BMR反应器与絮凝技术在雨水泵站排水应急设施工程中的应用

贾蒙蒙，徐 旭，任天奇，刘 月，赵 嫱，彭 程

(北京博汇特环保科技股份有限公司，北京 100102)

随着我国经济的快速发展及城镇化建设进程的不断加快，市政工程的建设重要性也在不断的提升[1]。

城市排水系统是处理和排除城市污水和雨水的工程设施系统，是城市公用设施的重要组成部分[2]。随着城市扩张，增加了城市汇水区径流总量和老管网的排水负荷，而泵站和蓄水池的建设在防汛、灌溉、抗旱减灾、农业发展、城市内涝防治等方面都发挥着重要作用[3]。在城市排水系统管道中，合流制和分流制是目前普遍采用的排水管道类型[4]。我国31省市区分布着合流制排水管道，但是超过70%的城市存在合流制污水溢流污染(CSO)问题，造成污水处理厂瞬时流量剧增，超负荷运行。由于季节性、来水异常等因素的影响，尤其是降雨天，初雨及中后期雨水的COD、SS浓度波动大，不仅增加了污水提升泵站能耗，还带来溢流风险[5]。在我国河道治理过程中，泵站放江导致受纳河道区域性黑臭的问题也日益严重，已成为河道的主要污染源之一[6]。目前，91%的地区采取的解决方案是建设完全分流制，增加污水管道CCTV，在线修补设备；9%的地区采取的解决方案是建设完全合流制的管线，增加存储池、高密度沉淀池等。而国外主要采用管理手段和控制雨洪的方式解决雨水放江问题，对污染物消减的控制也少有研究[7]，因此，如何在短时间内对雨污水外排污染物的源头进行处理与控制，解决CSO问题已成为我国亟待解决的水污染问题。

本工程由于现有雨水泵站不能满足收纳周边雨污合流废水，为了进一步达到水污染防治目标，改善周边水环境，因此，需进一步加快推进雨水泵站排水应急净化设施项目建设工作，采取切实有效的治理措施，降低泵站排水对周边水体的污染，从而改善周边水体的水质。

本工程由于受场地(占地有限、不规则、项目部分所占地为涵洞顶部、不适宜开挖)、工期及财政资金等诸多因素的限制，短期内建设常规污水处理厂基本不可能实现。采用短期内应急处理，同时不断推进截污纳管，最终实现雨污分流，是解决泵站污水溢流、改善河道水环境质量的必由之路。因此，雨水泵站排水应急净化设施项目十分必要，势在必行。本工程作为环境保护项目，它的建设对当地街道污染负荷的削减和区域环境改善所起作用是显而易见的，还可为类似污水处理的工程设计提供参考。

1 工程概况

本项目雨水泵站两岸有居民区、工业区等，项目区段主要收纳周边雨污合流废水，污水以生活污水为主，而所配套的污水厂远不能满足其水量要求。尤其合流制系统在雨天或者进水高峰期，由于汇集的水量大，不可避免会造成溢流现象，无法完成污染物的输出、转移和净化作用，导致污染物严重积累且恶性循环，水质恶化并产生黑臭现象，严重影响河道水体的功能和水生态系统的完整性，且河道流经居民区，严重影响周边的生活环境。

综合考虑本项目的地质条件、施工周期、运行年限、处理规模、占地面积、进出水水质等条件，本工程设计采用“BMR反应器+高密度沉淀器”主体工艺，新建应急设备解决泵站溢流及水质净化问题，达到排水应急设施的要求。其中，BMR反应器采用搪瓷拼装罐体，高密度沉淀器采用钢制结构一体化设备，纤维转盘过滤器采用一体化设备。整套处理系统具有施工周期短、占地面积小、建设投资低等特点，可保证处理系统尽早投入运行。

本工程范围包括从泵站收集点开始到应急处理设备排放口为止的设备、管道及电气自控等，含提升泵及管道、出口管道。场地由业主提供，污水工程的动力配线由业主将主电引至污水工程的电气室。

2 设计基础

2.1 设计进出水水质

本工程污水处理规模为15 000 t/d，属新建城镇污水处理设施项目，出水主要指标需满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中一级A标准；又因本项目处理后污水最终排放入汾江河，出水主要指标还需满足《汾江河流域水污染物排放标准》(DB 44/1366—2014)。因此，本工程设计进出水水质如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Design Influent and Effluent Water Quality

2.2 工艺流程

该污水处理厂污水中BOD5/CODCr≈0.28<0.3，污水可生化性较差，因此，设置BMR反应器，辅以聚氨酯发泡生物填料，通过填料上的生物膜，提高生化反应池内的活性生物量，以提高污水可生化性。对于磷的去除，可通过BMR反应器进行生物除磷，但由于生物除磷的效率有限，无法实现生化系统出水TP直接达到排放标准，通过化学除磷辅助予以去除。依据该项目污水水质分析，以及本项目对污水处理程度的要求，最终确定采用“转鼓过滤机+BMR反应器+高密度沉淀器+纤维转盘过滤器”工艺对污水进行处理。其中：对SS去除进行全流程控制，具有SS去除功能的单元包括BMR反应器、高密度沉淀器、纤维转盘过滤器；对BOD5去除主要由主生化处理单元BMR反应器完成；对具有CODCr去除功能的单元包括BMR反应器、高密度沉淀器、纤维转盘过滤器；对具有NH3-N去除功能的单元为BMR反应器；工艺流程中具有TP去除功能的单元包括BMR反应器和高密度沉淀器，BMR反应器以生物除磷为主，高密度沉淀器以化学除磷为主。由于本项目进出水水质不考核TN，除磷主要是通过生物除磷以及在高密度沉淀器投加药剂去除，加上项目占地有限及占地面积不规则，本项目采用2座好氧BMR反应器。

工艺流程如图1所示。雨水泵站粗格栅后的污水经提升泵提升进入转鼓过滤机(作细格栅用)，进一步去除水中漂浮物及细小颗粒悬浮物。出水自流进入BMR反应器，CODCr、BOD5、NH3-N、SS及TP通过填料吸附及其表面附着生长的微生物代谢作用得到有效去除。出水自流进入高密度沉淀器，通过投加NFSSS纳米絮凝剂使得CODCr、SS和TP进一步被去除，而后出水自流进入纤维转盘过滤器，目标污染物数值得到有效控制，出水消毒后达标排放。

图1 工艺流程示意图Fig.1 Schematic Diagram of Process Flow

转鼓过滤机产生的栅渣外运，BMR反应器和高密度沉淀器产生的剩余污泥和纤维转盘过滤器反冲洗排水均进入污泥储池进行暂存、重力浓缩，通过进料泵将污泥打进板框压滤机中进行脱水，最终泥饼交由有污泥处置资质的单位外运处置。

2.3 BMR系统

BMR系统是以生化反应器为主，辅以多组附加模块的集成系统，其包括预处理、生化处理、深度处理及污泥处理等过程。该系统针对中小规模的乡镇污水处理厂及应急污水处理站进行研发。采用搪瓷罐拼装罐体，其反应主体不受厌氧、缺氧、好氧条件的限制，可设集成模块化的沉淀模块置于好氧反应池内。罐体形式可独立设置，也可采用大环套小环的结构形式。

BMR系统原理主要以AAO工艺为主体，辅以特殊生物填料，形成活性污泥法与生物接触氧化法相结合的生化处理系统，提高污染物去除效率和抗负荷冲击能力。BMR一体化装置保留传统AAO或MBBR生化工艺的稳定可靠性，用于BOD5、CODCr、NH3-N、TN等污染物的去除，并能满足包括严格的营养物限制在内的不同出水水质标准。

BMR一体化系统特点如下。(1)工艺灵活性：可以根据项目要求灵活选择工艺。(2)质量可靠性：基材采用专用钢板，涂层形成惰性保护层，使用寿命可达到30年以上。(3)结构稳定性：预制板通过螺栓连接，强度远大于焊接结构；预制板之间连接处采用专业防水胶进行密封。

2.4 NFSSS絮凝剂

NFSSS是具有一定黏性的液态复合型纳米絮凝剂，可一步稀释，操作简便；无需单独反应器，节省基建成本；反应时间短，絮凝效果好；节省沉淀时间，增大处理负荷；安全性高，对活性污泥无影响；具有辅助除磷功能。

NFSSS新型高效纳米复合絮凝剂是一种基于纳米技术的高科技废水处理药剂，通过利用金属氧化物纳米颗粒与特殊电荷有机载体结合，形成的以无机纳米铁为基础材料的高效纳米复合絮凝剂。其在极低剂量的条件下仍然具有高效的絮凝沉降速率，遥遥领先于市场上现有的传统絮凝剂。

NFSSS絮凝剂的吸附电中和、网捕架桥作用，对活性污泥菌胶团的形态有影响；NFSSS絮凝剂的投加可使污泥被截留，产生较少的污泥流失，污泥膨胀也可逐步改善；污泥沉降时间也可由30～60 min降至1～10 min，使高密度沉淀器负荷得到提升，进而提升总体处理规模；NFSSS絮凝剂特别适用于污水处理厂提高负荷以及夏季由于CSO导致的系统不达标难题。

NFSSS新型高效纳米复合絮凝剂的工程应用场景及案例如表2所示。

表2 NFSSS的工程应用场景及案例Tab.2 Engineering Application Scenarios and Cases of NFSSS

3 主要构筑物及设计参数

3.1 预处理单元

(1)提升泵站与格栅

1座，利用原雨水泵站格栅、进水泵房及集水池。新增进水流量计1台，量程为0～800 m3/h；提升泵2台，1用1备，流量为625 m3/h，功率为55 kW。

(2)转鼓过滤机

1套，钢结构设备，置于2座BMR反应器中间走道板位置，其中最大过流量为912 m3/h，格栅间隙为2.5 mm，功率为1.1 kW。

3.2 BMR反应器

2座，反应器尺寸为φ14.51 m×9.0 m，材质为合金专用钢板，搪瓷双面镀层，内部设有聚氨酯发泡填料。曝气系统和出水装置2台，绕丝筛管2套以及双曲面搅拌器2套，功率为5.5 kW；反应器还配有工作桥和旋转爬梯。

3.3 高密度沉淀器

1套，钢结构设备、配套支撑，主体碳钢防腐，反应器有效水深为6.6 m，分为絮凝区φ6.0 m×6.95 m，停留时间为17.9 min；推流过度区φ6.8 m×6.95 m，停留时间为23.0 min；沉淀缓冲区φ8.4 m×6.95 m，沉淀区φ12.5 m×6.95 m，停留时间为77.7 min。絮凝区配有中心导流筒1套，絮凝搅拌器1套，电机功率为11 kW，絮凝剂投加环1套；沉淀区设有斜管填料，斜管上流速为10.14 m3/(m2·h)，上部出水配有出水堰板及澄清水槽；反应器还配有刮泥机1套，直径φ9 m，功率为1.5 kW；回流污泥泵2台，1用1备，流量为40 m3/h，扬程为20 m，功率为7.5 kW；气动隔膜泵1台，流量为15～20 m3/h，气源压力为0.8 MPa，气量为2 m3/min；以及工作桥和旋转爬梯。

3.4 过滤装置

纤维转盘过滤器1套，处理能力为625 m3/h，滤速≤10 m3/(m2·h)，有效过滤面积为92.4 m2。主体304不锈钢，成套供货，含过滤系统、反洗系统、箱体、控制箱等，驱动电机功率为1.5 kW。

3.5 辅助单元

加药间1座，彩钢房结构，内设有碳源药剂投加系统、除磷药剂投加系统、絮凝剂投加装置、消毒剂投加装置。

当来水CODCr低于60 mg/L时，需补充碳源，碳源药剂投加量为0.60 t/d，除磷药剂投加量为0.74 t/d，絮凝剂投加量为0.30 t/d，消毒剂投加量为0.05 t/d。

污泥脱水间1座，彩钢房结构，本污水处理最大干污泥量为1 290.47 kg/d，设有厢式板框压滤机1台，过滤面积为100 m2，过滤压力≤0.8 MPa，功率为6.2 kW；洗布泵(立式多级离心泵)1台，流量为12 m3/h，扬程为363 m，功率为(11+11) kW；清洗水箱1台，容积为3 m3，配套磁翻板液位计；空压机1台，排气量为1.65 m3/h，排气压力0.8 MPa，功率为11 kW；吹脱气罐为2 m3，承压为0.8 MPa，气源压力为0.8 MPa；冷干机1台，处理气量为1.6 Nm3/min，功率为0.585 kW；其他还配套PLC控制柜、动力柜、电动单梁起重机及阀门等。

鼓风机房1座，内部设有鼓风机2台，流量为35 m3/min，功率为55 kW，附带配套控制箱。

污泥除臭设施1套，包括低温等离子除臭设备，处理能力为5 000 Nm3/h，功率为2.2 kW；风机1台，功率为5.5 kW；烟囱1台，尺寸φ450 mm×12 000 mm。

水质检测间1座，内部设有取样泵(单相漩涡自吸泵)1台，流量为1 m3/h，扬程为15 m，功率为0.37 kW；COD在线分析仪1台，测量范围为0～100 mg/L；NH3-N在线分析仪1台，测量范围为0～10 mg/L；TP在线分析仪1台，测量范围为0～1 mg/L；TP在线分析仪1台，测量范围为0～1 mg/L，输出4～20 mA；数据采集仪1台，功率为0.09 kW。

4 工程设计特点分析

(1)本项目雨水泵站在汛期时进水水质也会受到一定影响：一是部分泥沙随地面排水进入管道，导致有机物含量降低；二是稀释作用，导致污染物负荷降低[8]。

在达标出水要求前提下，高密度沉淀器起着关键作用，进水水质中的SS是影响高密度沉淀器运行的主要因素。若高密度沉淀器受上游污水装置非正常排污冲击，则造成污泥上浮、解体、污泥细碎、沉降性能差，导致二沉池排泥，大量污泥进入高密度沉淀器，使泥水不能有效分离，高密度沉淀器出水浑浊[9]。高密度沉淀器由于其絮凝沉淀作用，对SS、CODCr、TP也有一定的去除效果[9]，为了防止雨季低负荷运行及解决溢流污染问题，选择在高密度沉淀器投加NFSSS新型高效纳米复合絮凝剂，如果有效解决，可处理2～4倍的雨污水。

污泥沉降是污泥膨胀和合流制污水溢流污染的限制性因素。污泥沉降性能表现在两方面：一是污泥体积指数；二是污泥沉淀后上清液中的SS浓度[10]。投加NFSSS纳米絮凝剂，针对季节性污染、污泥膨胀出水差、瞬时冲击溢流污染、水量增加超负荷等问题，能达到明显的处理效果，对脱氮除磷具有一定的辅助促进作用。本工程投加NFSSS絮凝剂对污泥浓度和SS的影响如图2所示。

图2 NFSSS对污泥浓度和SS的影响Fig.2 Effect of NFSSS on Sludge Concentration and SS

由图2可知，投加药剂为10～20 μL/L时，MLSS污泥浓度快速增加，在NFSSS为20 μL/L时，MLSS污泥浓度平均保持在3 705 mg/L，同时SVI快速下降并保持稳定；当投加药剂为10 μL/L时，SS去除率有显著提高，平均去除率为69.56%；当NFSSS投加量为20 μL/L时，SS下降幅度减弱且趋于稳定，MLSS污泥浓度保持稳定，此时确定为药剂投加最大量。在投加药剂第12 d时，污泥浓度显著增加，SS有所上升，此时可判断污泥回流量最大，应减少污泥回流量的增加，污泥回流量一般为水量的5%～10%，虽然污泥回流的目的在于加快絮凝颗粒增长的速度及增大絮凝颗粒的密度[11]，污泥回流量的增加可充分利用污泥中的絮体，提高沉淀效率，但也要控制合适的污泥回流比。

(2)本工程高密度沉淀器进水处设有1套管道混合器，此处投加除磷药剂，可以减少除磷药剂的使用量。废水在生化处理的过程中已去除水中大部分磷，并将偏磷、有机磷转化为可通过混凝处理的正磷，大大提高除磷效果和减少除磷剂投加量，以及减少污泥中的磷含量，但是由于投加大量的化学药剂促使磷酸盐沉淀，废水除磷的过程会产生大量的污泥沉淀。因此，选用NFSSS絮凝剂促进除磷，不仅能增强沉降效果，解决污泥膨胀问题，还能提高污泥浓度形成部分厌氧区域，微生物在厌氧环境中释放部分磷，在高密度沉淀器混合水流作用下，提高除磷效果，而高密度沉淀器自身也有一部分污泥回流，使得NFSSS絮凝剂循环使用，有利于节约药剂的使用量。

(3)本项目选用工艺流程可靠，土建工作量小，占地面积省，在有限的可用地面积上完成了1.5万m3/d污水处理的规模，选用的处理工艺抗负荷冲击能力强，能适应进入有机物浓度的变化，运行维护成本低。

(4)本项目选用的BMR反应器为搪瓷拼装罐体，投资少、外形美观、施工简单、周期短。

(5)本项目由于场地限制，且产生的污泥较少，经过板框压滤机压滤后，污泥饼含水率为75%，在压滤机下方出泥口，采用50 kg编织袋袋装堆放，委托给有污泥处置资质的企业外运处置。

(6)本项目建设范围内产生恶臭的单元主要为污泥脱水间，臭气气量小、污染物浓度低，结合项目现场用地紧张及项目位于公园休闲活动区附近的实际情况，采用氧化法中的低温等离子工艺以减少对周围环境的影响。

(7)本项目通过工艺的科学组合，合理的参数设计，优化的结构设计，解决了雨污水协同处理的问题，既满足了污染减排、达到排放标准，又降低了工程费用和运行成本。

5 运行效果

项目自建成运行以来，出水稳定达标，进出水水质如表3所示。

表3 验收水质情况一览表Tab.3 List of Acceptance for Water Quality

6 经济分析

本工程运行费用主要为人员工资、电费、药剂费、污泥清运费、日常检测和维修费，各部分费用如表4所示。

表4 污水处理运行费用分析Tab.4 Operation Cost Analysis of Sewage Treatment

该应急项目包括环境效益、社会效益和经济效益。环境效益：通过本工程的实施，随着污水系统的完善，将改变部分污水未经处理随意排入河道的现象，大大改善城市居民的生活环境。社会效益：随着该项目的建设，可改善区域投资环境，使工业企业不再因水污染而影响发展，吸引更多的外商投资，促进城市经济发展。经济效益：尽管污水治理工程并不直接产生经济效益，但项目的实施将对当地的地表水水质保护有着广泛的影响，污水治理工程的实施改善了当地的水质，环境条件的改善而使地价增值；同时，将减少细菌的滋生地，减少疾病，从而降低医药费开支，提高城市卫生水平；另外，也将大大改善当地的生态环境，从而促进相关产业的生产。

7 结语

(1)本应急工程选用“BMR反应器+高密度沉淀器”工艺，辅助投加NFSSS新型高效纳米复合絮凝剂，能较好达到出水水质排放标准，对类似应急工程项目具有一定的参考意义。

(2)本项目由于占地有限，与周围已建设施统筹规划、合理布局，在保证出水水质稳定达标的前提下，选用的处理工艺流程简单，布置紧凑，大大节省了土建费用，投资少，运营费用低，操作管理简单方便，产生了良好的示范作用，达到了预期目标。