任彦强，赵雪莲，李宗慧，邢成良

(1.桑德集团有限公司，北京 101102;2.北京伊普国际水务有限公司，北京 101102)

移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor，MBBR)工艺是中国20世纪80年代中期以来得到开发和应用的一种高效的污水处理技术，弥补了传统活性生物膜工艺的不足［1-3］。MBBR工艺的技术关键在于采用了密度接近于水的悬浮生物填料，轻微搅拌或曝气环境下易于随水自由运动，直接投加在好氧曝气池中即可实现填料在池体中均匀流化，气、液、固三相充分接触，有机污染物被快速降解［4-5］。

随着中国政府对污染物排放指标的要求日趋严格，大部分污水处理厂，尤其是内湖、重要河流及临海区域的污水处理厂大多被强制要求出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级 A标准，所以升级改造工作势在必行［6-7］。由于MBBR工艺具有占地小、处理效率高、投加简单方便等优点，非常适合现有污水处理厂的升级改造。

本实验选择MBBR应用中占有较高投资比例的组分——悬浮填料为研究对象，采用自制高分子合金材料为原料，制备出直径为25 mm、高为10 mm、密度为0.98 g/mL的蜂窝筒状填料，此悬浮填料具有高效、无二次污染的特点。采用自制悬浮填料，与国内3种相近形状、材质填料进行现场挂膜启动实验及低温污水处理性能实验，进行对比研究。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验反应器采用有机玻璃制造，外形尺寸为30 cm×30 cm×40 cm，有效容积为25 L，共计4个;在反应器底部设有曝气头;通过流量计控制调节各个反应器，控制溶解氧和曝气量一致。填料填充率为30%(体积分数)。实验装置如图1所示。

图1 实验室MBBR装置图Fig.1 Drawing of MBBR installation in laboratory

1.2 实验用悬浮填料

本实验选用的合金悬浮填料系自主开发的新型填料，主要原料采用亲水高分子、疏水高分子、密度调节助剂等制备的高分子合金材料，通过熔融挤出设备加工成蜂窝状。市场采购3种形状、大小近似的聚乙烯(HDPE)蜂窝填料作为实验对比。4种悬浮填料具体技术参数见表1。

表1 4种悬浮填料技术参数对照表Tab.1 Technical parameter table of four kinds of suspended filler

1.3 实验用废水水质

取用北京市某污水处理厂初沉池出水作为实验用水。实验室测试初沉池出水各项指标数据如表2所示。

表2 初沉池出水水质Tab.2 Effluent water quality at the primary settling tank

1.4 实验过程

1.4.1 挂膜启动实验

取4种填料样品，分别放入同样大小的网笼中，将该网笼置于北京市某污水处理厂曝气池中进行挂膜，污泥质量浓度为3 000～5 000 mg/L;挂膜时间为10月底，每隔7～10 d将填料取回，置于实验室MBBR曝气系统中连续运行6 h，测定反应器进、出水COD、氨氮值并计算其去除率。当实验室测试出水样品COD去除率大于70%，氨氮去除率大于50%时，则认为填料挂膜成功;每周通过电子显微镜观察一次生物膜上的微生物相。

1.4.2 低温运行实验

悬浮填料在污水处理厂挂膜成功后，分别将4种填料置于平行的4组曝气反应器中，填充率为30%，平均温度为12℃，使用某污水处理厂初沉池出水(不含污泥)，连续运行8 h，每2 h取样测定COD和氨氮值。

1.5 分析测试方法

本实验填料挂膜与运行过程遇到的各项指标分析方法及使用仪器如表3所示［8］。

表3 实验指标分析方法及使用仪器Tab.3 Experimental index analysis method and instrumentation

2 结果与讨论

2.1 填料亲水性比较

实验采用JGW-360B亲水角仪测定填料平滑表面滴水润湿角，来判定填料的亲水性。分别剪取每个样品光滑度接近的内部筋条4片，测定2个润湿角数据后取平均值。

实验中发现，4种填料的润湿角都小于90°，从小到大顺序为样品1＜样品2＜样品3＜样品4。实验所用4种填料的润湿角测试结果如表4所示。

表4 4种填料润湿角比较Tab.4 Four kinds of packing wetting angle

自制填料(样品1)的亲水性明显要好于其他样品，分析原因是由于自制填料(样品1)配方中使用特殊的亲水材料组分，有利于悬浮填料表面活性污泥的附着、生长。根据相关产品厂家提供的技术资料，样品4以纯聚乙烯为原料，未添加其他亲水组分，所以样品4的润湿角最大。

2.2 挂膜启动实验效果比较

取4种填料样品，分别置于网笼中，并将该网笼置于北京市某污水处理厂曝气池中进行挂膜启动实验。具体操作步骤详见1.4.1部分内容。实验结果如图2和图3所示。

从图2可以看出，4种填料挂膜期间COD去除率呈现降低的现象。分析其原因，是由于现场曝气池中的挂膜填料被限制在网笼内，流化效果差，填料表面的多余污泥无法及时去除，填料携带的老、死污泥引入COD物质到实验室MBBR体系中，造成悬浮填料在实验室的COD去除率降低。发现这个问题后，笔者增加了前处理过程，即对实验室中的挂膜填料强制曝气以去除多余的污泥，所以后期实验室测定4种填料的COD去除率呈现正常增加的趋势。

图2 挂膜启动实验COD去除率随时间变化Fig.2 COD removal rate changes over time in hang film start experiment

图3 挂膜启动实验氨氮去除率随时间变化Fig.3 NH3-N removal rate changes over time in hang film start experiment

经过约一周的培养后，填料表面已有少量生物膜出现，且颜色略黄。自制填料(样品1)较其他样品填料更快地在其表面挂满生物膜，并且，自制填料(样品1)的COD、氨氮去除率在30 d左右达到挂膜成功的标准(即COD去除率大于70%，氨氮去除率大于50%)，启动时间比其他样品填料缩短10 d左右。其原因可能是自制填料(样品1)配方中使用了更多的亲水组分，更有利于微生物的附着及存活。

用显微镜观察COD、氨氮去除率达标后的填料表面，发现表面生物膜呈黄褐色，且具有较明显的泥腥味。同时生物相也较丰富，出现较多的钟虫和轮虫等多种生物。

2.3 低温处理生活污水的效果比较

2.3.1 COD处理效果比较

将4种填料样品分别装入4个平行反应器中，并加入同批次的北京市某污水处理厂的初沉池出水(ρ(COD)=177 mg/L，ρ(氨氮)=44 mg/L)作为反应器进水，在平均温度为12℃条件下，每2 h取样，计算残留COD值及COD去除率。4种填料对COD的处理效果数据如表5所示。

表5 4种填料样品对COD的处理效果(8 h)Tab.5 COD treatment effect of four kinds of packing sample after 8 hours

从表5可以看出，4种填料样品8 h COD去除率大小顺序为样品1＞样品4=样品3＞样品2。样品1为自制悬浮填料，其去除率最高，说明采用合金材料配方，对填料COD降解性能的提升有帮助。

4种悬浮填料低温COD降解情况如图4所示，随着MBBR运行时间的延长，COD值逐渐降低，前期速率较后期快;自制填料(样品1)对COD降解速率稍微好于其他填料。所有填料对COD的去除率都超过70%。分析原因:4种填料外形与比表面积都比较接近，填料附着生物总量的能力也比较接近，数量接近的有效活性污泥量对同样污水COD的降解速率也就接近。

图4 4种填料对COD处理效果的比较Fig.4 COD treatment effect comparison for four kinds of packing

2.3.2 氨氮处理效果比较

将4种悬浮填料样品装入4个平行反应器中，一次性加入同批次的北京市某污水处理厂初沉池出水(ρ(COD)=177 mg/L，ρ(氨氮)=44 mg/L)作为反应器的进水，在12℃条件下，每2 h取样测试，计算残留的氨氮值及氨氮的去除率。4种填料对氨氮的处理效果数据如表6所示。

图5 4种填料对氨氮的处理效果比较Fig.5 Ammonia treatment effect comparison for four kinds of packing

表6 4种填料对氨氮的处理效果(8 h)Tab.6 Ammonia nitrogen degradation effect for four kinds of packing after 8 hours

从图5中曲线倾斜情况可以看出，相同条件下，4种填料处理生活污水中氨氮的降解速率各不相同，次序为样品1＞样品2＞样品3＞样品4。实验说明自制填料(样品1)，在12℃，30%(体积分数)填充率的条件下，8 h氨氮残留指标达到一级 A标准。

通过计算获得4种悬浮填料对氨氮的去除率，如表6所示。可知，自制填料(样品1)氨氮8 h的去除率为99%，而样品4氨氮去除率只有81%。这说明自制悬浮填料上附着活性污泥具有更好的硝化效果。

2.4 填料上附着生物膜量测定

取一定数目填料于称量瓶中，105℃烘干至恒重，称重;然后进入1 mol/L的NaOH溶液中，在60～80℃条件下处理30 min，再超声处理30 min，洗净后于105℃下烘干至恒重，2次质量之差即为所取填料上的生物膜总质量［9］。经过测试得出4种填料的生物膜量数据如表7所示。

表7 4种填料的生物膜量Tab.7 Amount of biofilm for four kinds of packing

各填料的生物膜量有所不同。样品1填料上的生物膜量相对其他填料要多些，而样品4填料上的生物膜量最低。数据也证明，自制悬浮填料具有更高的微生物膜附着能力。样品3填料上的挂膜量接近样品1，说明样品3所用原材料也具有很强的微生物辅助性能。

3 结语

1)实验结果表明，自制填料(样品1)的亲水性最好(润湿角最小);

2)通过现场挂膜启动实验说明，自制悬浮填料挂膜更快，启动时间为30 d，比其他填料缩短10 d左右;

3)自制悬浮填料在平均温度为12℃、填充率为30%的实验室条件下，8 h曝气对北京市某污水处理厂初沉池出水的COD去除率为77%，氨氮去除率为99%;其对生活污水低温处理效果优于同类产品;

4)使用高分子合金材料制备的悬浮填料，提高了表面活性微生物的附着能力，有助于提高MBBR工艺的处理效果。

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