原有反应池的可能性以及简化工艺工序，消除污泥膨胀和泡沫的影响。他们会根据当地水务局最终颁布的处理要求来制定最终的投资计划。污水厂相信使用MBR技术能有效降低出水的TSS浓度，甚至能够应对未来对新型污染物的排放限制。
Henriksdal和Himmerfjärden两个污水厂的设计参数见下表：
处理策略
膜技术的重要设计参数包括了流量(平均、时峰值、日峰值、周峰值和月峰值)、水温、生物反应器的污泥浓度等。鉴于两座污水厂之间的距离和污水管网的情况，会在春天的融雪期造成较长的高流量和低水温的冲击。因此他们设计了旁路让这部分污水经预处理后进入后续工艺，跳过MBR，这样能使膜组件的设计更加高效，节约成本。Henriksdal 和Himmerfjärden污水厂设计的峰值流量为19m3 /s 和 3.7 m3/s，但各自的MBR系统的设计水力符合仅为10 m3 /s 和2.8 m3 /s。
Henriksdal污水厂现有的水力负荷能力是其主要的限制因素，为了解决春季的污水增量问题，他们对已有的砂滤池增加了预沉池和深度处理。而在Himmerfjärden进行的中试则显示沉降、絮凝和盘式过滤的处理效果理想，将用于应对暴雨的旁路处理。
预处理
大部分的MBR系统都没有初沉池。但是 Henriksdal 和Himmerfjärden污水厂将继续沿用初沉池，目的是降低后续工艺的有机负荷，并提高生物沼气的产量。两个厂生产的生物沼气都用作汽车燃料。
值得一提的是，预处理最后阶段他们加入细筛网来截留毛发、纤维等可能破坏膜的物质。Himmerfjärden厂在生物反应池旁建造了一个细筛网室，共8套组件，详情可参考下图：
而在Henriksdal则给7条平行处理分别配置两个转鼓过滤机(2mm) ，这个配备设计跟Himmerfjärden污水厂相比，冗余度更低，但因为其特殊的地形结构，并没有其他更好的选择了。至于筛网的选择，则是根据膜供应商的保修要求配置。
MBR工艺
两座污水厂都采用外置式的MBR，这样方便了运行管理。Henriksdal污水厂甚至可以把现有的二沉池改造成膜反应器。回流污泥（RAS）和进水流量(Q)比为2-5倍，目的是让污泥在MBR中均匀分布，防止泥饼的形成。而且因为MBR防止膜污染和堵塞的气洗工序，MBR中的RAS的含氧量要高于传统的活性污泥。
脱氮工艺
这些高含氧量的RAS对基于MLE工艺的前置反硝化细菌确实致命的，为了将进水碳源和RAS中的氧气最大化利用，他们将RAS先泵至好氧区。硝态氮则连同去氧污泥回流到前置缺氧区，如下图所示：
▲ 一般MBR工艺设计
然而这个方法有两个弊端：
第一， 前置缺氧区的MLSS没法调至最大值，这降低了处理能力
第二， 导致很高的内循环流量。
Henriksdal污水厂的设计方案假设未来的污水厂通过前置反硝化就能将出水总氮浓度降到10mg/L。要达到6mg/l的标准，将通过后置的反硝化区实现。目前高RAS/Q-in 比(3-4)配合低硝态氮浓度(因为出水TN低)，能使前置反硝化的脱氮率最多达到65% （如果硝态氮的回流率是4倍Q的话）。这样一来前置反硝化无法将总氮浓度降至10mg N/L以内。他们的应对方案是在缺氧区前边增加一个RAS-去氧区（如下图）：
Himmerfjärden污水厂的目标就是要降低MBR的总回流率，同时又能将有机负荷最大化，并保持高MLSS的状态。高回流率也会增加污水厂在施工和设备上的压力。因此他们选用了之前提及的分段进料的前置反硝化优化式MBR技术。下面是他们的工艺流程示意图：
在分段进料前置反硝化部分，进水通过串联方式进入生物反应器，形成一个污泥浓度的梯度。平均污泥浓度因此高于最后一段的浓度。
跟Henriksdal的设计相似，在Himmerfjärden污水厂，RAS先回流至去氧区，然后在进入第一阶段的反硝化缺氧区。这样设计的好处包括：
(1) 更高的MLSS浓度，因此获得更高的单位体积有机负荷；
(2) 无需为前置反硝化配置额外的硝态氮循环，因为第一阶段产生的硝酸会在后续阶段得到去除；
(3) 最后一个阶段的低MLSS能让RAS/Q-in比降至2，但又能让反应器的平均污泥浓度维持在较高的水平。最终减少污水厂的能耗。
另外，较低的RAS回流率减少了RAS去氧区的氧气浓度，这样减少了所需体积。但是要实现6mg TN/L的出水要求，Himmerfjärden污水厂还是需要在后置反硝化中添加碳源。因此最终Himmerfjärden的设计方案为三段式串联反硝化。
RAS和厌氧消化液的硝化反应
如上面两个厂的工艺流程设计图所示，两个厂都会厌氧消化污泥脱水后的出水进行硝化处理，方法是在之前提及的RAS去氧区中跟RAS进行混合。这个方法的三个好处有：
(1) 将本来用于膜清洗的氧气用于脱氮；
(2) 厌氧消化液的高氨氮出水不再需要回流到前置反硝化池；
(3) RAS中的所有NO3 可直接回流到前置反硝化区。
除磷
两个污水厂都通过化学方法除磷。他们通过一套精心设计的投药和控制策略来防止投药过量等情况的发生。另外，Henriksdal污水厂中试结果显示二价铁在低磷浓度的环境有可能形成碱式磷酸盐絮状物(phosphate-hydroxide flocs)，后者有可能导致膜的快速堵塞。所以他们正在新的测试，来验证是否能够用三价铁来作替代。目前项目还在施工设计阶段，据其他资料显示，项目的另一个预计完成时间是2018年。
参考资料
S. Andersson, P. Ek, M. Berg, J. Grundestam, E. Lindblom, Extension of two large wastewater treatment plants in Stockholm using membrane technology, Water Practice & Technology, Vol.11, No. 4, 744-753; DOI: 10.2166/wpt.2016.034