A2O-MBBR工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用

張 茗，羅 松，黃 銘

（成都空港環(huán)境投資有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

農(nóng)村生活污水具有污染面廣、成分復(fù)雜、分散且不易收集等特點(diǎn)[1]，導(dǎo)致水量和水質(zhì)的變化均有別于市政生活污水。農(nóng)村生活污水的水量波動(dòng)幅度大，排水變化系數(shù)達(dá)3.0~5.0[2]，間歇排放明顯；水質(zhì)則總體呈現(xiàn)出高氨氮、低C/N的特點(diǎn)，且受季節(jié)和天氣的影響較為顯著。

農(nóng)村生活污水的水量不穩(wěn)定、污水處理設(shè)備的有效利用率相對(duì)較低，采用高投資的“管網(wǎng)+污水處理廠”模式會(huì)造成資金的大量浪費(fèi)。近年來，一體化污水處理設(shè)備建設(shè)迅猛發(fā)展，此類設(shè)備高度集約，能充分發(fā)揮占地少、投資省、靈活性強(qiáng)、管理方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，適用于處理農(nóng)村生活污水。

目前，膜生物反應(yīng)器（MBR）在農(nóng)村污水處理中有較多應(yīng)用，但膜使用周期短、運(yùn)行成本高和維護(hù)難度大等問題亟待解決[3]；人工濕地等生態(tài)措施的投資省、噸水能耗低[4]，但其占地面積大、衛(wèi)生條件差、易堵塞和處理效率低等缺點(diǎn)阻礙其廣泛應(yīng)用。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）是在KMT公司與挪威的SINTEF研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的[5]，可在不新增占地的情況下，多路徑實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝的升級(jí)改造[6]，受到諸多大型城市污水處理廠的青睞。例如，無錫蘆村[7]和淮安某市政污水處理廠[8]將A2O工藝（厭氧-缺氧-好氧）原位改造成A2O-MBBR組合工藝，提高了污染去除率。此外，該組合工藝在電鍍等工業(yè)廢水處理中也有較多應(yīng)用[9]，提高了系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷和脫氮除磷能力。

A2O-MBBR工藝兼具傳統(tǒng)A2O工藝可調(diào)性強(qiáng)、彈性好的特點(diǎn)和MBBR工藝處理效率高、抗沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于處理水質(zhì)水量波動(dòng)幅度大的農(nóng)村生活污水。陽艷等[10]利用A2O-MBBR工藝一體化設(shè)備，低成本處理農(nóng)村生活污水，出水各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，A2OMBBR一體化污水處理設(shè)備占地小、運(yùn)行成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定且運(yùn)行維護(hù)方便，在農(nóng)村生活污水治理中應(yīng)用前景廣闊，有良好的推廣價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

設(shè)備設(shè)計(jì)處理量100 m3/d，主體裝置由碳鋼撬裝而成，主要由池體、風(fēng)機(jī)、在線儀表、加藥裝置、高密度聚乙烯（HDPE）填料、控制系統(tǒng)及其各類管道組成。設(shè)備池體間設(shè)置隔板，將池體劃分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)等功能區(qū)域。

A2O-MBBR工藝流程如圖1所示，污水經(jīng)調(diào)節(jié)池依次進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和斜管沉淀區(qū)，在好氧區(qū)投加20%填充比的藕狀填料。MBBR填料由高密度聚乙烯制成，外形呈圓柱體，直徑為25 mm，高約10 mm，內(nèi)部由十字架支撐，外壁帶豎條狀鰭翅。通過回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)厭氧區(qū)、缺氧區(qū)的混合液攪拌和好氧區(qū)的曝氣供氧，好氧區(qū)內(nèi)的水流和氣流帶動(dòng)填料載體在池體內(nèi)呈流化狀態(tài)，水、氣、固三相混合提高了傳質(zhì)和傳氧效率[11]。好氧區(qū)的混合液一部分回流至厭氧區(qū)進(jìn)行反硝化脫氮，一部分進(jìn)入斜管沉淀區(qū)進(jìn)行泥水分離；沉淀區(qū)的污泥部分回流至厭氧區(qū)補(bǔ)充污泥量，剩余污泥則排放至儲(chǔ)泥池。

圖1 A2O-MBBR一體化設(shè)備工藝流程圖

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)在西南地區(qū)某一體化污水處理設(shè)備進(jìn)行，進(jìn)水為周邊居民的生活污水，試驗(yàn)期間設(shè)備運(yùn)行良好，每7 d進(jìn)行2次采樣和水質(zhì)檢測(cè)，采樣時(shí)間為上午10時(shí)，連續(xù)采樣一個(gè)月，進(jìn)、出水分別在調(diào)節(jié)池和出水渠取樣。具體試驗(yàn)水質(zhì)，見表1。

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì) (mg/L)

1.3 工藝運(yùn)行參數(shù)

工藝主要運(yùn)行參數(shù)，總水力停留時(shí)間為11.5 h，其中厭氧池1.5 h，缺氧池2 h，好氧池8 h；污泥回流為Q，硝化液回流為2~4 Q；MLSS為2~4 g/L。厭氧段DO（溶解氧）濃度為0.1~0.2 mg/L，缺氧段DO濃度為0.2~0.5 mg/L，好氧段DO濃度控制在2.0~4.0 mg/L。

1.4 分析方法

分析項(xiàng)目包括化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）。測(cè)定方法均采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。COD：重鉻酸鉀法；氨氮：納氏試劑分光光度法；TP：鉬銻抗分光光度法；TN：紫外分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 去除效果分析

2.1.1 COD去除效果

有機(jī)物（用COD表征）作為異養(yǎng)好氧菌和反硝化菌等的電子供體，有機(jī)物越充分，反硝化菌等微生物繁殖越快，同步硝化反硝化（SND）越明顯，脫氮效果越好[12]。有機(jī)物是細(xì)菌代謝必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量來源，首先供微生物利用，其余尚未或無法被微生物利用的有機(jī)物則隨水排出。COD去除情況如圖2所示。

圖2 COD去除情況

由圖2可知，設(shè)備進(jìn)水COD濃度為79~169 mg/L，平均濃度120.63 mg/L。整體進(jìn)水濃度較低可能與采樣時(shí)間有關(guān)，農(nóng)村生活污水總體呈現(xiàn)出夜間和早間的COD濃度低于其他時(shí)間段的特點(diǎn)。出水COD濃度均滿足《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（50 mg/L）。COD的去除效率介于60.92%~93.55%，平均去除率僅78.58%，整體去除效果不夠理想。分析原因，一方面可能與生物膜脫落[11]和碳源投加有關(guān)；另一方面，該設(shè)備的填料為好氧池容積的20%，填充比相對(duì)較低。有研究表明[13]，在填充比介于20%~50%時(shí)，COD去除率和填充比呈正相關(guān)。

2.1.2 氨氮去除效果

好氧池中投加的每個(gè)填料，均為一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器，其表面DO濃度較高，有利于硝化菌的富集和繁殖。因此與傳統(tǒng)活性污泥法相比，A2OMBBR工藝提高了硝化菌的濃度，強(qiáng)化了氨氮硝化去除的效果。氨氮去除情況如圖3所示。

圖3 氨氮去除情況

由圖3可知，該設(shè)備的進(jìn)水氨氮最高濃度為30.1 mg/L，平均濃度為22.23 mg/L。該工藝對(duì)氨氮的去除效果穩(wěn)定，出水氨氮濃度均低于0.25 mg/L，達(dá)到《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》II類水標(biāo)準(zhǔn)（0.5 mg/L），當(dāng)月平均去除率為99.40%，高于相似進(jìn)水條件下A2O工藝的氨氮去除率[14]。由此可見，MBBR填料生物膜的形成，強(qiáng)化了氨氮去除效果，A2O-MBBR工藝更適用于處理此類高氨氮的農(nóng)村生活污水。

2.1.3 TP去除效果

一體化設(shè)備的池容較小，MBR工藝由于膜池內(nèi)高DO濃度的混合液回流，造成各生化池體間沒有明顯的DO濃度梯度。而A2O-MBBR工藝后端的沉淀池?zé)o需曝氣，可以嚴(yán)格控制系統(tǒng)各段的DO濃度，為聚磷菌的釋磷和攝磷創(chuàng)造了良好條件。此外，該工藝的泥膜復(fù)合系統(tǒng)兼具懸浮污泥和附著生物膜兩種微生物形式，將聚磷菌和硝化菌的泥齡分置，可分別滿足聚磷菌群和硝化菌群的泥齡需求，同步強(qiáng)化脫氮除磷效果。TP去除情況如圖4所示。

圖4 TP去除情況

由圖4可知，進(jìn)水TP濃度為1.16~3.10 mg/L，平均濃度為2.21 mg/L；設(shè)備主要通過生物除磷、輔助化學(xué)除磷，出水TP的平均濃度為0.09 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到《DB 51/2311-2016四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（0.3 mg/L），平均去除率達(dá)到95.94%，除磷效果較好。

2.1.4 TN去除效果

反硝化菌為異養(yǎng)菌，TN的去除與進(jìn)水的C/N密切相關(guān)。試驗(yàn)期間進(jìn)水C/N平均值為3.48，污水可生化性較差，通過外加碳源的方式，強(qiáng)化反硝化脫氮過程。TN去除情況如圖5所示。

圖5 TN去除情況

由圖5可知，試驗(yàn)期間進(jìn)水TN濃度為18.2~98.2 mg/L，平均濃度為41.63 mg/L；出水TN濃度為1.09~4.56 mg/L，平均濃度2.53 mg/L，平均去除率為92.96%，這是硝化菌和反硝化菌共同作用的結(jié)果。出水濃度均滿足《DB 51/2311-2016四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（10 mg/L），去除TN的效果顯著，明顯優(yōu)于Engelbart SST一體化設(shè)備對(duì)TN的去除效果[15]。分析原因，生物膜內(nèi)外存在DO濃度差，生物膜表面生長(zhǎng)有硝化菌等好氧菌，在生物膜內(nèi)部，厭氧的反硝化菌等則成為優(yōu)勢(shì)菌種；生物膜內(nèi)外優(yōu)勢(shì)菌種的差異，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化（SND），強(qiáng)化了脫氮效果[16]。

2.1.5 不同工藝對(duì)污染去除情況的分析

A2O-MBBR工藝在低碳高氮的工業(yè)廢水和農(nóng)村污水中應(yīng)用良好。A2O-MBBR組合工藝相較于A2O傳統(tǒng)工藝和MBBR工藝，最大的優(yōu)勢(shì)在于泥膜復(fù)合系統(tǒng)提高了硝化及反硝化菌的濃度，強(qiáng)化了對(duì)氨氮和TN的去除效果。因此，重點(diǎn)考察組合工藝和分項(xiàng)工藝對(duì)氨氮和TN的去除效果。本文對(duì)比A2O工藝、MBBR工藝和A2O-MBBR工藝，在相似進(jìn)水條件下對(duì)氨氮和TN的去除效果，其污染去除率對(duì)比如表2所示。

表2 污染去除率對(duì)比 （mg/L）

結(jié)果顯示，A2O-MBBR組合工藝對(duì)氨氮和TN的去除率優(yōu)于獨(dú)立的A2O工藝和純MBBR工藝，特別適用于處理低碳高氮的農(nóng)村生活污水。

2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

2.2.1 成本分析

本文就不同工藝、相同處理規(guī)模和廠家的一體化設(shè)備成本進(jìn)行對(duì)比分析，在相同條件下，A2OMBBR工藝的設(shè)備成本比MBR工藝低25%~45%，主要表現(xiàn)為MBR膜和填料之間的成本差。

2.2.2 運(yùn)行能耗分析

污水處理的能耗主要為污水提升、污泥回流和曝氣三個(gè)方面[15]。一體化污水處理設(shè)備的運(yùn)行負(fù)荷較低，設(shè)備的噸水運(yùn)行能耗普遍高于城市污水處理廠。此外，處理工藝不同，設(shè)備的能耗也存在顯著差異。

本文比較了MBBR和MBR兩種工藝的運(yùn)行能耗，噸水能耗分別為0.7~0.8 kW·h/m3、1.68 kW·h/m3[18]，兩者差異較大。分析原因，MBR工藝為減少膜污染，膜池風(fēng)機(jī)需持續(xù)、高效運(yùn)行；而MBBR為微動(dòng)力混合池[19]，填料載體不斷切割氣泡，提高了氧的利用率，減少了曝氣量[20]。本文研究的設(shè)備僅使用一臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行生化池的曝氣供氧，同時(shí)利用曝氣余量實(shí)現(xiàn)兩級(jí)混合液回流，無需安裝回流泵，節(jié)能效果良好。

2.2.3 藥耗及污泥處置分析

韓錫友等人[21]研究表明，MBBR工藝將脫氮除磷的泥齡分置和懸浮載體形成了SND，強(qiáng)化了脫氮除磷效果，可適當(dāng)減少混凝劑和碳源的投加量；MBBR工藝的斜管沉淀不同于MBR膜，無需消耗次鈉和檸檬酸等藥劑用于設(shè)備維護(hù)。綜上，MBBR工藝可以有效降低藥劑成本。此外，有研究表明[22]A2O-MBBR工藝的污泥平均產(chǎn)量?jī)H為0.33 kgMLSS/kgCOD，且MBBR生物膜泥齡長(zhǎng)，一般超過30 d[6]，有良好的污泥減量效果。

綜上，A2O-MBBR工藝從投資成本、運(yùn)行能耗、藥耗和污泥減量等方面，均優(yōu)于廣泛應(yīng)用的MBR工藝，可以較大程度節(jié)省成本。

2.3 維護(hù)難度分析

農(nóng)村地區(qū)缺乏專業(yè)的技術(shù)人員，所以在污水處理工藝選擇中，需重點(diǎn)考慮設(shè)備的維護(hù)難度[23]。MBR工藝設(shè)備需要定期對(duì)MBR膜、膜風(fēng)機(jī)和曝氣管進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)周期短、難度大，對(duì)工作人員的專業(yè)性要求較高。我國(guó)已突破MBBR工藝的流化與攔截等技術(shù)難題[6]，一體化A2O-MBBR工藝設(shè)備系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、配套設(shè)備數(shù)量少，技術(shù)維護(hù)周期長(zhǎng)且維護(hù)難度低，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，適用于技術(shù)人員缺乏的農(nóng)村地區(qū)。

3 結(jié)論

（1）A2O-MBBR一體化設(shè)備處理農(nóng)村生活污水，各污染物去除效果穩(wěn)定，尤其是對(duì)氨氮、TP和TN具有較高的去除率，平均去除率分別為99.40%、95.94%和92.96%。

（2）A2O-MBBR工藝的一體化設(shè)備在投資成本、藥耗及污泥減量化等方面均有一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可通過曝氣余量實(shí)現(xiàn)兩級(jí)回流，無需單獨(dú)設(shè)置回流泵，平均運(yùn)行能耗僅為0.7~0.8 kW·h/m3，節(jié)能效果好。

（3）A2O-MBBR組合工藝相較于MBR工藝的設(shè)備維護(hù)周期長(zhǎng)、難度低，可實(shí)現(xiàn)無人值守，具有良好的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。