MBBR技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)農(nóng)村生活污水處理的試驗(yàn)研究

張 敏

（廣東自遠(yuǎn)環(huán)保股份有限公司，廣東 梅州 514700）

1 移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR ）

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）兼具懸浮生長(zhǎng)生物處理技術(shù)和附著生長(zhǎng)生物處理技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外污水處理廠得到廣泛應(yīng)用，具有投資少、運(yùn)維成本小和運(yùn)行高效穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]，可單獨(dú)或與其它工藝組合處理各類(lèi)工業(yè)廢水、城市生活污水，特別是一體化MBBR 污水處理裝置，得到了較廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外針對(duì)MBBR 處理技術(shù)的研究，主要有功能填料開(kāi)發(fā)、生物膜動(dòng)力學(xué)研究、工藝運(yùn)行條件，以及與MBR 等工藝的組合處理各種污廢水等[2]。其中，從生物膜動(dòng)力學(xué)的微觀反應(yīng)角度深入研究了生物膜生長(zhǎng)情況、生物膜內(nèi)底物傳質(zhì)效率和好氧、厭氧微生物菌落分布等，充分證實(shí)MBBR 生物膜反應(yīng)器具有微生物量大、生物膜內(nèi)可同時(shí)存在好氧、厭氧菌有利于硝化反硝化等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[3]。

本試驗(yàn)主要研究探析MBBR 工藝的污泥回流比、曝氣量、水力停留時(shí)間等各工況因子對(duì)農(nóng)村生活污水COD、氨氮及總氮等污染物的去除效果影響規(guī)律，為工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)裝置及材料

2.1 試驗(yàn)裝置

本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)裝置示如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用主要材料如表1 所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)材料

2.3 儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中所用主要儀器如表2 所示。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)的啟動(dòng)

MBBR 凈化槽系統(tǒng)啟動(dòng)掛膜階段處理效果如圖2 所示，在系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)程中，進(jìn)水的COD 濃度穩(wěn)定在245～350mg/L，進(jìn)水的氨氮濃度變化范圍較大。對(duì)填料進(jìn)行觀察，結(jié)果表明，投放第一批填料（填充率20%）后約一周時(shí)間，填料表面開(kāi)始生成微生物薄膜，繼續(xù)投放第二批填料（填充率40%），1 周后對(duì)泥相進(jìn)行微生物鏡檢，結(jié)果看出大量草履蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)、輪蟲(chóng)及少量鐘形蟲(chóng)已在填料表明生成，說(shuō)明該系統(tǒng)填料載體的生物膜基本達(dá)到成熟。與填料微生物膜生長(zhǎng)規(guī)律對(duì)應(yīng)，反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行2 周后，對(duì)COD 的去除效率穩(wěn)定達(dá)到65%左右。從出水氨氮去除效果曲線(xiàn)規(guī)律可以看出，相比于對(duì)COD 的降解效果，微生物硝化過(guò)程相對(duì)滯后，但是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行約2 周后，氨氮的去除率也可穩(wěn)定達(dá)到87%以上。COD 和氨氮的去除效果的差異，其原因在于于進(jìn)水的氨氮變化范圍較大，且硝化細(xì)菌的世代周期更長(zhǎng)。結(jié)合生化系統(tǒng)對(duì)COD 與氨氮的去處效果判斷，系統(tǒng)掛膜啟動(dòng)周期約為2周，通過(guò)載體表面生物膜微生物鏡檢，觀測(cè)到填料表面生物膜平均厚度約為230 μ m 左右。

圖2 MBBR凈化槽系統(tǒng)啟動(dòng)掛膜階段處理效果

3.2 污泥回流比對(duì)處理效果的影響

作為對(duì)微生物的種類(lèi)和數(shù)量分布的重要影響因素之一，污泥回流比對(duì)MBBR 凈化槽系統(tǒng)對(duì)COD、氨氮等污染物的去除效果很關(guān)鍵，其作用主要體現(xiàn)在兩方面：其一，污泥回流可以提高懸浮態(tài)活性污泥在系統(tǒng)微生物中的含量，使得系統(tǒng)中懸浮態(tài)污泥同生物膜之間的營(yíng)養(yǎng)爭(zhēng)奪更為劇烈，進(jìn)而可以改變生化系統(tǒng)內(nèi)微生物的構(gòu)成；其二，一定的污泥回流循環(huán)有利于對(duì)高活性好氧菌群進(jìn)行固定化，從而促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)厭氧/缺氧/好氧菌群的新陳代謝，從而對(duì)COD 的去除效率產(chǎn)生重要影響。

污泥回流比對(duì)COD 處理效果的影響如圖3 所示，較污泥回流比為0 的條件下，污泥回流比＜1:4 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD 去除效率顯著提高，當(dāng)控制污泥回流比分別為1:10、1:8 和1:6 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD 去除率分別提高到71%、82%、76%。需要注意的是，當(dāng)污泥回流比＞1:4 情況下，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率不升反降至55%。原因在于，當(dāng)污泥回流量在合適范圍內(nèi)，懸浮污泥回流有效提高了系統(tǒng)微生物菌群含量，從而利于微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解，但是當(dāng)回流污泥量過(guò)大，帶來(lái)的水力沖擊對(duì)生物膜產(chǎn)生了破壞，從而致使填料表面菌群因營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足而自身消耗，因此系統(tǒng)去除率下降。

圖3 污泥回流比對(duì)COD處理效果的影響

由圖4 可知，污泥回流比在1:10、1:8、1:6 時(shí)，回流污泥對(duì)耦合系統(tǒng)的硝化活性起促進(jìn)作用，三種情況下氛氮去除平均值分別為90%、93%、91%，與無(wú)污泥回流效果（去除率為88%）相比略有提高。當(dāng)污泥回流比提高為1:4 時(shí)，由于載體生物膜的分解作用，系統(tǒng)耦合作用明顯弱化，氨氮去除率降至約65%。比較上述懸浮污泥對(duì)氨氮與有機(jī)廢物的氧化降解，表明采用MBBR 凈化槽處理系統(tǒng)可以有效提高微生物、氧氣和底物三者間的氧化速率，對(duì)提高M(jìn)BBR 工藝有機(jī)廢物降解，及穩(wěn)定氨氮去除有較大促進(jìn)作用。對(duì)兩者影響的差異表明，MBBR 載體有利于硝化細(xì)菌的附著生長(zhǎng)，具有較高的反應(yīng)速率；而懸浮污泥具有較高的有機(jī)污染物氧化降解速率，耦合系統(tǒng)集兩者特征，優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4 污泥回流比對(duì)氨氮處理效果的影響

污泥回流比對(duì)氨氮處理效果的影響規(guī)律如圖5 所示，污泥回流情況下的生化系統(tǒng)氨氮降解效果差異非常明顯。當(dāng)污泥回流比分別為1:10、1:8、1:6 時(shí)，生化系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率分別達(dá)到56%、74%、64%，相比沒(méi)有回流污泥工況條件下，總氮的去除效果顯著提高。

圖5 污泥回流比對(duì)總氮處理效果的影響

3.3 曝氣量對(duì)處理效果的影響

MBBR 工藝凈水效果受曝氣量影響的機(jī)制，主要分為兩個(gè)方面：其一，經(jīng)氣液固多相傳遞，參與微生物生化反應(yīng)的氧氣濃度受曝氣量直接影響；其二，曝氣風(fēng)量會(huì)影響到反應(yīng)器內(nèi)填料的懸浮狀態(tài)，從而對(duì)菌群、填料生物膜及污染物之間的多相傳質(zhì)速度及接觸概率，對(duì)工藝生化處理效果產(chǎn)生決定性影響。曝氣量對(duì)COD 處理效果的影響效果曲線(xiàn)如圖6 所示，當(dāng)曝氣強(qiáng)度由150 L/h 增大到220 L/h 時(shí)，試驗(yàn)前期，工藝COD 去除率由最初的36%迅速增大到55%，不過(guò)，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，工藝COD 去除率保持在47%左右。進(jìn)一步分析可知，曝氣量的大小對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)COD 去除效率影響嚴(yán)重，如，當(dāng)曝氣量分別為150 L/h、220 L/h、350 L/h 和450 L/h 條件下，系統(tǒng)對(duì)COD 去除率分別為45%、48%、53%和54%。當(dāng)曝氣量提高到350 L/h 以上后，進(jìn)一步增大曝氣量，COD 去除率的提高并不明顯。這得益于MBBR 工藝條件下污泥停留時(shí)間和水力停留時(shí)間的分離，污泥齡較長(zhǎng)的硝化細(xì)菌得到良好生長(zhǎng)環(huán)境，工藝硝化效果即對(duì)氨氮的去除效果比傳統(tǒng)活性污泥法明顯提高。

圖6 曝氣量對(duì)COD處理效果的影響

不同曝氣強(qiáng)度下系統(tǒng)氨氮去除效果如圖7 所示。分析可知，曝氣量由150 L/h 提高到450 L/h 的過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率均在93%左右，甚至達(dá)到98%，但各曝氣量條件下的去除率差異性不大。氨氮去除效果受曝氣強(qiáng)度影響較復(fù)雜，曝氣量150 L/h、220 L/h、350L/h 和450 L/h 工況下，污水氨氮去除率分別為97.5%、87.9%、88.1%、92.3%。曝氣量較小時(shí)，空氣對(duì)填料附著生長(zhǎng)的微生物膜的剪切力較小，一方面有利于菌落的新陳代謝，但另一方面會(huì)減弱微生物、水及污染物之間的物質(zhì)與能量傳遞，不利于生化反應(yīng)；較大曝氣量時(shí)，空氣對(duì)填料附著生長(zhǎng)的微生物膜的剪切力較小，一方面會(huì)增強(qiáng)微生物、水及污染物之間的物質(zhì)與能量傳遞，但一方面又會(huì)對(duì)微生物附著填料表面生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。上述分析可以看出，試驗(yàn)條件下污水氨氮去除效率受曝氣量的變化影響不大，最適曝氣強(qiáng)度為150 L/h。

圖7 曝氣量對(duì)氨氮處理效果的影響

MBBR 系統(tǒng)中填料載體表面微生物膜由厭氧/缺氧/好氧混合菌群構(gòu)成，因溶解氧、污染物在泥水兩相間傳質(zhì)規(guī)律特征，微生物內(nèi)層微菌群可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化過(guò)程，通過(guò)微環(huán)境控制，可實(shí)現(xiàn)在溶解氧濃度較大情況下的脫碳效果。不同曝氣量對(duì)系統(tǒng)總氮去除效果的影響規(guī)律如圖8 所示，當(dāng)曝氣量分別為150 L/h、220 L/h、350 L/h 和450 L/h 時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率分別為9%、20%、22%、23%，可以看出總氮的去除效果受曝氣量的影響明顯。原因在于，系統(tǒng)曝氣量的提高可以促進(jìn)異養(yǎng)菌的繁殖，增加載體表面附著生物膜的厚度，進(jìn)而為內(nèi)層反硝化菌群提供良好生長(zhǎng)條件，但值得注意的是，當(dāng)曝氣量提高到350 L/h 后，曝氣量的繼續(xù)增大對(duì)總氮的去除效果提升不明顯。

圖8 曝氣量對(duì)總氮處理效果的影響

3.4 水力停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響

水力停留時(shí)間的長(zhǎng)短，直接決定污水中各污染因子進(jìn)行生化作用的時(shí)間長(zhǎng)短，并對(duì)污染因子去除效果產(chǎn)生直接影響。不同水力停留時(shí)間對(duì)COD 的去除效果規(guī)律如圖9 所示，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效率受水力停留時(shí)間的影響顯著。當(dāng)HRT 為6 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率僅為23%，HRT 分別提高至8 h、10 h、12 h、14 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除率顯著上升，分別增大至為35%、52%、72%和65%，此外，進(jìn)水水質(zhì)濃度變化范圍較小條件下，水力停留時(shí)間提高到12 h，COD 降解效率繼續(xù)提高，但當(dāng)HRT提高到14h 時(shí)候，系統(tǒng)對(duì)COD 的去除效果不升反降，原因在于，水力停留時(shí)間過(guò)度增加，營(yíng)養(yǎng)供給不足，導(dǎo)致菌群進(jìn)行內(nèi)源呼吸引起菌群解體，導(dǎo)致出水COD 不降反升，在試驗(yàn)過(guò)程中，載體表面生物膜量隨HRT 提高到14 h 時(shí)，反而減少的規(guī)律與上述現(xiàn)象互相印證。氨氮去除效果受HRT 影響規(guī)律如圖10 所示，當(dāng)HRT 為6 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮去除率為77%，HRT 提高至8 h、10 h、12 h、14 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率分別提高至88%、89%、93%和94%，氨氮去除率受HRT 影響規(guī)律特征與COD 相似。分析可知，水力停留時(shí)間增大，系統(tǒng)內(nèi)硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化反應(yīng)的時(shí)間隨之延長(zhǎng)，氨氮去除率隨之提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)HRT 提高至12 h 后，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率基本上不再提高。水力停留時(shí)間變化對(duì)總氮的影響規(guī)律如圖11 所示，當(dāng)HRT 為6 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率僅為5%，當(dāng)將HRT 提高到8 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率立即增至21%，繼續(xù)提高HRT 至10 h、12 h、14 h 時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總氮去除率依次增至29%、39%和28%。分析可知，硝態(tài)氮的反硝化程度和速率很大程度上取決于水力停留時(shí)間，停留時(shí)間的延長(zhǎng)可以增強(qiáng)反硝化菌對(duì)硝態(tài)氮的反硝化作用，但是如果水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，反而會(huì)導(dǎo)致反硝化過(guò)程所需碳源的供給不足，總氮去除效率提高緩慢，甚至出現(xiàn)總氮去除率不升反降的現(xiàn)象。本試驗(yàn)條件下，可同步實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)硝化及反硝化脫氮功能的最佳水力停留時(shí)間為12 h。

圖9 水力停留時(shí)間對(duì)COD處理效果的影響

圖10 水力停留時(shí)間對(duì)氨氮處理效果的影響

圖11 水力停留時(shí)間對(duì)總氮處理效果的影響

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用MBBR 技術(shù)對(duì)農(nóng)村生活污水處理過(guò)程，各工況因子中，污泥回流比對(duì)系統(tǒng)COD、氨氮及總氮去除效果的影響最為顯著。

（2）MBBR 反應(yīng)體系中，特殊填料載體懸浮污泥對(duì)提高生物膜活性的效果顯著，膜相菌落降低了系統(tǒng)懸浮污泥濃度，較傳統(tǒng)活性污泥法，可以降低污泥回流從而節(jié)省能耗及剩余污泥處理處置費(fèi)用。

（3）污水COD、氨氮及總氮的去除效率受曝氣量及水力停留時(shí)間的影響不如受污泥回流顯著，同時(shí)，COD、氨氮和總氮等不同污染物的去除效果受各工況因子的影響程度及規(guī)律呈現(xiàn)較大差異性。

實(shí)際工程運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，使用本項(xiàng)目技術(shù)研發(fā)的污水處理技術(shù)，出水COD、氨氮、總磷等污染物得到了有效去除，且污水站運(yùn)維簡(jiǎn)便、高效節(jié)能，出水穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)，這是一項(xiàng)農(nóng)村地區(qū)真正“建得起、用得起、用得好”的技術(shù)。