應用MBBR工藝處理農田尾水的填料及參數優選

張友德 黃鴻飛 張文祥

（安徽新宇環保科技股份有限公司 安徽合肥 230031）

引言

據全國第二次污染源普查公告顯示，畜禽養殖業、種植業以及水產養殖業等農業生產排放的化學需氧量、氮、磷等主要污染物量，已遠超工業與居民生活污染源，其中農業生產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]。農業面源污染已成為我國水體富營養化、水體污染的重要原因，對農業面源污染的控制及治理已成為我國水環境治理的重中之重，也是污染防治攻堅戰及現代農業的重要課題。農田尾水作為農業面源污染的主要載體，傳統工藝難以應對其水量較大的緊急情況[2]。農田尾水是指在灌溉、降雨或地下水供應的情況下從農田中流出的地表徑流，屬于農田中的余水。在農業生產過程中，化肥、農藥、農田土壤顆粒物和其它有機或無機污染物通過地表徑流、農田排水與灌溉、降雨等一起進入地表或地下水體，造成嚴重污染。

農田尾水具有面廣量大、排放無序、水質不穩定、C/N（碳氮比）相對較低等特點[2][3]。針對農田尾水離田后的攔截處理技術包括：植被緩沖帶、穩定塘、人工濕地、前置庫、生態攔截溝渠、生態田埂等。然而有研究表明，在農業生產過程中，雨季或突發性雨天農田尾水排放時，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較多弊端，如易受環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對農業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，出水水質穩定，處理效率高，并且性能穩定[5][6]。針對雨季或突發性雨天農田尾水的排放，運用MBBR 反應器對農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選，對農田尾水處理發展具有重要意義。

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，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）調節流量。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人工配置的農田尾水，其中TN 濃度為15mg/L，TP 濃度為3mg/L，碳氮比約為6。進水方式為連續進水，進水通過蠕動泵（KCPPRO3-N40 上海卡默爾），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，具體參數見表1。

表1 填料參數表

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，在最佳參數的條件下用三種不同的填料進行實驗。填料在裝置內的填充率恒為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 軟件處理和分析數據。

2 結果與討論

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，繼續提高水力停留時間，此時硝化細菌與聚磷菌形成競爭，營養物越來越少，微生物可能出現負增長，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系統具有較好的除磷效果，出水TP 可以穩定達到國家一級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。對污水處理系統中的好氧單元，需提供充足的氧氣，讓好氧菌充分發揮作用，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，整個系統呈現缺氧或厭氧狀態，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%。可知PPC 聚氨酯填料對氮磷去除效果最佳，聚氨酯填料略優于聚乙烯填料。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，在曝氣狀態下更易處于流化狀態。結構是PPC 聚氨酯填料與一般的聚氨酯海綿載體最顯著的區別，PPC 聚氨酯填料呈現的是墻體結構，聚氨酯活性填料是肋狀結構，墻體結構吸水作用更好，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于其它填料[8][9]。

結語

控制水力停留時間分別為4h、6h、8h、10h 處理農田尾水。得出結論：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。控制曝氣量分別為2L/min、4L/min、6L/min、8L/min 處理農田尾水。得出結果：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 聚氨酯填料處理農田尾水。發現：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%。鑒于我國農業的機械化、集約化水平較低，農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。繼續開展農田尾水污染減量的研究會給我國水體治理、流域水環境達標等提供參考價值。