“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划的提出，为我国新时代废水的处理和水资源的合理利用指明了方向。我国幅员辽阔，各地的发展环境不同，因此要求各地区根据自身情况选择适合当地的水资源发展模式。我国西部高原地区的自然和社会条件普遍较差，缺水问题成为制约当地经济发展的重要原因之一。为保护和合理利用水资源，减少污染物排放量，需要提高现有污水处理厂的出水标准，加大中水回用规模，践行生态文明建设的理念。

移动床生物膜反应器（MBBR）是以悬浮载体的充分流化为核心的污水处理技术^〔1〕，该技术起源于20世纪90年代的欧洲，并在2000年传入我国。2008年，无锡芦村污水处理厂实现了MBBR工艺在我国的首次成功应用^〔2〕，开启了MBBR工艺在国内污水处理厂提标改造中应用的序幕。MBBR工艺启动迅速、运行稳定，具有较强的抗冲击性^〔3-4〕，能够实现原池的镶嵌式改造，具备污水厂原位强化的功能，故而充分缓解了我国环保行业发展过程中占地紧缺的问题。MBBR工艺已成为国内污水处理厂升级改造项目中的主流工艺之一。当前，MBBR工艺在我国中东部地区的应用情况多有报道，但在西部高原地区的使用情况报道较少。实际上，由于西部高原地区的地理位置独特，MBBR工艺在该地区的应用效果非常值得追踪和研究。鉴于此，笔者对我国西部高原地区某污水处理厂的改造、运行效果和微生物组成进行分析，为此类项目的实施和运行维护提供一定借鉴。

某高原污水处理厂于2012年12月开工建设，2015年1月1日进入单机调试，2015年8月1日开始试运行。处理厂占地面积约36 000 m²，建设规模为3.0万t/d，处理工艺采用多段多级AO生物处理，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准要求。由于其规划收集范围包含某工业园区、大学科教园区、农副产品加工区及生物科技产业园，因此进水中含有一定量的工业污水。改造前工艺流程如图1（a）所示，污水经过粗格栅间、提升泵房、细格栅、旋流沉砂池、初沉池及水解池后，进入四级A/O池；随后污水经二沉池泥水分离，进入化学除磷池进一步去除污水中的磷；最终，化学除磷池的出水经滤池过滤、接触池消毒出水。

至2019年该污水处理厂已满负荷运行，出水水质标准仅为一级A标准，在功能上仅能用作道路浇洒及绿化用水。为使出水达到《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）中景观环境用水水质要求，进一步改善当地的用水环境，需对其进行升级改造。

根据该污水处理厂的原有设计和长期运行情况，提标改造面临以下困难：

（1）占地少，生物池要求原池改造。项目所在位置偏远，并无更多规划用地，需要在原生物池基础上进行原池改造。

（2）改造期间不停水。该污水处理厂是周围园区和校区污水的唯一处理点，无法进行停水改造，需在污水厂正常进水运行的情况下进行改造。

（3）常年低温。由于该污水处理厂海拔较高，年最高水温不超过16 ℃，对微生物的活性产生不利影响。

该污水处理厂原来采用四级A/O工艺作为二级生化处理工艺，并配套相应的深度处理工艺。现场调查情况显示该工艺运行良好，各项出水指标可满足原设计执行一级A标准要求。由于此次水质提升工程满足《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）中娱乐性景观环境用水（湖泊类）水质要求，标准有所提高，且考虑到降低建设成本和原池改造等因素，本设计在原有生物反应系统内投加悬浮载体（即MBBR工艺），同时在保留原有深度处理系统的基础上，考虑在深度处理后进一步去除各污染物。MBBR工艺可根据改造的需要选用不停水施工，在保证系统正常运行的情况下，完成镶嵌式改造。不停水的改造方式，一方面能够减少停水审批的流程，另一方面避免因停水改造而造成的收入损失，是污水处理厂技术改造的优选方案之一。

经深度处理后的出水所含悬浮物较少，并含有难以去除的色、味和有机物，与给水处理中微污染和低浊原水相似，二者在处理技术及流程方面都有相似之处，但不是常规的给水处理技术能完全替代的。为达到《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）中娱乐性景观环境用水（湖泊类）水质要求，以及反硝化深床滤池具有运行可靠、占地小、投资省且出水稳定的特点，提升工程在深度处理之后增加反硝化深床滤池工艺，以实现深层脱氮目的，保障出水总氮达标。

原污水厂四级A/O生物池1座，尺寸为70.4 m×59.01 m×6.0 m，有效水深5.5 m，分为2组，每组处理能力1.5×10⁴ m³/d，生物池总水力停留时间为16.7 h。采用MBBR工艺对污水厂进行提标升级，无需征地及新建构筑物，不改变原有构筑物状态和运行方式。在二级好氧区中投加生物膜悬浮载体，悬浮载体由高密度聚乙烯材料制成（见图2），其直径为（25.0±0.5） mm，高为（10.0±1.0） mm，有效比表面积>800 m²/m³，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T 461—2014）要求。挂膜前，悬浮载体密度约为0.94~0.97 g/cm³，略小于水的密度；挂膜后，悬浮载体密度达到1.000~1.003 g/cm³，与水接近。

在系统原有微孔曝气的基础上，配套MBBR区辅助穿孔曝气系统。该系统气源来自原有曝气管路，A/O池无需增加供氧量，仅需将原有气量重新分配，进而满足微生物对氧气的需求。在MBBR区出水的位置增加悬浮载体拦截装置，防止载体随水流失。项目以水下作业方式进行施工，实现了正常运行情况下的升级改造。改造后一级A池（厌氧）、一级O池（好氧）、二级A池（缺氧）、二级O池（好氧MBBR区）、三级A池（缺氧）、三级O池（好氧）、四级A池（缺氧）、四级O池（好氧）的水力停留时间分别为1.6、2.6、1.8、2.6、1.7、2.6、2.8、1.0 h。改造后的生物池功能区域分布如图3所示，其中回流污泥经过回流污泥渠道进入到一级A池，来自水解池的进水在各级进行分配。内回流泵设置于四级A池和四级O池之间，其他区域不设置单独的内回流装置。

新建反硝化深床滤池1座，设计水量为2 083 m³/h，建筑面积614.3 m³，高度12.9 m。其中混合池内设折板桨搅拌机2台，单格滤池内气水分布块面积79 m²，石英砂滤料体积191 m³，卵石体积39 m³；设备间设置反冲洗水泵2台，1用1备；反冲洗风机3台，2用1备；空压机2台，1用1备；配套建设半地下式钢制乙酸钠储罐2套，单套容积50 m³；配套3台乙酸钠投加计量泵，2用1备。

接触池设计尺寸为18 m×12.4 m×4.20 m，有效水深3.5 m。接触池内设计潜水排污泵4台，其中厂区回用水泵2台，1用1备，单台参数Q=50 m³/h，H=35 m，P=11 kW。污脱机房回用水泵2台，单台参数Q=60 m³/h，H=55 m，P=22 kW。

为满足反硝化深床滤池进水压力及水量的要求，对接触池进行改造，对原有接触池内的厂区中水回用水泵进行更换，更换后水泵参数Q=630 m³/h，H=10 m，P=37 kW（2用1备，变频）。更换原有2台水泵，并新增1台备用水泵，水泵出水接入反硝化深床滤池中。

工程于2020年改造完成，2021年开始投入运营。2021年8月至2022年2月的进出水数据如表1所示。

由表1可知，该项目的COD、BOD₅、NH₄⁺-N、TN、TP和SS设计进水质量浓度分别为480、200、43、50、4.0、240 mg/L。除SS外，其他指标的实际进水值明显低于设计值。实际水温明显偏低：8月至10月的水温介于10~16 ℃；进入11月后，水温降至10 ℃；1月至2月低于7 ℃。此外，设计水量为3万t/d，而实际处理水量为3.2~3.7万t/d，属超水量运行。

虽然该厂存在进水量超过设计值及常年温度较低的情况，但出水可稳定达到《城市污水再生利用 景观环境用水水质》（GB/T 18921—2002）中娱乐性景观环境用水（湖泊类）水质要求。出水COD、BOD₅、NH₄⁺-N、TN、TP和SS分别稳定低于40、2.0、0.4、12、0.15、3 mg/L，表明该工艺具有耐低温和抗水量冲击的作用，可保障污水厂稳定运行。

生物池改造嵌入了MBBR工艺，因此需对悬浮载体的性能进行评价，以便为今后此类工程项目的改造升级提供借鉴。生物池改造时将二级好氧区（MBBR）分成两级，每一级均投加悬浮载体，因此对两级的悬浮载体及活性污泥的有机物、氨氮去除性能进行测定，如图4所示。

由图4（a）可见，0~30 min的反应时间内，活性污泥、一级MBBR和二级MBBR分别将COD由110.3、113.6、108.7 mg/L降至30.2、54.2、61.2 mg/L；随着反应时间增至120 min，COD进一步降至20.9、28.4、34.1 mg/L。对COD的去除能力由高到低分别为活性污泥、一级MBBR和二级MBBR，该结果源于活性污泥与生物膜的差异，又与有机物的浓度梯度有关。活性污泥的有机物去除能力高于MBBR，可能是活性污泥和悬浮载体的比表面积不同所致。而一级MBBR的有机物去除性能高于二级MBBR，可能是由于一级MBBR的有机物负荷高于二级MBBR。

图4（b）中，反应时间由0增至120 min，活性污泥、一级MBBR和二级MBBR分别将氨氮由10.8、11.1、11.2 mg/L降至6.8、6.4、6.0 mg/L。对氨氮的去除能力由高到低分别为二级MBBR、一级MBBR和活性污泥。相比于活性污泥，悬浮载体更利于硝化菌的繁殖^〔1〕，使得MBBR对氨氮的去除性能强于活性污泥。由于一级MBBR中有机物的影响，一级MBBR的氨氮去除性能受到抑制，低于二级MBBR的氨氮去除性能。

污水处理系统的运行情况与微生物的群落变化息息相关。研究采用高通量测序技术，对活性污泥和生物膜上的微生物群落进行分析。活性污泥和生物膜上微生物群落的丰富度和多样性差异如表2所示。

由表2可见，活性污泥、一级MBBR和二级MBBR的分类操作单元（OTU）数目分别为1 090、1 171、1 153，3个样品的菌群覆盖度指数均高于0.99，表明此次测序具有很高的覆盖性，能够真实反映样品中微生物的组成和差别。Chao1指数代表样品的微生物丰富度，Shannon指数代表样品的微生物多样性^〔5〕。一级、二级MBBR的Chao1指数和Shannon指数均高于活性污泥，表明在当前进水条件下，悬浮载体上生物膜的生物丰富度和多样性均高于活性污泥，悬浮载体在微生物富集方面优于活性污泥。

Venn图能够反映3个样品中共有和独有的OTU数目，从而表明各个样品之间的种群差异性，如图5所示。

由图5可见，3个样品的OTU数目共计1 458个，其中3个样品共有的OTU数目为789（占总OTU数目的54.1%）。共有的OTU中，Actinobacteriota（放线菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）、Acidobacteriota（酸杆菌门）、Patescibacteria（髌骨菌门）和Bacteroidota（拟杆菌门）的相对丰度分别为34.74%、26.14%、18.15%、9.19%、3.58%、2.60%、2.58%。活性污泥、一级MBBR和二级MBBR中独有的OTU数目分别为113、90、88个，共计291个，仅占总OTU数目的20.0%，表明独有OTU并不是引起样品间物种差异的主要因素。

3个样品在门水平上的物种丰度如图6（a）所示。

活性污泥和两种悬浮载体中丰度较高的微生物包括Actinobacteriota、Firmicutes、Proteobacteria和Chloroflexi等。在活性污泥中，Actinobacteriota、Firmicutes、Proteobacteria和Chloroflexi的相对丰度分别为41.7%、20.7%、18.9%、6.3%。与活性污泥相比，一级和二级悬浮载体上Actinobacteriota的相对丰度分别降至31.1%、31.7%，而Firmicutes的相对丰度分别增至30.9%、26.4%，Chloroflexi的相对丰度分别增至10.7%、10.4%。上述结果表明，即使共存于相同的污水处理系统中，活性污泥和生物膜上的微生物群落结构依然存在一定的差异性。

为探明系统中功能化微生物的情况，对属水平上的微生物组成进行分析，见图6（b）。Nitrospira（硝化螺菌属）适合生长在低基质浓度的环境^〔6〕，既能将氨氮转化为亚硝酸盐氮，又能将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，具备全程硝化的功能。Nitrosomonas（亚硝化单胞菌）是常见的氨氧化菌，能够将氨氮转化为亚硝酸盐氮^〔7〕。Nitrolancea是常见的亚硝酸盐氧化菌，能够将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮^〔7〕。Nitrospira、Nitrosomonas和Nitrolancea在活性污泥中的相对丰度分别为0.35%、0.14%、1.02%，在一级MBBR中的相对丰度为0.81%、0.24%、3.06%，而在二级MBBR中的相对丰度分别为0.90%、0.63%、3.81%。悬浮载体中Nitrospira、Nitrosomonas和Nitrolancea的相对丰度高于活性污泥，表明悬浮载体对硝化功能菌属的富集性强于活性污泥。二级MBBR悬浮载体的硝化功能菌属丰度高于一级MBBR悬浮载体，与MBBR的氨氮去除性能一致，表明一级和二级MBBR中悬浮载体上硝化菌属的丰度差异导致了其不同的氨氮去除能力。这可能是有机物对一级MBBR硝化性能的影响导致的。Propionicimonas（丙酸单胞菌）和Tetrasphaera（四球虫属）是常见的两种聚磷菌属^〔8-9〕，其在活性污泥中的相对丰度分别为2.25%、4.97%，而在MBBR悬浮载体中的相对丰度低于1.20%，表明系统的生物除磷性能主要由活性污泥承担。

Trichococcus（束毛球菌属）和Candidatus_Microthrix分别与脱落生物膜的沉降性有关^〔10-11〕，在缺氧悬浮载体中的相对丰度分别为0.65%、3.61%，在好氧悬浮载体中的相对丰度分别为1.59%、0.15%。Mycobacterium、Mesorhizobium、Rhodobacter、Hyphomicrobium、Defluviimonas和Terrimonas为污水处理系统中常见的反硝化菌属^〔12-16〕，该类菌属的存在保障了系统的脱氮功能。由于污水生物处理系统中反硝化菌属种类繁多且功能多样，因此其相对丰度呈现出不同的变化趋势。未来仍需对反硝化菌属的环境适应性进行深入研究。

此次升级改造，生物池采用MBBR与四级AO工艺相结合，实现原池改造，土建少，不额外增加占地面积。生物池采用不停水改造方式，在污水厂正常运转下提高生物池性能，为后续类似工程案例的实施提供了借鉴意义。

该污水处理厂的吨水电耗为0.537 kW·h，按电价0.6元/（kW·h）计，运行电费为0.322元/m³。该项目投加聚合氯化铝（PAC）溶液除磷，PAC费用总计0.012元/m³。投加聚丙烯酰胺（PAM）固体，PAM费用总计0.034元/m³。由于项目进水中存在部分工业水，含有一定量的难降解有机物，因此通过投加少量碳源，保证系统的正常运行，外加碳源费用总计0.01元/m³。综合能耗和药耗，该污水处理项目吨水直接运行费用为0.378元，预估月运行费用34.02万元，年运行费用408.24万元。

高原地区某污水处理厂采用MBBR技术进行提标改造。改造后，即使在常年低温和超水量运行的情况下，出水COD、BOD₅、NH₄⁺-N、TN、SS和TP也能够稳定达到设计标准要求。项目采用不停水改造的施工方式，使污水厂在正常运行的情况下实现了生物池的升级，占地紧凑，节省土建成本。悬浮载体对硝化菌属的富集能力强于活性污泥，而活性污泥对聚磷菌属的富集性强于悬浮载体。二级MBBR悬浮载体的氨氮去除能力强于一级MBBR，而一级MBBR悬浮载体的有机物去除性能强于二级MBBR。

改造后运行电费0.322元/m³，直接运行费用0.378元/m³。此项目可为今后类似污水改造项目的实施提供借鉴。