A/A/O-MBBR系統(tǒng)在水處理中的研究進展

秦娟娟，李廣，董曉航，白巖，周鐵

開發(fā)與應(yīng)用

A/A/O-MBBR系統(tǒng)在水處理中的研究進展

秦娟娟，李廣，董曉航，白巖，周鐵

（吉林建筑大學，吉林 長春 130118）

A/A/O-MBBR 系統(tǒng)集 A/A/O和 MBBR 優(yōu)勢于一體，通過縮短SRT，將A/A/O中的部分硝化過程轉(zhuǎn)移到MBBR中；A/A/O在較短的SRT條件下運行，充分發(fā)揮了其除磷和反硝化特性；MBBR在較長的SRT條件下運行，有利于硝化效果的穩(wěn)定和氨氮的徹底去除。將一定的填料投加到MBBR池里與A/A/O共同組成復(fù)合性的生物處理系統(tǒng)，該處理系統(tǒng)兼具了活性污泥法和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點，是一種新型高效的復(fù)合工藝。A/A/O-MBBR系統(tǒng)能夠同時存在懸浮態(tài)和附著態(tài)微生物，使得系統(tǒng)總的微生物量增加，加強了凈化污水的能力，使得脫氮除磷效率得以提高。

A/A/O-MBBR工藝；去除率；水質(zhì)標準

1 國內(nèi)外發(fā)展狀況與研究進展

幾十年以來，在我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展之下，各地區(qū)用水量飛速增長，水資源短缺這個問題也變得越來越突出。對于人類社會和環(huán)境來說，可持續(xù)的廢水的管理是非常重要的[1]。經(jīng)過處理后的廢水（也稱為再生廢水或再生水）有著各種用途，在各個部門，再生水的使用可以為人類提供經(jīng)濟、社會以及環(huán)境方面的效益[2]。目前, 國內(nèi)污水處理廠多以厭氧、缺氧、好氧交替連續(xù)運行的傳統(tǒng)生物除磷脫氮工藝為主要的處理手段。在A/A/O傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝中，有機氮在氨化菌的氨化作用下轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮在曝氣池中被氧化為亞硝酸氮和硝酸氮，硝態(tài)氮回流到缺氧池中，反硝化菌在缺氧條件下參與反硝化作用將硝態(tài)氮還原為氮氣排出；在厭氧條件下聚磷菌從環(huán)境中攝取一定的揮發(fā)性脂肪酸將其同化為細胞內(nèi)的碳源儲存物質(zhì)，同時在厭氧環(huán)境中釋放出磷酸鹽。聚磷菌在好氧環(huán)境中氧化分解碳源儲存物質(zhì)（PHAs）釋放能量，這部分能量用于溶解性磷酸鹽的吸收以及聚磷酸鹽的合成，通過這種方式，磷酸鹽從液相中去除，通過排放富磷污泥將磷從系統(tǒng)中去除。然而，不同的反應(yīng)過程中硝化菌、聚磷菌以及反硝化菌對環(huán)境和基質(zhì)的要求也不同，導(dǎo)致在實際運行過程中面臨著各種矛盾。比如，聚磷菌和反硝化菌之間對碳源的競爭、硝化菌和聚磷菌在污泥齡上存在不同需求的矛盾及反硝化菌和聚磷菌競爭有機物，導(dǎo)致聚磷菌厭氧釋磷效果變差。A/A/O工藝無法同時滿足不同處理過程的需求，所以導(dǎo)致整個系統(tǒng)的處理效果也受到一定程度的影響。用循環(huán)經(jīng)濟模型取代線性經(jīng)濟模型，是一種新型的發(fā)展模式[3]。

移動床生物膜反應(yīng)器是一種把懸浮填料作為微生物載體的生物接觸氧化法，該工藝具有新型和高效的顯著特點。既吸取了傳統(tǒng)活性污泥法的優(yōu)點，又吸取了生物接觸氧化法的優(yōu)點。有研究者已證明MBBR是一種通過異養(yǎng)反硝化過程處理氮污染水的有效生物技術(shù)[4]，MBBR系統(tǒng)不需要反沖洗，可以通過增加生物載體的填充百分比來提高操作能力[5]，對城鎮(zhèn)河道污水、生活污水以及制藥制革廢水等的處理中經(jīng)常用到MBBR和MBBR與其他工藝的組合工藝。A/A/O-MBBR 裝置流程圖（圖1）。

2 A/A/O-MBBR在水處理中的應(yīng)用

2.1 微電解-A/A/O-MBBR主體工藝處理某皮革廠廢水

在20世紀80年代，隨著改革開放的深入，人們穿衣風格有了很大的變化，社會上慢慢流行起人造革皮衣，它是仿造天然皮革制成的，這些人造革沒有天然革那么昂貴，并且耐磨，質(zhì)地柔軟很快被應(yīng)用于服裝，箱包等的制作中。并且在市場上，有很多合成革和人造革制成的家具和車輛等，其數(shù)量豐富、品種極其多，這些優(yōu)點都是天然皮革沒辦法滿足的。

圖 1 A/A/O-MBBR裝置流程

50多年以來，科學家們一直致力于研究開發(fā)人造革、合成皮革，以彌補天然皮革的不足。與此同時處理合成革生產(chǎn)廢水也存在著很大的問題，因為生產(chǎn)廢水經(jīng)過蒸餾后，仍然含有大量的二甲胺和少量一部分的DMF(二甲基甲酰胺)，而DMF進入水體后就會導(dǎo)致水中COD和氨氮含量增加。并且制革廢水毒性大、難降解、對水體、土壤、動植物的生長均產(chǎn)生危害，若處理不當，將嚴重污染環(huán)境，影響人類生活[6]。因制革廢水的組成復(fù)雜、污染物濃度較高，并且污染負荷大、水量波動大，是目前工業(yè)廢水處理難度較大的廢水之一。微電解是指低壓直流狀態(tài)下的電解，通過鐵碳在廢水中存在電位差形成電流，對廢水進行電化學氧化還原反應(yīng)，從而達到去除廢水中有機污染物的目的。Lin等[7]就近取用當?shù)爻擎?zhèn)污水廠污泥進行馴化，歷時三個月調(diào)試成功，采用的是“微電解-A/A/O-MBBR”工藝處理3種制革廢水（表1），COD和氨氮的去除率基本上都可以達到90%以上，出水水質(zhì)也可穩(wěn)定達到《合成革與人造革工業(yè)污染物排放標準》的要求，并且這種方法設(shè)計合理、去除污染物效率高、耐沖擊負荷能力也強，通過實驗研究為同類型廢水處理提供了一定參考價值。

表1 設(shè)計進水水質(zhì)表[7]

2.2 基于改良A/A/O和三級MBBR分段供氧組合工藝技術(shù)處理小區(qū)及村鎮(zhèn)生活污水

在水環(huán)境治理的形勢和需求下，我國城市污水排放標準經(jīng)歷了從綜合排放標準到工業(yè)排放標準、從國家標準到地方標準的快速發(fā)展過程[8]。某些地方的城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)已經(jīng)越來越不能滿足人們的實際需求。因此，迫切需要開發(fā)一種新型的污水處理設(shè)施。Guo等[9]研發(fā)了基于改良 A/A/O和三級MBBR分段供氧組合工藝技術(shù)處理小區(qū)及村鎮(zhèn)生活污水，試驗就分段供氧與均勻供氧污染物去除效果及系統(tǒng)冬季和夏季水處理效果兩方面進行了對比分析，最后，通過對各參數(shù)的優(yōu)化得到了最優(yōu)條件，試驗進水COD質(zhì)量濃度范圍為230～470 mg·L-1，NH4+-為17～38 mg·L-1，TN為26～46 mg·L-1。分段供氧條件下，COD和氨氮去除率分別是90.82%和98.30%，均勻供養(yǎng)條件下，COD和氨氮去除率分別是91.31%和96.64%(表2)，綜合分析來看，在分段供氧和均勻供氧條件下，COD的去除率基本一致，相比于均勻供氧，分段供氧對氨氮的去除率更高一些。

表2 均勻供氧和分段供氧水處理效果比較[9] mg·L-1

采用分段供氧不僅可以實現(xiàn)有機物和氨氮的高效去除，而且還相應(yīng)地減少了供氧方面能耗的損失，降低了設(shè)備的運行成本。試驗期間冬季COD的平均去除率為88.37%，夏季COD的平均去除率為90.90%。因此就改良 A/A/O和三級MBBR分段供氧組合工藝[9]而言，其在冬、夏兩季對有機物的去除能力無太大差別，但對NH4+-N的去除率分別是96.51%和98.11%，相比于冬季，在夏季反應(yīng)器對氨氮的去除有小幅度上升，由此得知，系統(tǒng)在低溫條件下對硝化作用的影響小于反硝化作用，因為低溫不僅使DO濃度降低還使微生物活性也降低。所以，在夏季，反應(yīng)設(shè)備對氨氮的去除會更好一些。

2.3 A/A/O+移動床生物膜反應(yīng)器 (A/A/O-MBBR) 雙污泥系統(tǒng)處理低碳氮比( C/N) 生活污水

對氮磷的去除仍然是我國城鎮(zhèn)污水處理廠的主要目標，目前我國城市生活污水普遍呈現(xiàn)低C/N比特點。生活污水中碳源的不足，導(dǎo)致反硝化效率低，出水總氮高，難以達到一級A標準，要想深度脫氮，需投入外加碳源，這無疑增加了運行成本。wang等[10]采用A/A/O+移動床生物膜反應(yīng)器 (A/A/ O-MBBR) 雙污泥系統(tǒng)，其中A/A/O反應(yīng)器的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比是1∶5∶1，MBBR反應(yīng)器的填充率為45%，水力停留時間為8 h，污泥回流比是100%，消化液回流比是300%，污泥齡控制在（12±2）天，在這些條件下，控制進水COD為208.45 mg·L-1，NH4+-N為54.90 mg·L-1，TN為56.20 mg·L-1，碳氮比為3.44，以低碳氮比(C/N) 生活污水為處理對象，考察啟動過程的污泥特性和反硝化除磷特性，基于脫氮除磷的代謝機理建立系統(tǒng)的快速啟動策略，取得了良好的去除效果。研究發(fā)現(xiàn)COD的去除率基本穩(wěn)定，平均為82%，在前12 d測得NH4+-N的去除率為 81%。剛開始運行時，系統(tǒng)中 TN 的出水濃度略高，去除率也只有65%，但是隨著反應(yīng)器的不斷運行，硝化效果逐步趨于穩(wěn)定，到第15天，TN去除率最高可達 75%，此時，出水 TN 濃度可穩(wěn)定達到一級 A 排放標準。啟動過程歷時21天完成，生物量和污泥沉降性能都得到了較快的恢復(fù)，但是仍然需要進一步強化厭氧釋磷。

2.4 改良A/A/O-MBBR 裝置處理城鎮(zhèn)河道污水

城鎮(zhèn)河流作為城市經(jīng)濟發(fā)展的命脈，與人類的發(fā)展密切相關(guān)。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，河流污染問題日益突出，部分河道出現(xiàn)了發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象。zheng等[11]分別采用2種不同填料的改良A/A/O- MBBR中試裝置處理深圳市布吉河道污水，考察了該工藝的啟動和雨季運行特征，通過間歇性的排泥將整個系統(tǒng)的污泥齡控制在10天左右，設(shè)計的日處理水量為 140 m3，同時硝化液回流比和污泥回流比分別為200%和100%，當進水COD為42.1～215.0 mg·L-1時，2 組系統(tǒng) COD的平均去除率分別為81.8%和79.1%（圖2），當進水氨氮和總氮分別為1.58 ～ 20.88 mg·L-1和5.4～26.2 mg·L-1時，對氨氮的去除率在98.0% 以上，對總氮的去除率均為23.7%，通過投加60 mg·L-1的甲醇作為外加碳源，可使出水總氮穩(wěn)定在 15 mg·L-1以下，達到一級A標準，當進水總磷為0.80～6.12 mg·L-1時，2組系統(tǒng)平均去除率分別為63.6%和67.2%。由于該反應(yīng)器在冬季啟動掛膜成功，受水溫低的影響出水氨氮濃度很難達到一級A標準。并且，由于沉淀池沒有設(shè)置刮泥機，污泥回流受限，很大程度上限制了反應(yīng)器去除污染物的能力。所以，如何使沉淀池的污泥能夠順利回流，還有待進一步加強。

圖2 雨季運行期間對COD的去除效果[11]

2.5 A/A/O-MBBR組合工藝處理工業(yè)園區(qū)污水

工業(yè)園區(qū)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，它已逐漸成為中國工業(yè)發(fā)展的主要模式之一。與城鎮(zhèn)污水處理廠的污水相比，工業(yè)園區(qū)的污水具有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水質(zhì)和水量變化大、污染物濃度高、種類多、毒性大、降解困難等特點。污水處理系統(tǒng)往往缺乏針對性的設(shè)計和管理經(jīng)驗，使園區(qū)水污染治理面臨著巨大的挑戰(zhàn)。he等[12]在進水COD為500 mg·L-1，BOD5為300 mg·L-1，SS、NH4+-N和TN分別為400 mg·L-1、50 mg·L-1和70 mg·L-1條件下，采用A/A/O-MBBR工藝處理某工業(yè)園區(qū)污水，分析了該工藝的脫氮除磷效果及排放的污水是否達標，為該工藝處理工業(yè)園區(qū)廢水奠定了基礎(chǔ)，分析可知，用A/A/O-MBBR工藝處理工業(yè)污水，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后對COD和BOD的去除率可達到88%和93%，對氨氮和總氮的處理效果可達到84%和71%，排放的污水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。相比之下，總氮的去除率還有待進一步提高。

2.6 A/A/O移動床生物膜反應(yīng)器處理紡織印染廢水

紡織印染行業(yè)是工業(yè)污水中的排放大戶，污水中主要含有紡織纖維上的污物、油脂、鹽類以及加工過程中附加的各種染料和表面活性劑等。紡織印染廢水的典型特點是COD濃度高、成分復(fù)雜、色度深且多變，pH變化大，水量水質(zhì)變化大，屬于難降解工業(yè)廢水。Hye Ok Park等[13]研究了一種三級中試移動床生物膜反應(yīng)器處理紡織染色廢水。每個反應(yīng)器填充20%的聚氨酯活性炭(PU-AC)載體用于生物處理。通過探討PU-AC載體的影響、填料百分比以及pH變化對MBBRs的影響，確定了MBBRs的最佳反應(yīng)條件。

在有無PU-AC載體的厭氧反應(yīng)器運行8天后，COD的去除率分別是73%和63%，而好氧反應(yīng)器中COD的去除率分別是86%和75%，即在好氧條件下COD的降解速率比厭氧條件下快。在填料填充率為10%、20%和30%的條件下，厭氧反應(yīng)器中COD的去除率分別為46%、58%和82%，而好氧反應(yīng)器中COD的去除率分別為55%、64%和60%。實驗結(jié)果表明PU-AC載體在厭氧和好氧反應(yīng)器中的最佳填充率分別為20%和30%；pH值對降低印染廢水COD有顯著影響，大多數(shù)細菌可以在中性（pH為6～8）條件下生長，但很少有細菌能在高pH條件下生長，如染色廢水，因此，必須將pH值調(diào)節(jié)到中性。該實驗的最適pH值為7。通過批量實驗分析COD的去除率，達到了很好的去除效果，優(yōu)化了該集成技術(shù)的工藝參數(shù)。

A/A/O-MBBR系統(tǒng)在印染廢水處理中表現(xiàn)出了比其他常規(guī)系統(tǒng)更好的性能，如化學混凝活性污泥工藝和流態(tài)化生物膜工藝。并且，如果在MBBR系統(tǒng)中加入混凝工藝，借鑒先前的研究，該系統(tǒng)有可能更有效地處理印染廢水。

3 結(jié) 論

采用A/A/O傳統(tǒng)活性污泥處理工藝可以有效地去除污廢水中的有機物、氮磷等物質(zhì)，該工藝廣泛應(yīng)用于中小型生活污水和工業(yè)廢水的處理，同時在處理市政污水和工業(yè)廢水中的研究也比較多。A/A/O-MBBR系統(tǒng)能夠同時存在懸浮態(tài)和附著態(tài)微生物，使得系統(tǒng)總的微生物量增加，加強了凈化污水的能力，使得脫氮除磷效率得以提高。A/A/O- MBBR工藝是目前較成熟的水處理工藝，未來具有很大的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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Research Progress in A/A/O-MBBR Systems for Water Treatment

,,,,

（Jilin Jianzhu University, Changchun Jilin 130118, China）

A/A/O-MBBR system integrates the advantages of A/A/O and MBBR. By shortening SRT, part of the nitrification process in A/A/O is transferred to MBBR; A/A/O operates under short SRT conditions, giving full play to its phosphorus removal and denitrification characteristics; The MBBR operates under longer SRT conditions, which is conducive to the stability of nitrification effect and the complete removal of ammonia nitrogen. Certain fillers are added to the MBBR tank to form a composite biological treatment system with A/A/O. The treatment system has the advantages of both activated sludge method and biological contact oxidation method. It is a new and efficient composite process. A/A/O-MBBR system can have suspended and attached microorganisms at the same time, which increases the total microbial biomass of the system, strengthens the ability to purify sewage, and improves the efficiency of nitrogen and phosphorus removal.

A/A/O-MBBR process; Removal rate; Water quality standards

TQ085+.413

A

1004-0935（2022）02-0227-04

吉林省發(fā)展和改革委員會產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項目（項目編號：2019C055-6）。

2021-10-27

秦娟娟（1995-），女，碩士學位，山西省忻州市人，2022年畢業(yè)于吉林建筑大學建筑與土木工程市政工程專業(yè)，研究方向：城鎮(zhèn)污水處理研究。

李廣（1982-），男，副教授，工學博士學位，研究方向：主要從事污水生物處理技術(shù)的研究與工業(yè)化應(yīng)用以及生物電化學技術(shù)研究。