A2O-MBBR工藝在農村生活污水處理中的應用

張 茗，羅 松，黃 銘

（成都空港環境投資有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

農村生活污水具有污染面廣、成分復雜、分散且不易收集等特點[1]，導致水量和水質的變化均有別于市政生活污水。農村生活污水的水量波動幅度大，排水變化系數達3.0~5.0[2]，間歇排放明顯；水質則總體呈現出高氨氮、低C/N的特點，且受季節和天氣的影響較為顯著。

農村生活污水的水量不穩定、污水處理設備的有效利用率相對較低，采用高投資的“管網+污水處理廠”模式會造成資金的大量浪費。近年來，一體化污水處理設備建設迅猛發展，此類設備高度集約，能充分發揮占地少、投資省、靈活性強、管理方便、運行費用低等優勢，適用于處理農村生活污水。

目前，膜生物反應器（MBR）在農村污水處理中有較多應用，但膜使用周期短、運行成本高和維護難度大等問題亟待解決[3]；人工濕地等生態措施的投資省、噸水能耗低[4]，但其占地面積大、衛生條件差、易堵塞和處理效率低等缺點阻礙其廣泛應用。移動床生物膜反應器（MBBR）是在KMT公司與挪威的SINTEF研究機構合作開發的[5]，可在不新增占地的情況下，多路徑實現傳統工藝的升級改造[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廢水處理中也有較多應用[9]，提高了系統耐沖擊負荷和脫氮除磷能力。

A2O-MBBR工藝兼具傳統A2O工藝可調性強、彈性好的特點和MBBR工藝處理效率高、抗沖擊能力強的優勢，尤其適用于處理水質水量波動幅度大的農村生活污水。陽艷等[10]利用A2O-MBBR工藝一體化設備，低成本處理農村生活污水，出水各項指標穩定達到《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準。研究表明，A2OMBBR一體化污水處理設備占地小、運行成本低、適應性強、運行穩定且運行維護方便，在農村生活污水治理中應用前景廣闊，有良好的推廣價值。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

設備設計處理量100 m3/d，主體裝置由碳鋼撬裝而成，主要由池體、風機、在線儀表、加藥裝置、高密度聚乙烯（HDPE）填料、控制系統及其各類管道組成。設備池體間設置隔板，將池體劃分為厭氧區、缺氧區、好氧區等功能區域。

A2O-MBBR工藝流程如圖1所示，污水經調節池依次進入厭氧區、缺氧區、好氧區和斜管沉淀區，在好氧區投加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，內部由十字架支撐，外壁帶豎條狀鰭翅。通過回轉式風機實現厭氧區、缺氧區的混合液攪拌和好氧區的曝氣供氧，好氧區內的水流和氣流帶動填料載體在池體內呈流化狀態，水、氣、固三相混合提高了傳質和傳氧效率[11]。好氧區的混合液一部分回流至厭氧區進行反硝化脫氮，一部分進入斜管沉淀區進行泥水分離；沉淀區的污泥部分回流至厭氧區補充污泥量，剩余污泥則排放至儲泥池。

圖1 A2O-MBBR一體化設備工藝流程圖

1.2 試驗水質

試驗在西南地區某一體化污水處理設備進行，進水為周邊居民的生活污水，試驗期間設備運行良好，每7 d進行2次采樣和水質檢測，采樣時間為上午10時，連續采樣一個月，進、出水分別在調節池和出水渠取樣。具體試驗水質，見表1。

表1 試驗原水水質 (mg/L)

1.3 工藝運行參數

工藝主要運行參數，總水力停留時間為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

分析項目包括化學需氧量（COD）、氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）。測定方法均采用《水和廢水監測分析方法》（第四版）的標準方法測定。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 結果與討論

2.1 去除效果分析

2.1.1 COD去除效果

有機物（用COD表征）作為異養好氧菌和反硝化菌等的電子供體，有機物越充分，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]。有機物是細菌代謝必需的營養物質和能量來源，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，設備進水COD濃度為79~169 mg/L，平均濃度120.63 mg/L。整體進水濃度較低可能與采樣時間有關，農村生活污水總體呈現出夜間和早間的COD濃度低于其他時間段的特點。出水COD濃度均滿足《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》（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；另一方面，該設備的填料為好氧池容積的20%，填充比相對較低。有研究表明[13]，在填充比介于20%~50%時，COD去除率和填充比呈正相關。

2.1.2 氨氮去除效果

好氧池中投加的每個填料，均為一個獨立的反應器，其表面DO濃度較高，有利于硝化菌的富集和繁殖。因此與傳統活性污泥法相比，A2OMBBR工藝提高了硝化菌的濃度，強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，該設備的進水氨氮最高濃度為30.1 mg/L，平均濃度為22.23 mg/L。該工藝對氨氮的去除效果穩定，出水氨氮濃度均低于0.25 mg/L，達到《GB 3838-2002地表水環境質量標準》II類水標準（0.5 mg/L），當月平均去除率為99.40%，高于相似進水條件下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村生活污水。

2.1.3 TP去除效果

一體化設備的池容較小，MBR工藝由于膜池內高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工藝后端的沉淀池無需曝氣，可以嚴格控制系統各段的DO濃度，為聚磷菌的釋磷和攝磷創造了良好條件。此外，該工藝的泥膜復合系統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，進水TP濃度為1.16~3.10 mg/L，平均濃度為2.21 mg/L；設備主要通過生物除磷、輔助化學除磷，出水TP的平均濃度為0.09 mg/L，穩定達到《DB 51/2311-2016四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》（0.3 mg/L），平均去除率達到95.94%，除磷效果較好。

2.1.4 TN去除效果

反硝化菌為異養菌，TN的去除與進水的C/N密切相關。試驗期間進水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，試驗期間進水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準》（10 mg/L），去除TN的效果顯著，明顯優于Engelbart SST一體化設備對TN的去除效果[15]。分析原因，生物膜內外存在DO濃度差，生物膜表面生長有硝化菌等好氧菌，在生物膜內部，厭氧的反硝化菌等則成為優勢菌種；生物膜內外優勢菌種的差異，實現了同步硝化反硝化（SND），強化了脫氮效果[16]。

2.1.5 不同工藝對污染去除情況的分析

A2O-MBBR工藝在低碳高氮的工業廢水和農村污水中應用良好。A2O-MBBR組合工藝相較于A2O傳統工藝和MBBR工藝，最大的優勢在于泥膜復合系統提高了硝化及反硝化菌的濃度，強化了對氨氮和TN的去除效果。因此，重點考察組合工藝和分項工藝對氨氮和TN的去除效果。本文對比A2O工藝、MBBR工藝和A2O-MBBR工藝，在相似進水條件下對氨氮和TN的去除效果，其污染去除率對比如表2所示。

表2 污染去除率對比 （mg/L）

結果顯示，A2O-MBBR組合工藝對氨氮和TN的去除率優于獨立的A2O工藝和純MBBR工藝，特別適用于處理低碳高氮的農村生活污水。

2.2 經濟指標分析

2.2.1 成本分析

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

2.2.2 運行能耗分析

污水處理的能耗主要為污水提升、污泥回流和曝氣三個方面[15]。一體化污水處理設備的運行負荷較低，設備的噸水運行能耗普遍高于城市污水處理廠。此外，處理工藝不同，設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，膜池風機需持續、高效運行；而MBBR為微動力混合池[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]。本文研究的設備僅使用一臺風機進行生化池的曝氣供氧，同時利用曝氣余量實現兩級混合液回流，無需安裝回流泵，節能效果良好。

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，強化了脫氮除磷效果，可適當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備維護。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工藝的污泥平均產量僅為0.33 kgMLSS/kgCOD，且MBBR生物膜泥齡長，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、運行能耗、藥耗和污泥減量等方面，均優于廣泛應用的MBR工藝，可以較大程度節省成本。

2.3 維護難度分析

農村地區缺乏專業的技術人員，所以在污水處理工藝選擇中，需重點考慮設備的維護難度[23]。MBR工藝設備需要定期對MBR膜、膜風機和曝氣管進行維護，維護周期短、難度大，對工作人員的專業性要求較高。我國已突破MBBR工藝的流化與攔截等技術難題[6]，一體化A2O-MBBR工藝設備系統流程簡單、運行穩定、配套設備數量少，技術維護周期長且維護難度低，可以實現無人值守，適用于技術人員缺乏的農村地區。

3 結論

（1）A2O-MBBR一體化設備處理農村生活污水，各污染物去除效果穩定，尤其是對氨氮、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工藝的一體化設備在投資成本、藥耗及污泥減量化等方面均有一定優勢，同時可通過曝氣余量實現兩級回流，無需單獨設置回流泵，平均運行能耗僅為0.7~0.8 kW·h/m3，節能效果好。

（3）A2O-MBBR組合工藝相較于MBR工藝的設備維護周期長、難度低，可實現無人值守，具有良好的發展前景和推廣價值。