二級MBBR處理城市污水高品質(zhì)水再生過程產(chǎn)生的反滲透濃水填料最佳填充率研究

程子芮，姜云超，王海燕，李培顯，杭前宇，李莉，楊艷艷，鐘震,5

1.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000 2.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3.中國環(huán)境科學研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012 4.山東工業(yè)陶瓷研究設計院有限公司，山東 淄博 255031 5.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050

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二級MBBR處理城市污水高品質(zhì)水再生過程產(chǎn)生的反滲透濃水填料最佳填充率研究

程子芮1,2,3，姜云超1，王海燕2,3*，李培顯4，杭前宇2,3，李莉2,3，楊艷艷1,2,3，鐘震2,3,5

1.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000 2.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3.中國環(huán)境科學研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012 4.山東工業(yè)陶瓷研究設計院有限公司，山東 淄博 255031 5.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050

城市污水高品質(zhì)水再生；反滲透濃水；亞硝化MBBR；反硝化MBBR；填料最佳填充率

移動床生物膜反應器(moving bed biofilm reactor，MBBR)是20世紀90年代中期開發(fā)和應用的一種新型反應器[1-2]，其核心部分是向反應器中投加一定數(shù)量密度略小于水的懸浮填料作為微生物生長的載體，依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升使填料處于流動狀態(tài)，以增加生物膜與氧的接觸，從而提高傳氧效率，它是活性污泥法與生物膜法相結(jié)合的一種工藝[3-4]，具有耐沖擊負荷能力強、無需反沖洗、水頭損失小、運行簡單等特點[5]，已被廣泛應用于生活污水[6-7]、工業(yè)廢水[8]等的處理中，并且已有反硝化MBBR深度脫氮的報道[5,7]，其具有較好的反硝化能力。

填料填充率(filling ratio，F(xiàn)R)是MBBR操作中的重要工藝參數(shù)之一，不僅影響反應器的處理能力和流態(tài)，而且對反應器中生物膜的形成、脫落及結(jié)構(gòu)特征也有重要影響。對于MBBR來說，反應器處于完全混合狀態(tài)，填充率減小時，單位容積內(nèi)填料的數(shù)目降低，由碰撞引起的生物膜脫落減少，生物膜增厚。填料FR增大時，填料碰撞機會增大，導致單位質(zhì)量填料上附著的生物膜減少，但系統(tǒng)內(nèi)總生物膜量是增加的，每個填料上生物膜較薄，利于基質(zhì)交換，使得單位量的生物膜有較高的活性。但是，高FR會增加運行成本，為了達到經(jīng)濟性和處理效果的平衡，工程上MBBR填料FR一般為30%～50%。采用MBBR處理制革廢水中的氨氮[9]，當填料FR分別為13.3%、26.7%和40.0%時，F(xiàn)R為40.0%時氨氮去除率最高，達85%以上。采用A/O-MBBR處理制革廢水時[10]，CODCr去除率隨MBBR填料FR的增加呈上升趨勢，當FR為55%時去除率達到92.4%，此后繼續(xù)增加填料FR，CODCr去除率增長緩慢。采用反硝化MBBR進行城市污水廠尾水深度脫氮，比較填料FR為20%、30%、40%和50%時的脫氮效果，優(yōu)選30%[11]。

1 材料及方法

1.1 試驗裝置

二級MBBR中試裝置采用鑄鐵材料制成，由亞硝化MBBR與反硝化MBBR組成，二者均為長方體結(jié)構(gòu)，體積比為2/3。亞硝化MBBR規(guī)格為1.5 m×1.15 m×1.0 m，有效體積為1.8 m3，底部設有曝氣盤和支撐架，采用鼓風機(T10101，世晃機電工業(yè)有限公司)曝氣，利用定時開關實現(xiàn)間歇曝氣；反硝化MBBR規(guī)格為1.5 m×1.8 m×1.0 m，有效體積為2.7 m3，2個MBBR中部均設有攪拌機(2BJ-350，南京澳特藍環(huán)保設備有限公司)。2個MBBR串聯(lián)運行，其工藝流程如圖1所示。二級MBBR中填充聚乙烯(PE)填料，填料性能參數(shù)如表1所示。

圖1 二級MBBR工藝流程Fig.1 Two-stage MBBR process flow chart

表1 填料的性能參數(shù)

1.2 試驗設計和污泥接種

亞硝化MBBR的HRT為8 h，穩(wěn)定運行階段，MLSS為3 500 mgL左右，pH為7.37～8.12；反硝化MBBR的HRT為12 h，穩(wěn)定運行階段，MLSS為3 500 mgL左右，pH為7.16～7.79。亞硝化MBBR溶解氧(DO)濃度控制在1.0 mgL以下，試驗按照PE填料FR分別為51%、42%和32%分3個階段進行。

亞硝化MBBR接種來自北京某污水處理廠A2O工藝好氧池中的污泥，接種污泥MLSS為7 351 mgL，MLVSS為3 561 mgL，MLVSSMLSS為0.48，SVI為89 mLg；反硝化MBBR接種來自北京某污水處理廠A2O工藝缺氧池中的污泥，接種污泥MLSS為6 707 mgL，MLVSS為3 534 mgL，MLVSSMLSS為0.53，SVI為92 mLg。

1.3 進水水質(zhì)

表2 進水水質(zhì)

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

圖2 亞硝化MBBR不同F(xiàn)R下的去除效果Fig.-N removal rate of nitrosation MBBR at different FR

圖3 反硝化MBBR不同F(xiàn)R下的去除效果Fig.-N removal rate of denitrification MBBR at different FR

圖4 亞硝化MBBR中的積累Fig.-N accumulation of nitrosation MBBR

圖5 反硝化MBBR不同F(xiàn)R條件下-N的去除效果Fig.-N removal rate of denitrification MBBR at different FR

圖6 亞硝化MBBR不同F(xiàn)R下的去除效果Fig.-N removal rate of nitrosation MBBR at different FR

圖7 反硝化MBBR不同F(xiàn)R下的去除效果Fig.-N removal rate of denitrification MBBR at different FR

2.4 TN的去除

亞硝化MBBR中填料FR分別為51%、42%和32%時，TN的去除率分別為56.1%±4.8%、56.8%±6.2%和60.1%±5.3%(圖8)。曾有研究采用缺氧好氧MBBR進行模擬農(nóng)村生活污水脫氮[21]，當進水TN平均濃度為35.41 mgL，DO濃度為2、3、4和5 mgL時，TN平均去除率為44.7%、60.49%、73.43%和56.05%，而本研究的DO濃度為1.0 mgL，能達到與報道接近的TN去除效果，相比更加節(jié)省電能。3種FR條件下，TN去除率差別不大，F(xiàn)R為32%稍優(yōu)于42%和51%。

圖8 亞硝化MBBR不同F(xiàn)R下的TN去除效果Fig.8 TN removal rate of nitrosation MBBR at different FR

圖9 反硝化MBBR不同F(xiàn)R下的TN去除效果Fig.9 TN removal rate of denitrification MBBR at different FR

反硝化MBBR中填料FR分別為51%、42%和32%時，反硝化MBBR的TN去除率分別為48.8%±7.2%、47.2%±6.4%和44.2%±8.4%(圖9)。曾有報道用反硝化MBBR進行脫氮，TN平均去除率為46.9%[20]，與本研究的TN去除率相近。3種FR條件下，TN去除率差別不大，F(xiàn)R為51%稍優(yōu)于FR為42%和32%。

二級MBBR在填料FR分別為51%、42%和32%條件下，TN總?cè)コ史謩e為77.7%±3.3%、77.2%±5.6%和78.6%±4.5%?？梢奆R對整個二級MBBR的TN去除率影響不大。

2.5 CODCr的去除

由于DFRO膜回收率的不同導致反滲透濃水的CODCr波動較大(35.6～70.9 mgL)。當填料FR為51%、42%和32%時，亞硝化MBBR的CODCr去除率分別為5.8%±2.8%、5.4%±1.8%和5.1%±1.4%(圖10)。CODCr的去除率隨著填料FR的降低而下降，這可能是因為隨著填料FR的降低，反應器內(nèi)的總生物量降低，消耗的有機物相應降低?？傮w上CODCr的去除率較低，一方面因為亞硝化反應器主要進行的是亞硝化反應，亞硝化過程屬于自養(yǎng)過程，不消耗有機物[22]；另一方面可能是因為反滲透濃水中的CODCr主要是生活污水中的難降解有機物[23]，很難被微生物降解利用。

圖10 亞硝化MBBR不同F(xiàn)R下的CODCr去除效果Fig.10 CODCr removal rate of nitrosation MBBR at different FR

反硝化MBBR中填料FR分別為51%、42%和32%時，反硝化MBBR的CODCr去除率分別為27.3%±13.7%、36.2%±11.1%和52.2%±31.4%(圖11)。采用MBBR處理生活污水，在厭氧缺氧條件下，CODCr去除率保持在60%以上[24]，而本研究相對較低，這是因為反滲透濃水中的CODCr主要是生活污水中的難降解有機物，很難被微生物降解利用[23]。

圖11 反硝化MBBR不同F(xiàn)R條件下的CODCr去除效果Fig.11 CODCr removal rate of denitrification MBBR at different FR

2.6 生物量

從表3可以看出，二級MBBR中填料FR為32%時，填料上的生物量較多，亞硝化和反硝化MBBR生物量分別為4.54和2.63 mgg，表明隨著FR的減少，填料上的生物量增加。這是因為FR減小引起載體之間碰撞頻率減小，導致生物膜脫附量減少，因此生物量增加。郭天賜等[25]發(fā)現(xiàn)，隨著填料FR的降低，MBBR填料上的生物膜厚度逐漸增加，與本研究結(jié)果一致。Kwok等[26]在氣提式反應器中研究發(fā)現(xiàn)，載體濃度增大則生物膜脫附增大。從表3還看出，反硝化MBBR中的生物量比亞硝化MBBR中的生物量少，這可能因為一定量的DO有利于亞硝化MBBR反應器生物量的增加[27]。

表3 不同填料FR條件下MBBR生物量

3 結(jié)論

(1)采用亞硝化-反硝化二級MBBR處理城市污水處理廠尾水生產(chǎn)高品質(zhì)再生水過程中產(chǎn)生的反滲透濃水時，在亞硝化MBBR的HRT為8 h、MLSS為3 500 mgL左右，反硝化MBBR的HRT為12 h、MLSS為3 500 mgL左右，亞硝化MBBR的DO濃度控制在1.0 mgL以下，反硝化MBBR外加甲醇投加量為50 mgL(碳氮比是3.5～5)條件下，當填料FR分別為32%、42%和51%時，和TN的去除率均為FR 32%時最佳(分別為73.2%±6.1%、71.1%±7.5%和60.1%±5.3%)。反硝化MBBR中考慮到經(jīng)濟性，優(yōu)選填料FR為32%，此時和TN的去除率分別為64.9%±10.4%、58.2%±9.1%和44.2%±8.4%。

(2)當填料FR分別為32%、42%和51%時，二級MBBR中FR為32%時填料上的生物量比較多，而且反硝化MBBR中相對應的生物量比亞硝化MBBR中的少，這可能因為一定量的DO有利于生物量的增加。

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Study on carrier optimum filling ratio of two-stage MBBR for treatment of reverse osmosis concentrate from high-quality water reclamation of WWTP effluent

CHENG Zirui1,2,3, JIANG Yunchao1, WANG Haiyan2,3, LI Peixian4, HANG Qianyu2,3,LI Li2,3, YANG Yanyan1,2,3, ZHONG Zhen2,3,5

1.College of Earth Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 3.Research Center for Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 4.Shandong Industrial Ceramics Research & Design institute Co., Ltd, Zibo 255031, China 5.Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

high-quality water reclamation of WWTP effluent; reverse osmosis concentrate; nitrosation MBBR; denitrification MBBR; carrier optimum filing ratio

2017-01-15

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07216-001)

程子芮(1990—)，女，碩士研究生，主要從事水污染控制技術(shù)研究，ch_zirui@163.com

*責任作者：王海燕(1976—)，女，研究員，博士，主要從事水污染控制原理與技術(shù)研究，wanghy@craes.org.cn

X703

1674-991X(2017)03-0285-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.041

程子芮，姜云超，王海燕，等.二級MBBR處理城市污水高品質(zhì)水再生過程產(chǎn)生的反滲透濃水填料最佳填充率研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學報,2017,7(3):285-292.

CHENG Z R, JIANG Y C, WANG H Y, et al.Study on carrier optimum filling ratio of two-stage MBBR for treatment of reverse osmosis concentrate from high-quality water reclamation of WWTP effluent[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):285-292.