2021年MBBR和MBR工藝作為應用廣泛且運行可靠的工藝被同時納入《室外排水設計標準》（GB50014—2021）。作為典型的集約型污水生化處理工藝，兩種工藝提高生化處理能力的方式不同，MBR可使生化池生物量提升至原來的2~3倍，通過提高污泥濃度強化處理能力；MBBR通過懸浮載體的投加，在提高系統(tǒng)內(nèi)生物量的同時，微生物部分形態(tài)由懸浮態(tài)變?yōu)楦街鴳B(tài)，功能菌相對豐度和處理能力得以提升。兩種工藝各有特色，在國內(nèi)市政污水領域的應用體量均已超過2000×104m3/d，解決了污水處理廠新/改/擴建面臨的缺地難題，在集約型污水處理中發(fā)揮了重要作用。

以北方某污水處理廠為例，分析MBBR和MBR的工藝特征、運行效果及碳排放情況，以期為行業(yè)內(nèi)工藝選擇提供借鑒。

1、污水處理廠概況

該項目設計處理水量為30×104m3/d，進、出水水質見表1，出水執(zhí)行地表水準Ⅳ類標準，并排入受納河流上游，實現(xiàn)生態(tài)補水。一期、二期和三期提標改造均采用泥膜復合MBBR工藝（即S-MBBR），設計水量為20×104m3/d；四期新建采用MBR工藝，設計水量為10×104m3/d。工藝流程見圖1。

MBR工藝對預處理的要求更高，新增了膜格柵，其設計柵間距為1mm，以進一步去除細小毛發(fā)及纖維物質等，減少對后端膜組件的污染和損傷；膜池設計污泥濃度為10g/L，生化池設計HRT為17h；MBR通過膜池實現(xiàn)固液分離，占地較二沉池小，且工藝末端無需再設置深度處理單元。S-MBBR對預處理無特殊要求；生化段將懸浮載體投加于好氧區(qū)，以強化硝化效果，缺氧池未投加懸浮載體，充分發(fā)揮活性污泥的反硝化作用，好氧區(qū)懸浮載體填充率為46%，采用SPR-Ⅲ型懸浮載體，有效比表面積>800m2/m3，生化池設計HRT為21.6h；S-MBBR仍需二沉池，后端仍采用傳統(tǒng)的深度處理實現(xiàn)對SS和TP的深度去除。

對比S-MBBR和MBR工藝流程可知，MBR更加簡潔，流程短；S-MBBR能夠充分利舊，不改變主體工藝及流程，預處理和深度處理均為提標改造前設施。因S-MBBR為改造部分，改造過程中維持原有的HRT，故HRT偏高；若進一步在缺氧區(qū)投加懸浮載體，可進一步降低HRT。兩種工藝在生化部分均能大幅降低HRT且相差不多，但固液分離部分MBR工藝優(yōu)勢顯著。

2、運行效果與分析

選取該污水廠2021年數(shù)據(jù)分析兩種工藝的運行效果。進水樣品取自進水泵站，S-MBBR出水樣品取自濾布濾池之后，MBR出水樣品取自膜池之后。

污水處理廠進水水質波動較大，增加了出水穩(wěn)定達標的難度，但兩種工藝均能實現(xiàn)穩(wěn)定達標，沒有顯著性差異。兩種工藝實際運行水量負荷率不同，S-MBBR實際運行HRT為18.15h，MBR實際運行HRT為19.54h。從處理效果看，MBR對COD的處理效果更優(yōu)，較S-MBBR多去除3.2mg/L，而出水BOD5效果相當，兩種工藝對有機物的去除均較為徹底，MBR更高的污泥濃度有利于對難降解有機物的去除。兩種工藝均利用活性污泥反硝化進行脫氮，雖然MBR較S-MBBR多去除了2.1mg/L的TN，但由于其碳源投加量更大，所以兩系統(tǒng)TN去除效果基本相同。S-MBBR出水NH3-N、TN及TP標準差更低，顯示出更加穩(wěn)定的處理效果；MBR較好的膜過濾作用，保障了較低的出水SS濃度。

該污水處理廠生化池冬季水溫低至8~11℃，根據(jù)批次試驗測定，活性污泥硝化負荷為0.018kgNH3-N/（kgMLSS·d），懸浮載體生物膜表面硝化負荷為0.371gNH3-N/（m2·d）。MBR工藝通過提升污泥濃度的方式實現(xiàn)了整體處理性能的提升，而S-MBBR工藝則通過投加懸浮載體形成生物膜的方式，彌補了與MBR的污泥濃度差距。此外，分別取S-MBBR生化池活性污泥、懸浮載體生物膜及MBR生化池活性污泥進行高通量測序分析。MBR活性污泥硝化菌相對豐度為0.6%，S-MBBR活性污泥硝化菌相對豐度為0.64%，而S-MBBR生物膜硝化菌相對豐度達到了12.15%，S-MBBR生物膜能夠實現(xiàn)硝化菌的高效富集。

兩種工藝在抗水量沖擊能力上存在較大差異。圖2為2021年兩種工藝運行水量負荷率的變化。

S-MBBR運行水量為（21.93±3.59）×104m3/d，一年內(nèi)有244d超過設計運行水量，最大值為32.17×104m3/d，負荷率達到161%，平均運行水量負荷率達到119%。MBR運行水量為（8.43±0.84）×104m3/d，最大值為10.68×104m3/d，平均負荷率為87%。由于MBR末端膜組件的膜通量一定，因此其水量較為恒定，抗水量沖擊性能較差。在面臨進水水量沖擊時，S-MBBR幾乎承擔了全部的增量部分，保障了污水處理廠的正常運行以及總出水水質穩(wěn)定達標。

3、藥劑與能耗分析

在藥劑消耗方面，S-MBBR使用的藥劑包括乙酸鈉、三氯化鐵及PAM等，用于反硝化脫氮及化學除磷；MBR使用的藥劑包括乙酸鈉、三氯化鐵、次氯酸鈉及檸檬酸等，用于反硝化脫氮、化學除磷及膜組件清洗。兩種工藝的藥劑日均消耗量見表2。MBR的乙酸鈉投加量高于S-MBBR，進一步核算多投加的乙酸鈉可去除約2mg/L的TN，與S-MBBR和MBR出水TN差值接近，表明兩者出水TN差異主要由碳源投加量不同所致。MBR的三氯化鐵投加量高于S-MBBR，這主要與MBR泥齡較長導致其生化除磷效果稍弱有關。根據(jù)三氯化鐵使用量進行核算，S-MBBR化學除磷占比為32.33%，MBR化學除磷占比為36.79%。S-MBBR雖然通過投加生物膜可實現(xiàn)雙泥齡系統(tǒng)，有利于生物除磷，但實際由于進水有機物濃度較低，在控制上優(yōu)先進行反硝化脫氮，因此用于生物除磷的有機物濃度相對較低，導致生物除磷效果相對較弱。

在電耗方面，S-MBBR電耗為0.494kW·h/m3，其中生化池曝氣能耗為0.235kW·h/m3，占比為47.00%；MBR電耗為0.616kW·h/m3，其中生化池曝氣能耗為0.290kW·h/m3，占比為46.86%，S-MBBR對硝化菌的高效富集能力降低了曝氣能耗。MBR為了維持膜通量，膜池的能耗較高，本項目均值為0.204kW·h/m3，占比為33.26%，且膜組件使用不足兩年，隨著膜通量的降低，膜池的能耗有進一步升高的趨勢。由于S-MBBR進水量波動大，曝氣能耗與進水量關系密切，當S-MBBR進水負荷率低于100%時，曝氣能耗為0.304kW·h/m3；進水負荷率為100%~125%時，曝氣能耗為0.219kW·h/m3；進水負荷率>125%時，曝氣能耗為0.169kW·h/m3，與水量呈負相關關系，說明S-MBBR在面臨進水負荷沖擊時可充分發(fā)揮生物膜硝化潛力，不需大幅提升曝氣量即可實現(xiàn)污染物去除。

綜合電/藥消耗，S-MBBR電/藥費用均值為0.469元/m3，而MBR電/藥費用均值為0.626元/m3，其中MBR工藝不含換膜成本。

4、維護與控制

S-MBBR懸浮載體的良好流化是保證工藝穩(wěn)定運行的核心要素，若控制不佳，則可能出現(xiàn)懸浮載體流化差、局部堆積現(xiàn)象，從而影響處理效果。尤其是在末端出水攔網(wǎng)處，一旦懸浮載體堆積，則可能造成攔網(wǎng)過水能力降低，從而在攔網(wǎng)前后產(chǎn)生液位差，造成懸浮載體冒漏。同時S-MBBR也應關注攔網(wǎng)的磨損，隨著長時間的運行，懸浮載體、進水泥砂等與攔網(wǎng)的不斷摩擦，傳統(tǒng)不銹鋼篩網(wǎng)易被磨薄，甚至磨破，導致懸浮載體泄漏，影響深度處理運行。目前，已有在攔網(wǎng)前后增加液位計的方式，通過自控系統(tǒng)上傳至智慧水務平臺，實現(xiàn)智慧化控制；同時，安裝更換了復合材質的攔網(wǎng)，磨損指數(shù)大大降低，保障了S-MBBR無憂運行。圖3展示了S-MBBR良好的流化狀態(tài)與復合材質攔網(wǎng)。S-MBBR后端仍有二沉池、高效沉淀池、濾池等深度處理單元，在實際運行過程中尤其是水量沖擊下，應關注其固液分離性能，防止跑泥。

MBR運行穩(wěn)定主要在于膜組件。保障膜組件的膜通量是維持MBR正常運行的關鍵，除了在正常運行過程中通過曝氣進行沖洗外，還需要根據(jù)跨膜壓差對膜組件進行定期的特殊清洗（見圖4）。實際運行當跨膜壓差>35kPa時需進行清洗。清洗頻次與方式主要與進水水質和膜污染程度有關，在線清洗包括堿洗和酸洗，堿洗時采用次氯酸鈉，每周一次，酸洗時采用檸檬酸，每半年一次，離線拆片清洗一年一次。除化學清洗外，還采用水/氣反沖洗、膜表面曝氣沖刷等物理方式進行膜組件的清洗。膜污染程度與膜組件的清洗頻率和MBR工藝的能耗藥耗息息相關，而膜污染程度除與水質有關外，還與運行溫度有很大關系，冬季低溫情況下膜清洗頻次要稍高于夏季，低溫對于膜本身的結構并沒有影響，膜孔徑不會受到低溫的影響，但膜污染程度會加重，主要受到污水黏度提升、微生物EPS提高等因素的影響。此外，MBR除磷藥劑（三氯化鐵）投加于生化池內(nèi)，而投加除磷藥劑后會使黏度較高的水和凝膠層包裹在膜絲表面，加速污染層的增長，也遏制了水力剪切對污染層的脫除作用，提高了膜污染程度。因此在運行中應根據(jù)實際運行情況調整清洗頻次和清洗程度，保證系統(tǒng)良好運行。

5、污水處理廠低碳運行評價

污水處理廠進行科學、高效的碳減排，對實現(xiàn)減污降碳，促進生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要意義。根據(jù)《污水處理廠低碳運行評價技術規(guī)范》（T/CAEPI49—2022）碳排放強度核算方法，并綜合考慮對TN去除率、處理規(guī)模、耗氧污染物削減量、出水排放標準及臭氣控制程度等進行修正后核算兩種工藝的低碳運行評價總分，修正系數(shù)見表3。

S-MBBR和MBR碳排放強度如圖5所示。

S-MBBR碳排放強度修正前為0.882kgCO2/m3，修正后為0.291kgCO2/m3，結合低碳行為核算低碳運行評價總分為78.75，評價為二級；MBR碳排放強度修正前為1.045kgCO2/m3，修正后為0.335kgCO2/m3，結合低碳行為核算低碳運行評價總分為72.62，評價為三級。綜合對比來看，S-MBBR運行碳排放強度更低，更符合低碳理念。

由圖5（a）可知，兩種工藝的直接碳排放強度基本一致，分別為0.093、0.097kgCO2/m3，直接碳排放強度與污水處理過程中N2O、CH4和CO2的直接排放量有關，主要受進、出水水質和處理水量的影響。兩者差異主要體現(xiàn)在間接碳排放強度，主要與運行電耗與藥耗有關。MBR碳排放強度較高的原因主要在于膜池運行維護增加了能耗與藥耗。由圖5（b）可知，運行電耗在間接碳排放強度的計算中占比達到80%左右，約占總碳排放強度的55%，藥耗約占總碳排放強度的7%~10%。蔣富海等核算了10座污水處理廠的碳排放量，結果表明，在污水處理廠的碳排放貢獻源中，電耗占比最大，約占31%~64%，藥耗次之，約占6%~19%，與本項目結果類似。周政等對7座污水處理廠的研究同樣表明，電耗導致的間接排放是最大的碳排放源，平均占比為49.43%，且AAO-MBR工藝較AAO工藝顯著增加了電耗碳排放占比，達到60%。因此，污水廠實現(xiàn)低碳運行，關鍵在于降低電/藥消耗。一方面是控制優(yōu)化，可通過增加智慧水務管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電/藥的精準控制；另一方面是工藝優(yōu)化，可通過采用新工藝如厭氧氨氧化、同步硝化反硝化等實現(xiàn)電/藥消耗的降低，進而整體上降低污水處理廠碳排放強度。

6、結論與展望

北方某污水處理廠在相同進水水質條件下，S-MBBR和MBR出水均能穩(wěn)定達到地表水準Ⅳ類標準，但S-MBBR的抗水量沖擊能力更強，平均運行水量負荷率達到119%，如遇汛期可處理更多污水。S-MBBR電/藥費用為0.469元/m3，較MBR的電/藥費用（0.626元/m3）更低，運行更加經(jīng)濟。根據(jù)《污水處理廠低碳運行評價技術規(guī)范》（T/CAEPI49—2022），S-MBBR、MBR低碳運行評價等級分別為二級和三級，S-MBBR更具低碳潛力。S-MBBR運行過程中應關注懸浮載體的流化和攔截，需要可靠的設計和設備支撐，對工藝廠家要求更高；MBR則應關注簡化膜組件的清洗、維護和更換，降低能耗和藥耗。在工藝流程方面，MBR更加簡潔，流程短；S-MBBR能夠充分利舊，不改變主體工藝及流程。目前已有基于純膜MBBR的全流程配套工藝，不僅實現(xiàn)了流程的簡化，其占地效果也能與MBR媲美，可為污水處理廠的新/改/擴建提供新的選擇方案。（來源：青島首創(chuàng)瑞海水務有限公司，青島思普潤水處理股份有限公司，青島思普潤水處理股份有限公司青島市綠色低碳生物膜與水環(huán)境恢復重點實驗室，北京市市政工程設計研究總院有限公司）