MBBR技術應用于山區農村生活污水處理的試驗研究

張 敏

（廣東自遠環保股份有限公司，廣東 梅州 514700）

1 移動床生物膜反應器（MBBR ）

移動床生物膜反應器（MBBR）兼具懸浮生長生物處理技術和附著生長生物處理技術優勢，近年來在國內外污水處理廠得到廣泛應用，具有投資少、運維成本小和運行高效穩定等優點[1]，可單獨或與其它工藝組合處理各類工業廢水、城市生活污水，特別是一體化MBBR 污水處理裝置，得到了較廣泛的關注和應用。國內外針對MBBR 處理技術的研究，主要有功能填料開發、生物膜動力學研究、工藝運行條件，以及與MBR 等工藝的組合處理各種污廢水等[2]。其中，從生物膜動力學的微觀反應角度深入研究了生物膜生長情況、生物膜內底物傳質效率和好氧、厭氧微生物菌落分布等，充分證實MBBR 生物膜反應器具有微生物量大、生物膜內可同時存在好氧、厭氧菌有利于硝化反硝化等方面的獨特優勢[3]。

本試驗主要研究探析MBBR 工藝的污泥回流比、曝氣量、水力停留時間等各工況因子對農村生活污水COD、氨氮及總氮等污染物的去除效果影響規律，為工程應用提供理論基礎。

2 試驗裝置及材料

2.1 試驗裝置

本項目實驗裝置示如圖1。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2 實驗材料

實驗中所用主要材料如表1 所示。

表1 主要實驗材料

2.3 儀器設備

實驗中所用主要儀器如表2 所示。

表2 主要實驗儀器

3 試驗結果與討論

3.1 系統的啟動

MBBR 凈化槽系統啟動掛膜階段處理效果如圖2 所示，在系統啟動的過程中，進水的COD 濃度穩定在245～350mg/L，進水的氨氮濃度變化范圍較大。對填料進行觀察，結果表明，投放第一批填料（填充率20%）后約一周時間，填料表面開始生成微生物薄膜，繼續投放第二批填料（填充率40%），1 周后對泥相進行微生物鏡檢，結果看出大量草履蟲、累枝蟲、輪蟲及少量鐘形蟲已在填料表明生成，說明該系統填料載體的生物膜基本達到成熟。與填料微生物膜生長規律對應，反應系統運行2 周后，對COD 的去除效率穩定達到65%左右。從出水氨氮去除效果曲線規律可以看出，相比于對COD 的降解效果，微生物硝化過程相對滯后，但是當系統運行約2 周后，氨氮的去除率也可穩定達到87%以上。COD 和氨氮的去除效果的差異，其原因在于于進水的氨氮變化范圍較大，且硝化細菌的世代周期更長。結合生化系統對COD 與氨氮的去處效果判斷，系統掛膜啟動周期約為2周，通過載體表面生物膜微生物鏡檢，觀測到填料表面生物膜平均厚度約為230 μ m 左右。

圖2 MBBR凈化槽系統啟動掛膜階段處理效果

3.2 污泥回流比對處理效果的影響

作為對微生物的種類和數量分布的重要影響因素之一，污泥回流比對MBBR 凈化槽系統對COD、氨氮等污染物的去除效果很關鍵，其作用主要體現在兩方面：其一，污泥回流可以提高懸浮態活性污泥在系統微生物中的含量，使得系統中懸浮態污泥同生物膜之間的營養爭奪更為劇烈，進而可以改變生化系統內微生物的構成；其二，一定的污泥回流循環有利于對高活性好氧菌群進行固定化，從而促進系統內厭氧/缺氧/好氧菌群的新陳代謝，從而對COD 的去除效率產生重要影響。

污泥回流比對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，系統對COD 去除效率顯著提高，當控制污泥回流比分別為1:10、1:8 和1:6 時，系統對COD 去除率分別提高到71%、82%、76%。需要注意的是，當污泥回流比＞1:4 情況下，系統對COD 的去除率不升反降至55%。原因在于，當污泥回流量在合適范圍內，懸浮污泥回流有效提高了系統微生物菌群含量，從而利于微生物對有機污染物的降解，但是當回流污泥量過大，帶來的水力沖擊對生物膜產生了破壞，從而致使填料表面菌群因營養供應不足而自身消耗，因此系統去除率下降。

圖3 污泥回流比對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，回流污泥對耦合系統的硝化活性起促進作用，三種情況下氛氮去除平均值分別為90%、93%、91%，與無污泥回流效果（去除率為88%）相比略有提高。當污泥回流比提高為1:4 時，由于載體生物膜的分解作用，系統耦合作用明顯弱化，氨氮去除率降至約65%。比較上述懸浮污泥對氨氮與有機廢物的氧化降解，表明采用MBBR 凈化槽處理系統可以有效提高微生物、氧氣和底物三者間的氧化速率，對提高MBBR 工藝有機廢物降解，及穩定氨氮去除有較大促進作用。對兩者影響的差異表明，MBBR 載體有利于硝化細菌的附著生長，具有較高的反應速率；而懸浮污泥具有較高的有機污染物氧化降解速率，耦合系統集兩者特征，優勢明顯。

圖4 污泥回流比對氨氮處理效果的影響

污泥回流比對氨氮處理效果的影響規律如圖5 所示，污泥回流情況下的生化系統氨氮降解效果差異非常明顯。當污泥回流比分別為1:10、1:8、1:6 時，生化系統對總氮的去除率分別達到56%、74%、64%，相比沒有回流污泥工況條件下，總氮的去除效果顯著提高。

圖5 污泥回流比對總氮處理效果的影響

3.3 曝氣量對處理效果的影響

MBBR 工藝凈水效果受曝氣量影響的機制，主要分為兩個方面：其一，經氣液固多相傳遞，參與微生物生化反應的氧氣濃度受曝氣量直接影響；其二，曝氣風量會影響到反應器內填料的懸浮狀態，從而對菌群、填料生物膜及污染物之間的多相傳質速度及接觸概率，對工藝生化處理效果產生決定性影響。曝氣量對COD 處理效果的影響效果曲線如圖6 所示，當曝氣強度由150 L/h 增大到220 L/h 時，試驗前期，工藝COD 去除率由最初的36%迅速增大到55%，不過，待系統穩定運行后，工藝COD 去除率保持在47%左右。進一步分析可知，曝氣量的大小對反應系統COD 去除效率影響嚴重，如，當曝氣量分別為150 L/h、220 L/h、350 L/h 和450 L/h 條件下，系統對COD 去除率分別為45%、48%、53%和54%。當曝氣量提高到350 L/h 以上后，進一步增大曝氣量，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間和水力停留時間的分離，污泥齡較長的硝化細菌得到良好生長環境，工藝硝化效果即對氨氮的去除效果比傳統活性污泥法明顯提高。

圖6 曝氣量對COD處理效果的影響

不同曝氣強度下系統氨氮去除效果如圖7 所示。分析可知，曝氣量由150 L/h 提高到450 L/h 的過程中，系統對氨氮的去除率均在93%左右，甚至達到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度影響較復雜，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，空氣對填料附著生長的微生物膜的剪切力較小，一方面有利于菌落的新陳代謝，但另一方面會減弱微生物、水及污染物之間的物質與能量傳遞，不利于生化反應；較大曝氣量時，空氣對填料附著生長的微生物膜的剪切力較小，一方面會增強微生物、水及污染物之間的物質與能量傳遞，但一方面又會對微生物附著填料表面生長產生不利影響。上述分析可以看出，試驗條件下污水氨氮去除效率受曝氣量的變化影響不大，最適曝氣強度為150 L/h。

圖7 曝氣量對氨氮處理效果的影響

MBBR 系統中填料載體表面微生物膜由厭氧/缺氧/好氧混合菌群構成，因溶解氧、污染物在泥水兩相間傳質規律特征，微生物內層微菌群可實現同步硝化反硝化過程，通過微環境控制，可實現在溶解氧濃度較大情況下的脫碳效果。不同曝氣量對系統總氮去除效果的影響規律如圖8 所示，當曝氣量分別為150 L/h、220 L/h、350 L/h 和450 L/h 時，反應系統對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，系統曝氣量的提高可以促進異養菌的繁殖，增加載體表面附著生物膜的厚度，進而為內層反硝化菌群提供良好生長條件，但值得注意的是，當曝氣量提高到350 L/h 后，曝氣量的繼續增大對總氮的去除效果提升不明顯。

圖8 曝氣量對總氮處理效果的影響

3.4 水力停留時間對處理效果的影響

水力停留時間的長短，直接決定污水中各污染因子進行生化作用的時間長短，并對污染因子去除效果產生直接影響。不同水力停留時間對COD 的去除效果規律如圖9 所示，系統對COD的去除效率受水力停留時間的影響顯著。當HRT 為6 h 時，系統對COD 的去除率僅為23%，HRT 分別提高至8 h、10 h、12 h、14 h 時，系統對COD 的去除率顯著上升，分別增大至為35%、52%、72%和65%，此外，進水水質濃度變化范圍較小條件下，水力停留時間提高到12 h，COD 降解效率繼續提高，但當HRT提高到14h 時候，系統對COD 的去除效果不升反降，原因在于，水力停留時間過度增加，營養供給不足，導致菌群進行內源呼吸引起菌群解體，導致出水COD 不降反升，在試驗過程中，載體表面生物膜量隨HRT 提高到14 h 時，反而減少的規律與上述現象互相印證。氨氮去除效果受HRT 影響規律如圖10 所示，當HRT 為6 h 時，系統對氨氮去除率為77%，HRT 提高至8 h、10 h、12 h、14 h 時，系統對氨氮的去除率分別提高至88%、89%、93%和94%，氨氮去除率受HRT 影響規律特征與COD 相似。分析可知，水力停留時間增大，系統內硝化細菌進行硝化反應的時間隨之延長，氨氮去除率隨之提高，實驗結果可知，當HRT 提高至12 h 后，系統對氨氮的去除率基本上不再提高。水力停留時間變化對總氮的影響規律如圖11 所示，當HRT 為6 h 時，系統對總氮的去除率僅為5%，當將HRT 提高到8 h 時，系統對總氮的去除率立即增至21%，繼續提高HRT 至10 h、12 h、14 h 時，系統對總氮去除率依次增至29%、39%和28%。分析可知，硝態氮的反硝化程度和速率很大程度上取決于水力停留時間，停留時間的延長可以增強反硝化菌對硝態氮的反硝化作用，但是如果水力停留時間過長，反而會導致反硝化過程所需碳源的供給不足，總氮去除效率提高緩慢，甚至出現總氮去除率不升反降的現象。本試驗條件下，可同步實現反應系統硝化及反硝化脫氮功能的最佳水力停留時間為12 h。

圖9 水力停留時間對COD處理效果的影響

圖10 水力停留時間對氨氮處理效果的影響

圖11 水力停留時間對總氮處理效果的影響

4 結語

（1）采用MBBR 技術對農村生活污水處理過程，各工況因子中，污泥回流比對系統COD、氨氮及總氮去除效果的影響最為顯著。

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

（3）污水COD、氨氮及總氮的去除效率受曝氣量及水力停留時間的影響不如受污泥回流顯著，同時，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律呈現較大差異性。

實際工程運行數據表明，使用本項目技術研發的污水處理技術，出水COD、氨氮、總磷等污染物得到了有效去除，且污水站運維簡便、高效節能，出水穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級B 標準，這是一項農村地區真正“建得起、用得起、用得好”的技術。