應用MBBR工藝處理農(nóng)田尾水的填料及參數(shù)優(yōu)選

張友德 黃鴻飛 張文祥

（安徽新宇環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?安徽合肥 230031）

引言

據(jù)全國第二次污染源普查公告顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的化學需氧量、氮、磷等主要污染物量，已遠超工業(yè)與居民生活污染源，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的化學需氧量占總量49%以上，總氮占總量46%以上，總磷占總量的67%以上[1]。農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國水體富營養(yǎng)化、水體污染的重要原因，對農(nóng)業(yè)面源污染的控制及治理已成為我國水環(huán)境治理的重中之重，也是污染防治攻堅戰(zhàn)及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要課題。農(nóng)田尾水作為農(nóng)業(yè)面源污染的主要載體，傳統(tǒng)工藝難以應對其水量較大的緊急情況[2]。農(nóng)田尾水是指在灌溉、降雨或地下水供應的情況下從農(nóng)田中流出的地表徑流，屬于農(nóng)田中的余水。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥、農(nóng)藥、農(nóng)田土壤顆粒物和其它有機或無機污染物通過地表徑流、農(nóng)田排水與灌溉、降雨等一起進入地表或地下水體，造成嚴重污染。

農(nóng)田尾水具有面廣量大、排放無序、水質(zhì)不穩(wěn)定、C/N（碳氮比）相對較低等特點[2][3]。針對農(nóng)田尾水離田后的攔截處理技術包括：植被緩沖帶、穩(wěn)定塘、人工濕地、前置庫、生態(tài)攔截溝渠、生態(tài)田埂等。然而有研究表明，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，雨季或突發(fā)性雨天農(nóng)田尾水排放時，因水量負荷過大，攔截設施處理效果不理想，攔截設施建造第一年處理效果遠好于之后幾年[4]。上述攔截處理技術在實際工程應用過程中也出現(xiàn)較多弊端，如易受環(huán)境氣候條件和溫濕度的影響、占地面積較大、管理不合理、功能單一等，這些問題影響了污水土地處理系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)面源污染的處理效果，妨礙其大范圍地推廣應用。

移動床膜生物反應器（簡稱MBBR）工藝能夠強化脫氮除磷，投資低，運行簡單。不需污泥回流或反沖洗，耐沖擊負荷能力強，出水水質(zhì)穩(wěn)定，處理效率高，并且性能穩(wěn)定[5][6]。針對雨季或突發(fā)性雨天農(nóng)田尾水的排放，運用MBBR 反應器對農(nóng)田尾水處理的相關研究較少，決定處理效果的核心是反應器中懸浮填料的表面性能，本研究就影響填料掛膜的重要影響因素，同時對幾種懸浮填料進行優(yōu)選，對農(nóng)田尾水處理發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示，由MBBR 池和沉淀池組成，通過液體流量計與進水相連。MBBR 池和沉淀池均為亞克力圓柱體材質(zhì)，MBBR 池容積約為100L，沉淀池容積約為35L。MBBR 池底部設有曝氣盤，與風機相連，由氣體流量計（LZM-6T 余姚寶通儀器）調(diào)節(jié)流量。設置污泥回流裝置將沉淀池污泥回流到MBBR 池中。為減少誤差，同時有多組相同裝置進行實驗。實驗用水是在實驗室內(nèi)人工配置的農(nóng)田尾水，其中TN 濃度為15mg/L，TP 濃度為3mg/L，碳氮比約為6。進水方式為連續(xù)進水，進水通過蠕動泵（KCPPRO3-N40 上?？瑺枺?，在出水口取樣，測定污染物的含量。

圖1 實驗裝置圖

1.2 投加填料

投加的懸浮填料是MBBR 的核心，其性能和效果直接影響MBBR 工藝的污水處理效果。聚乙烯和聚氨酯材質(zhì)的懸浮填料是目前市面上比較常見的懸浮填料，并且價格低廉；PPC 高效懸浮載體，是一種由聚氨酯和其它高分子材料復合而成的凝膠狀多孔體，它具有超強的親水性，兼具比表面積大、投加比例低、掛膜速度快、使用壽命長等特點。本研究選取上述3 種填料，具體參數(shù)見表1。

表1 填料參數(shù)表

1.3 實驗方法

首先對裝置進行污泥接種、填料掛膜操作，先選取聚乙烯填料進行實驗，研究不同水力停留時間（HRT）、曝氣量條件下的氮磷去除情況，確定其在本實驗下的最佳參數(shù)，在最佳參數(shù)的條件下用三種不同的填料進行實驗。填料在裝置內(nèi)的填充率恒為20%，出水水樣每兩天在固定時間點測定一次。

1.4 測定及方法

根據(jù)國標法測定TN、TP：TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP 采用鉬酸銨分光光度法測定。使用的測定儀器為UV-5200 紫外可見分光光度計，采用origin 軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力停留時間（HRT）對污染物去除的影響

水力停留時間（HRT）是指污水在裝置中的平均停留時間，是裝置設計的重要參數(shù)之一。直接影響對污水中脫氮、除磷的效果。水力停留時間越長，污水與裝置中生物膜的接觸時間也就越長，有利于污染物的去除。水力停留時間對農(nóng)田尾水氮磷去除影響如圖2、圖3 所示。

圖2 水力停留時間對總氮去除影響

圖3 水力停留時間對總磷去除影響

由圖2 可知，當水力停留時間由4h 增加到6h，TN去除率不斷增加，初始的TP 去除率也由19%增加到33%，后期TP 去除率也由73%增加到83%；從6h 增加到8h，去除率相差不大；從8h 增加到10h，去除率整體都較小。水力停留時間為4h 時，流化速度較大，懸浮填料受到較強的沖刷，生物膜難以形成，使得硝化細菌繁殖速度減緩，裝置的污染物去除能力受到一定程度的影響。提高水力停留時間到6h 和8h，流化速度減緩，微生物易附著聚集在懸浮填料表面。微生物與污染物的接觸時間隨水力停留時間的延長而增加，TN 去除率也隨著提升。碳源一定時，繼續(xù)提高水力停留時間，此時硝化細菌與聚磷菌形成競爭，營養(yǎng)物越來越少，微生物可能出現(xiàn)負增長，生物膜會從填料表面脫落，對氮的去除效果減弱。

由圖3 可知，當水力停留時間由4h 增加到6h，TP去除率不斷增加，初始的TP 去除率由27%增加到38%，后期TP 去除率由74%增加到94%；從6h 增加到8h，去除率相差不大；從8h 增加到10h，去除率整體都較小。水力停留時間為4h 時，流化程度較大，由于微生物難以附著于懸浮填料，生長繁殖受到抑制，TP去除率較低。水力停留時間提高到6h 和8h，沖刷強度減弱，在此流化程度，懸浮填料附著大量微生物，微生物與污染物可充分接觸，增加凈化效果，TP 的去除率處于較高的水平。水力停留時間在6h 和8h 時，MBBR系統(tǒng)具有較好的除磷效果，出水TP 可以穩(wěn)定達到國家一級A 標準。

2.2 曝氣量對污染物去除的影響

曝氣的作用是供給溶解氧，并起到攪拌、混合作用。對污水處理系統(tǒng)中的好氧單元，需提供充足的氧氣，讓好氧菌充分發(fā)揮作用，凈化能力更徹底。溶解氧量并不是越大越好，過度曝氣會增加能耗，還會引起污泥膨脹，使出水變渾濁。曝氣量對農(nóng)田尾水氮磷去除影響如圖4、圖5 所示。

圖4 曝氣量對總氮去除影響

圖5 曝氣量對總磷去除影響

由圖4 可知，在整個實驗過程中，曝氣量6L/min情況下的TN 去除率均高于曝氣量2L/min、4L/min 和8L/min 時的TN 去除率，去除率最高能達到85%以上。曝氣量2L/min 時，溶解氧含量低，硝化細菌和亞硝化細菌受到溶解氧低的影響，硝化作用效率降低，TN 的去除率也有所下降。由此可見，曝氣量6L/min 時TN去除率最高，適宜的曝氣量使MBBR 工藝硝化效率更高，脫氮效果更好。

當曝氣量為4L/min 時，因曝氣量較小，懸浮填料的流動速度比較慢，有利于掛膜初期其表面微生物膜的形成，污泥濃度較低，對溶解氧的需求也較低。由圖5 可知，前期曝氣量4L/min 比曝氣量6L/min 和8L/min時的TP 去除率高。后期微生物的繁殖使得曝氣量成為了限制條件，曝氣量6L/min 裝置中TP 去除率最高，達到92%。溶解氧量對掛膜啟動有較大影響。曝氣量較小時，溶解氧低，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)缺氧或厭氧狀態(tài)，pH減小，好氧菌大量死亡，附著在懸浮填料上的功能性微生物數(shù)量減少，凈化污水能力下降。曝氣量較大時，溶解氧量高，反應器流速快，懸浮填料上微生物組成的菌膠團及微生物被沖刷而脫落，影響處理效果[7]。

2.3 不同填料下污染物去除情況

填料是MBBR 工藝的核心，由于其密度與水接近，曝氣時可與水充分混合。填料表面會附著生物膜，生物膜上由里到外依次有厭氧菌、兼氧菌和好氧菌，能高效對污水進行凈化。不同填料對農(nóng)田尾水氮磷去除影響如圖6、圖7 所示。

圖6 不同填料對總氮去除影響

圖7 不同填料對總磷去除影響

在最佳水力停留時間和曝氣量條件下進行不同填料對農(nóng)田尾水氮磷去除影響實驗。投加聚乙烯填料、聚氨酯填料和PPC 填料的三個裝置，在出水濃度穩(wěn)定的情況下，TN 濃度依次為83%、84%、91%，TP 濃度依次為87%、89%、94%。前期TN 濃度依次為25%、31%、42%，TP 濃度依次為45%、48%、55%?？芍狿PC 聚氨酯填料對氮磷去除效果最佳，聚氨酯填料略優(yōu)于聚乙烯填料。影響懸浮填料凈化效果的重要指標即比表面積，該值越高，用于微生物生長繁殖的空間就越大，附著于填料上的微生物量越多，對氮磷的去除效果就越好。聚乙烯和聚氨酯填料的比表面積相近，但對氮磷去除效果不同，這是由于它們表面粗糙度不同，孔隙率不同等因素導致的。PPC 聚氨酯填料較其它填料，在曝氣狀態(tài)下更易處于流化狀態(tài)。結(jié)構(gòu)是PPC 聚氨酯填料與一般的聚氨酯海綿載體最顯著的區(qū)別，PPC 聚氨酯填料呈現(xiàn)的是墻體結(jié)構(gòu)，聚氨酯活性填料是肋狀結(jié)構(gòu)，墻體結(jié)構(gòu)吸水作用更好，PPC 凝膠填料的親水性能也相對較好，因此PPC 聚氨酯填料的凈化處理效果優(yōu)于其它填料[8][9]。

結(jié)語

控制水力停留時間分別為4h、6h、8h、10h 處理農(nóng)田尾水。得出結(jié)論：水力停留時間在6h 和8h 時，污染物去除效果接近，TN 去除率分別為83%和84%，TP 去除率分別為94%和92%，綜合考慮8h 為最佳水力停留時間?？刂破貧饬糠謩e為2L/min、4L/min、6L/min、8L/min 處理農(nóng)田尾水。得出結(jié)果：當曝氣量為6L/min 時去除率最高，TN 和TP 的去除率分別達到85.5%和92%。在最佳水力停留時間和曝氣量條件下，選擇聚乙烯填料、聚氨酯填料和PPC 聚氨酯填料處理農(nóng)田尾水。發(fā)現(xiàn)：PPC 聚氨酯填料處理效果最佳，TN 和TP 的去除率分別達到91%和94%。鑒于我國農(nóng)業(yè)的機械化、集約化水平較低，農(nóng)田尾水的治理是一項長期而艱巨的任務，也是我國未來水污染治理的重點。繼續(xù)開展農(nóng)田尾水污染減量的研究會給我國水體治理、流域水環(huán)境達標等提供參考價值。