张 敏

（广东自远环保股份有限公司，广东 梅州 514700）

1 移动床生物膜反应器（MBBR ）

移动床生物膜反应器（MBBR）兼具悬浮生长生物处理技术和附着生长生物处理技术优势，近年来在国内外污水处理厂得到广泛应用，具有投资少、运维成本小和运行高效稳定等优点[1]，可单独或与其它工艺组合处理各类工业废水、城市生活污水，特别是一体化MBBR 污水处理装置，得到了较广泛的关注和应用。国内外针对MBBR 处理技术的研究，主要有功能填料开发、生物膜动力学研究、工艺运行条件，以及与MBR 等工艺的组合处理各种污废水等[2]。其中，从生物膜动力学的微观反应角度深入研究了生物膜生长情况、生物膜内底物传质效率和好氧、厌氧微生物菌落分布等，充分证实MBBR 生物膜反应器具有微生物量大、生物膜内可同时存在好氧、厌氧菌有利于硝化反硝化等方面的独特优势[3]。

本试验主要研究探析MBBR 工艺的污泥回流比、曝气量、水力停留时间等各工况因子对农村生活污水COD、氨氮及总氮等污染物的去除效果影响规律，为工程应用提供理论基础。

2 试验装置及材料

2.1 试验装置

本项目实验装置示如图1。

图1 实验装置示意图

2.2 实验材料

实验中所用主要材料如表1 所示。

表1 主要实验材料

2.3 仪器设备

实验中所用主要仪器如表2 所示。

表2 主要实验仪器

3 试验结果与讨论

3.1 系统的启动

MBBR 净化槽系统启动挂膜阶段处理效果如图2 所示，在系统启动的过程中，进水的COD 浓度稳定在245～350mg/L，进水的氨氮浓度变化范围较大。对填料进行观察，结果表明，投放第一批填料（填充率20%）后约一周时间，填料表面开始生成微生物薄膜，继续投放第二批填料（填充率40%），1 周后对泥相进行微生物镜检，结果看出大量草履虫、累枝虫、轮虫及少量钟形虫已在填料表明生成，说明该系统填料载体的生物膜基本达到成熟。与填料微生物膜生长规律对应，反应系统运行2 周后，对COD 的去除效率稳定达到65%左右。从出水氨氮去除效果曲线规律可以看出，相比于对COD 的降解效果，微生物硝化过程相对滞后，但是当系统运行约2 周后，氨氮的去除率也可稳定达到87%以上。COD 和氨氮的去除效果的差异，其原因在于于进水的氨氮变化范围较大，且硝化细菌的世代周期更长。结合生化系统对COD 与氨氮的去处效果判断，系统挂膜启动周期约为2周，通过载体表面生物膜微生物镜检，观测到填料表面生物膜平均厚度约为230 μ m 左右。

图2 MBBR净化槽系统启动挂膜阶段处理效果

3.2 污泥回流比对处理效果的影响

作为对微生物的种类和数量分布的重要影响因素之一，污泥回流比对MBBR 净化槽系统对COD、氨氮等污染物的去除效果很关键，其作用主要体现在两方面：其一，污泥回流可以提高悬浮态活性污泥在系统微生物中的含量，使得系统中悬浮态污泥同生物膜之间的营养争夺更为剧烈，进而可以改变生化系统内微生物的构成；其二，一定的污泥回流循环有利于对高活性好氧菌群进行固定化，从而促进系统内厌氧/缺氧/好氧菌群的新陈代谢，从而对COD 的去除效率产生重要影响。

污泥回流比对COD 处理效果的影响如图3 所示，较污泥回流比为0 的条件下，污泥回流比＜1:4 时，系统对COD 去除效率显著提高，当控制污泥回流比分别为1:10、1:8 和1:6 时，系统对COD 去除率分别提高到71%、82%、76%。需要注意的是，当污泥回流比＞1:4 情况下，系统对COD 的去除率不升反降至55%。原因在于，当污泥回流量在合适范围内，悬浮污泥回流有效提高了系统微生物菌群含量，从而利于微生物对有机污染物的降解，但是当回流污泥量过大，带来的水力冲击对生物膜产生了破坏，从而致使填料表面菌群因营养供应不足而自身消耗，因此系统去除率下降。

图3 污泥回流比对COD处理效果的影响

由图4 可知，污泥回流比在1:10、1:8、1:6 时，回流污泥对耦合系统的硝化活性起促进作用，三种情况下氛氮去除平均值分别为90%、93%、91%，与无污泥回流效果（去除率为88%）相比略有提高。当污泥回流比提高为1:4 时，由于载体生物膜的分解作用，系统耦合作用明显弱化，氨氮去除率降至约65%。比较上述悬浮污泥对氨氮与有机废物的氧化降解，表明采用MBBR 净化槽处理系统可以有效提高微生物、氧气和底物三者间的氧化速率，对提高MBBR 工艺有机废物降解，及稳定氨氮去除有较大促进作用。对两者影响的差异表明，MBBR 载体有利于硝化细菌的附着生长，具有较高的反应速率；而悬浮污泥具有较高的有机污染物氧化降解速率，耦合系统集两者特征，优势明显。

图4 污泥回流比对氨氮处理效果的影响

污泥回流比对氨氮处理效果的影响规律如图5 所示，污泥回流情况下的生化系统氨氮降解效果差异非常明显。当污泥回流比分别为1:10、1:8、1:6 时，生化系统对总氮的去除率分别达到56%、74%、64%，相比没有回流污泥工况条件下，总氮的去除效果显著提高。

图5 污泥回流比对总氮处理效果的影响

3.3 曝气量对处理效果的影响

MBBR 工艺净水效果受曝气量影响的机制，主要分为两个方面：其一，经气液固多相传递，参与微生物生化反应的氧气浓度受曝气量直接影响；其二，曝气风量会影响到反应器内填料的悬浮状态，从而对菌群、填料生物膜及污染物之间的多相传质速度及接触概率，对工艺生化处理效果产生决定性影响。曝气量对COD 处理效果的影响效果曲线如图6 所示，当曝气强度由150 L/h 增大到220 L/h 时，试验前期，工艺COD 去除率由最初的36%迅速增大到55%，不过，待系统稳定运行后，工艺COD 去除率保持在47%左右。进一步分析可知，曝气量的大小对反应系统COD 去除效率影响严重，如，当曝气量分别为150 L/h、220 L/h、350 L/h 和450 L/h 条件下，系统对COD 去除率分别为45%、48%、53%和54%。当曝气量提高到350 L/h 以上后，进一步增大曝气量，COD 去除率的提高并不明显。这得益于MBBR 工艺条件下污泥停留时间和水力停留时间的分离，污泥龄较长的硝化细菌得到良好生长环境，工艺硝化效果即对氨氮的去除效果比传统活性污泥法明显提高。

图6 曝气量对COD处理效果的影响

不同曝气强度下系统氨氮去除效果如图7 所示。分析可知，曝气量由150 L/h 提高到450 L/h 的过程中，系统对氨氮的去除率均在93%左右，甚至达到98%，但各曝气量条件下的去除率差异性不大。氨氮去除效果受曝气强度影响较复杂，曝气量150 L/h、220 L/h、350L/h 和450 L/h 工况下，污水氨氮去除率分别为97.5%、87.9%、88.1%、92.3%。曝气量较小时，空气对填料附着生长的微生物膜的剪切力较小，一方面有利于菌落的新陈代谢，但另一方面会减弱微生物、水及污染物之间的物质与能量传递，不利于生化反应；较大曝气量时，空气对填料附着生长的微生物膜的剪切力较小，一方面会增强微生物、水及污染物之间的物质与能量传递，但一方面又会对微生物附着填料表面生长产生不利影响。上述分析可以看出，试验条件下污水氨氮去除效率受曝气量的变化影响不大，最适曝气强度为150 L/h。

图7 曝气量对氨氮处理效果的影响

MBBR 系统中填料载体表面微生物膜由厌氧/缺氧/好氧混合菌群构成，因溶解氧、污染物在泥水两相间传质规律特征，微生物内层微菌群可实现同步硝化反硝化过程，通过微环境控制，可实现在溶解氧浓度较大情况下的脱碳效果。不同曝气量对系统总氮去除效果的影响规律如图8 所示，当曝气量分别为150 L/h、220 L/h、350 L/h 和450 L/h 时，反应系统对总氮的去除率分别为9%、20%、22%、23%，可以看出总氮的去除效果受曝气量的影响明显。原因在于，系统曝气量的提高可以促进异养菌的繁殖，增加载体表面附着生物膜的厚度，进而为内层反硝化菌群提供良好生长条件，但值得注意的是，当曝气量提高到350 L/h 后，曝气量的继续增大对总氮的去除效果提升不明显。

图8 曝气量对总氮处理效果的影响

3.4 水力停留时间对处理效果的影响

水力停留时间的长短，直接决定污水中各污染因子进行生化作用的时间长短，并对污染因子去除效果产生直接影响。不同水力停留时间对COD 的去除效果规律如图9 所示，系统对COD的去除效率受水力停留时间的影响显著。当HRT 为6 h 时，系统对COD 的去除率仅为23%，HRT 分别提高至8 h、10 h、12 h、14 h 时，系统对COD 的去除率显著上升，分别增大至为35%、52%、72%和65%，此外，进水水质浓度变化范围较小条件下，水力停留时间提高到12 h，COD 降解效率继续提高，但当HRT提高到14h 时候，系统对COD 的去除效果不升反降，原因在于，水力停留时间过度增加，营养供给不足，导致菌群进行内源呼吸引起菌群解体，导致出水COD 不降反升，在试验过程中，载体表面生物膜量随HRT 提高到14 h 时，反而减少的规律与上述现象互相印证。氨氮去除效果受HRT 影响规律如图10 所示，当HRT 为6 h 时，系统对氨氮去除率为77%，HRT 提高至8 h、10 h、12 h、14 h 时，系统对氨氮的去除率分别提高至88%、89%、93%和94%，氨氮去除率受HRT 影响规律特征与COD 相似。分析可知，水力停留时间增大，系统内硝化细菌进行硝化反应的时间随之延长，氨氮去除率随之提高，实验结果可知，当HRT 提高至12 h 后，系统对氨氮的去除率基本上不再提高。水力停留时间变化对总氮的影响规律如图11 所示，当HRT 为6 h 时，系统对总氮的去除率仅为5%，当将HRT 提高到8 h 时，系统对总氮的去除率立即增至21%，继续提高HRT 至10 h、12 h、14 h 时，系统对总氮去除率依次增至29%、39%和28%。分析可知，硝态氮的反硝化程度和速率很大程度上取决于水力停留时间，停留时间的延长可以增强反硝化菌对硝态氮的反硝化作用，但是如果水力停留时间过长，反而会导致反硝化过程所需碳源的供给不足，总氮去除效率提高缓慢，甚至出现总氮去除率不升反降的现象。本试验条件下，可同步实现反应系统硝化及反硝化脱氮功能的最佳水力停留时间为12 h。

图9 水力停留时间对COD处理效果的影响

图10 水力停留时间对氨氮处理效果的影响

图11 水力停留时间对总氮处理效果的影响

4 结语

（1）采用MBBR 技术对农村生活污水处理过程，各工况因子中，污泥回流比对系统COD、氨氮及总氮去除效果的影响最为显著。

（2）MBBR 反应体系中，特殊填料载体悬浮污泥对提高生物膜活性的效果显著，膜相菌落降低了系统悬浮污泥浓度，较传统活性污泥法，可以降低污泥回流从而节省能耗及剩余污泥处理处置费用。

（3）污水COD、氨氮及总氮的去除效率受曝气量及水力停留时间的影响不如受污泥回流显著，同时，COD、氨氮和总氮等不同污染物的去除效果受各工况因子的影响程度及规律呈现较大差异性。

实际工程运行数据表明，使用本项目技术研发的污水处理技术，出水COD、氨氮、总磷等污染物得到了有效去除，且污水站运维简便、高效节能，出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B 标准，这是一项农村地区真正“建得起、用得起、用得好”的技术。