MBBR工藝在農村生活污水處理中的應用

姚寧波 周 凱 李 東 於勝洪 黃青飛 徐玉璐 駱靖宇

(1.安徽舜禹水務股份有限公司,合肥 231131;2.蘇州首創嘉凈環保科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215126)

隨著村鎮經濟發展和居民生活水平提高,農村生活污水排放量不斷增加,我國農村人口眾多且分散,加之污水處理技術匱乏及設施建設滯后,未經有效處理過的污水直接排入生活環境中,對農村的生態環境造成了極大破壞。“十三五”以來,國家高度重視農村地區的環境整治提升工作,先后頒布了《全國農村環境綜合整治“十三五”規劃》《農村人居環境整治提升五年行動方案(2021-2025年)》等政策文件。為推進農村人居環境改善,2018年江蘇省質量和標準化研究院牽頭制定了《農村生活污水處理導則》(GB/T 37071-2018),從農村生活污水的收集、處理、排放等方面給出了指導性意見。2019年住建部制定了《農村生活污水處理工程技術標準》(GB/T 51347-2019),規范了農村生活污水處理工程的建設、運行、維護及管理。

我國地域遼闊,居民生活習慣、區域環境容量、經濟發展狀況差異較大,目前主管部門尚未在國家層面對農村生活污水排放制定統一的國家標準,各地區根據污水處理設施處理規模、污染物性質、排入水域的環境功能等逐步制定了適宜自身環境保護目標的地方標準。不同地域的農村污水水質特點及排放標準不同,各地采取的污水處理工藝不盡相同。當前我國農村地區污水處理的主要工藝和設施有:化糞池[1]、人工濕地[2]、穩定塘[2]、生物濾池[3]、生物接觸氧化池[4]、移動床生物膜反應器(MBBR)[5-7]、序批式生物反應池(SBR)[8]、膜生物反應器(MBR)[9]等,每種工藝技術都有其特點和適用性。MBBR工藝因具有活性污泥法的高效性和靈活性,同時具有生物膜法耐沖擊負荷、泥齡長、剩余污泥少的優點,目前MBBR工藝在分散型的農村生活污水治理中被廣泛應用[5-7]。

1 MBBR工藝

移動床生物膜反應器(Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)工藝開發于20世紀80年代中期,是一種集懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜法的特點于一體的新型污水處理工藝,其原理為將密度接近于水、可懸浮載體填料投加到反應器中作為微生物生長載體(填料填充率35%～60%之間)[10],填料通過曝氣或者機械擾動處于流化狀態后與污水充分接觸,從而使污水中的有機污染物得到降解,反應器的出水端設置過水濾網,將懸浮填料截留在反應器內,處理后的水進入下一單元。

1.1 結構組成[10-12]

MBBR工藝分為好氧和缺氧兩種類型,其中好氧MBBR池由反應池體、懸浮填料、曝氣裝置、出水濾網等部分組成;缺氧MBBR池不設曝氣裝置只設攪拌混合裝置。

(1)反應池體:可設計成圓形或矩形,好氧MBBR池采用鼓風底部曝氣,缺氧MBBR池安裝攪拌器或者采用粗泡曝氣進行混合。

(2)懸浮填料:懸浮填料是MBBR工藝的重要組成部分,填料的表面性能(表面粗糙度、表面電位、親水性)、水力學性能(孔隙率、形狀尺寸)及流化性能直接關系到系統的應用和處理效果。懸浮填料多由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫體等制成,耐腐蝕和耐磨性較好,密度接近于水(0.95～0.98 g/cm3)[10]。

(3)截留濾網:常用的出水截留濾網包括垂直固定的不銹鋼平板網和水平放置的楔形不銹鋼絲網。網面底部設置曝氣擾動裝置或攪拌器,避免填料和雜物在網面堆積,影響正常過水。

1.2 工藝特點[13-16]

(1)硝化速率高。附著生長在懸浮載體中的長泥齡生物膜為硝化菌提供了有利的生存環境,污泥負荷遠低于單純的活性污泥工藝,處理效率更高。

(2)有機物去除率高。附著在載體表面及內部的微生物數量大、種類多,一般情況下反應器內污泥濃度為普通活性污泥法的5～10倍,有機物去除效率高[17]。

(3)脫氮效果好。填料由外向內形成好氧、缺氧和厭氧的微環境,硝化和反硝化反應在一個反應器內發生,脫氮效果好。

(4)易于維護管理。填料易于掛膜,不結團、不堵塞、脫膜容易。無須設置填料支架,便于對填料以及池底的曝氣裝置的維護,節省投資。

2 MBBR在農村生活污水處理中的應用

2.1 項目概況

蘇北某縣鄉村污水處理場站主要處理村莊居民生活污水,設計處理規模為800 m3/d,采用多組一體化污水處理設備并聯組合處理,單臺一體化設備設計處理能力為75 m3/d,設計進、出水水質如表1,出水相關水質指標要求達到GB18918-2002一級A標準。

表1 設計進、出水水質

2.2 工藝流程

污水經格柵后進入調節池,經格柵攔截去除較大的懸浮物或漂浮物,并在調節池內均質均量后,由提升泵提升至一體化污水處理設備內進行處理,出水經紫外消毒后達標外排。一體化污水處理設備主體工藝采用兩段AO工藝,工藝流程如圖1。

圖1 一體化污水處理設備工藝流程

污水由提升泵泵入設備后,分別經過兩段AO生物處理段、生化沉淀段、除磷反應區及物化沉淀段,在缺氧區及好氧區均填充缺氧填料和好氧填料,豐富微生物的種類、保障生物量;在生化處理段后設置了除磷反應區,由加藥泵泵入的PAC藥劑在此充分與污水中的正磷酸鹽混合反應后進入物化沉淀區,物化沉淀區設置斜管強化對物化污泥的沉淀分離。

2.3 設備設計參數

一體化污水處理設備的設計處理能力為75 m3/d,總有效容積80.38 m3,其中生化段停留時間為19.34 h。缺氧池1和缺氧池2投加聚氨酯懸浮球填料,填充率為40%;好氧池1投加PE填料,好氧池2投加聚氨酯填料,填充率均為45%。污水在缺氧池1和缺氧池2中的總停留時間為8.55h,在好氧池1和好氧池2中的總停留時間為10.79 h,BOD5填料容積負荷為0.6 kg/(m3·d)。混合液回流比控制在180%～280%,設備共有9臺氣泵(200 L/min,20 kPa,210 W)作為曝氣、攪動及回流等動力來源,混合液回流和剩余污泥排放均采用氣提方式。

2.4 調試運行

一體化污水處理設備獨立進水,調試、運行,以其中一臺設備為例,介紹單臺一體化設備對污染物的去除效果。設備采用接種市政污泥的方法啟動,自6月28日、6月30日兩次投加附近城鎮污水處理廠脫水污泥(含水率約83%)合計約1噸,換算成污泥濃度約為2800 g/m3,設備連續進水,曝氣常開。

設備運行20天后隨機取懸浮填料,用水洗脫、靜置,取底部泥樣鏡檢,填料掛膜及微生物生長情況如圖2。污泥絮體中黃褐色的菌膠團可見,菌膠團結構緊密,邊緣清晰,呈封閉狀。原生動物中鐘蟲、累枝蟲等固著型纖毛蟲較多,楯纖蟲、表殼蟲可見,鐘蟲為優勢生物,后生動物輪蟲也有觀察到,系統填料掛膜良好,生物量豐富,污水凈化效果好。

圖2 設備填料掛膜及鏡檢

2.4.1 COD去除效果分析

7月9日至8月31日對設備進、出水COD取樣檢測了20次,期間設備平均進水量為68.1 t/d,進水COD平均值144.1 mg/L,最高218.2 mg/L,最低60.2 mg/L,出水COD平均值34.19 mg/L,最高46.7 mg/L,最低15.1 mg/L,平均去除率72%,出水COD穩定達標,見圖3。生物池投加填料后,在曝氣攪動下,填料呈流化狀態,氣流通過填料的特征流動通道空間時被切割成更小的氣泡,延長了氣泡在水中的停留時間,提高了傳氧效率,在與污水和氣泡的充分接觸過程中,填料表面形成一層穩定的生物膜,從而有機物被高效去除[18]。

圖3 設備COD去除效果

2.4.2 NH3-N去除效果分析

7月9日至8月31日對設備進、出水NH3-N取樣檢測20次,期間設備平均進水量為67.5 t/d,設備進水NH3-N平均值52.6 mg/L,最高86.8 mg/L,最低17 mg/L,出水NH3-N平均值1.5 mg/L,平均去除率97.2%,期間出水NH3-N除在7月17日、7月29日及8月1日出現超標,其數值分別為6.5 mg/L、6.3 mg/L、7.96 mg/L,其他時間出水NH3-N均達標,見圖4。分析7月17日設備處理水量為70.8噸,出水NH3-N超標的原因可能是當日NH3-N進水濃度高(77.9 mg/L),且處理水量接近設備設計值,NH3-N負荷較高;7月29日、8月1日出現出水NH3-N超標的原因是期間設備好氧池1和好氧池2均有1臺氣泵故障,影響了設備的充氧和硝化反應的速率。

圖4 設備NH3-N去除效果

MBBR法污水處理工藝中微生物大量附著在載體表面生長,某種程度上實現了污泥齡和水力停留時間的分離,有利于世代周期長的微生物如硝化菌在系統內持留[19];另外,由于氧的擴散(傳遞)限制,溶解氧在生物膜的不同厚度形成好氧區和厭氧區,使得短程硝化及厭氧氨氧化反應成為可能,提高了系統NH3-N的去除率[18]。

2.4.3 TP去除效果分析

7月29日至9月14日對設備進、出水TP取樣檢測了24次,期間設備平均進水量為71.3 t/d,設備進水TP平均值3.1 mg/L,最高5.17 mg/L,最低1.91 mg/L。7月29日至8月25日期間設備出水TP較高,出水平均值為2.83 mg/L,平均去除率22.2%,出水TP未達標;9月1日至9月14日期間設備出水TP平均值為0.14 mg/L,平均去除率94.7%,出水TP達標,見圖5。

圖5 設備TP去除效果

分析7月29日至8月25日期間設備出水TP較高的原因是一體化設備內部各格室容積有限,回流攜帶的硝態氮、溶解氧以及相鄰好氧格室之間的返混,設備內基本不存在厭氧環境,難以滿足生物除磷的條件且設備排泥頻次低。一般微生物由于維持生命活動攝取的污水中磷的含量占污水中總磷含量的5%～20%[13],此期間出水TP的少量去除的原因主要是微生物的同化作用。

9月1日至9月14日設備在混凝加藥池投加PAC,9月7日進水量為69.2噸,PAC投加量為131.1 mgPAC(30%)粉末/L污水,出水總磷為0.04 mg/L,9月14日進水量為74.2噸,PAC投加量為93.6 mgPAC(30%)粉末/L污水,出水總磷為0.46 mg/L,TP達標建議投藥量為100 mgPAC(30%)粉末/L污水。

2.4.4 TN去除效果分析

7月14日至9月26日對設備進、出水TN取樣檢測了15次,期間設備平均進水量為74.9 t/d,設備進水TN平均值53.7 mg/L,最高76 mg/L,最低41 mg/L(圖6)。其中7月14日、7月24日、8月1日、8月8日,設備進水端未投加碳源,其COD/TN分別為2.81、1.05、3.99、2.45,出水TN的去除率分別為36.84%、26.03%、32.65%、40.68%,平均去除率為34.05%;8月15日至9月26日的10次調試中,進水端投加食品級葡萄糖作為補充碳源。8月15日,COD/TN提升至11.20,出水TN去除率為80.00%;9月8日,COD/TN提升至8,出水TN去除率為68.89%;9月10日,COD/TN提升至10.69,出水TN去除率為76.60%。投加碳源后,進水的COD/TN平均值提升到9.5,出水TN的平均去除率增加到65.2%,最高去除率達到80%。TN去除受進水水質(碳氮比)、溶解氧、回流比、生物量(生物膜生長情況)等眾多因素影響,此項目中進水碳氮比偏低是TN去除率低的一個重要原因。

圖6 設備TN去除效果

3 結論

(1)MBBR工藝對有機物和NH3-N的去除效率高,COD的平均去除率為72%,NH3-N的平均去除率為97.2%,出水COD和NH3-N滿足GB18918-2002一級A排放標準。

(2)MBBR工藝對TP的平均去除率為22.2%,去除能力有限,出水TP的穩定達標需輔以化學除磷手段,建議的除磷藥劑投加量為100mg/L。

(3)MBBR工藝對TN的去除率最高可達80%,碳源不足是TN去除效果差的重要限制因素。