生物膜法在一体化污水处理装置中的应用

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

1 前言

虽然我国拥有大量的淡水资源，但是由于我国是一个人口大国，因此人均淡水资源较少，排名处于全世界的中后段。同时在工业化水平不断发展的过程中，我国的淡水资源已经受到了大量的污染，在此情形下，我国对于水污染的治理开始不断加大力度。

在水污染治理不断深入的背景下，我国的污水处理系统开始不断发展，在这其中，一体化污水处理装置由于其投入资金少、建设面积小并能够缓解市政管网建设以及能够有效实现中水回用等优点，已逐渐成为了我国污水处理的一个研究热点[1]。一体化污水处理装置的主要工艺大多是根据目前的污水处理主体工艺优化改造而来的，如：A/O、MBR等。根据一体化污水处理设备制造结构和设计思路的不同，一体化污水处理装置主要有两个方向，一个方向是采用单一工艺进行污水处理的一体化污水处理装置，例如，一体化A2/O反应器、一体化SBR处理装置、一体化膜生物反应器等；另一个方向是结合不同工艺共同去进行污水处理的一体化污水处理装置，包括一体化A2/O+土地处理系统装置、一体化A2/O+生物转盘处理装置、一体化A2/O+SBR装置、一体化厌氧池+好氧池+MBR处理装置、好氧流化床与厌氧反应器的工艺组合、一体化A/O+曝气生物滤池处理装置、一体化A/O+MBBR生物膜反应器等[2]。本文主要介绍的是生物膜法工艺在一体化污水设备中的应用。

2 生物膜法

生物膜法主要包括生物滤池、生物转盘以及生物接触氧化法等一系列以附着微生物膜对污染物进行降解的污水处理工艺，生物膜法具有对污水水质变化的高耐受性、生物相丰富、剩余污泥少等优点[3]。因此，生物膜法常常被应用在一体化污水处理设备当中。

2.1 生物滤池工艺

生物滤池主要由滤床、布水系统、排水系统三大部分组成，当污水从布水系统导入后，在污水流过滤料的时候，滤料上附着生长的微生物便可以通过吸附和新陈代谢的方式，对污水中的COD、氨氮等污染物进行降解[4]。生物滤池根据构造不同可以分为塔式生物滤池和膨胀床生物滤池等。目前，一体化生物滤池工艺的研究方向主要分为两大类，一类是内部填料的选取与研发，如：活性炭、PVC生物填料等；另一类是组合工艺和布水方式的开发利用，如：生物滤池+土地处理系统、生物转鼓+反硝化池等。

牟彪[5]采用实验室配制的人工生活污水为处理对象，考察了以铁+聚氨酯泡沫为滤料的一体化塔式循环滤池对污染物的去除效果，结果发现，当循环流量为45L/h，HRT=2h时，COD的去除效果可以达到85%，出水浓度在100mg/L以下，总氮的去除率可以达到42%左右，总磷的去除率可以达到70%左右。朱安东[6]在一体化复合滴滤池处理生活污水研究中，考察了5种不同滤料的组合方式对生活污水的处理效果，研究发现，利用沸石、活性炭、陶粒组合而成的混合滤料对COD、TN、TP的去除效果最好，平均去除率可以达到90.84%、32.14%、59.37%，且该混合填料在后期对于实际生活污水的处理中，平均去除率更是提升到了97.15%、40.35%、92.51%；利用沸石、活性炭、砾石组成的混合填料对NH4+-N处理效果最好，平均去除率可以达到84.76%。李嘉树[7]针对农村生活污水特点，研究开发了一体化膨胀床复合生物滤池处理工艺，该工艺由三个塔式生物滤池串联而成，污水以降流+升流+降流的形式依次流过一体化膨胀床复合生物滤池的一级预处理池、二级硝化池、三级膨胀床后排放，结果发现，当进水水温为23—25℃，水力负荷为4m3/(m2·h)，回流比为150%，气水比为3∶1，在二级硝化池出水处投加60mg/L的三氯化铁时，一体化膨胀床复合生物滤池对COD、NH4+-N、TN、SS、TP的去除率分别为90.2%、92.2%、68.2%、98.6%、90.0%，污染物出水可以满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级 A 标准。

2.2 生物转盘工艺

生物转盘(RBC)工艺是生物膜处理工艺中的一种，其污染物去除原理主要是通过附着在盘片上的生物膜在交替接触空气与水体时通过自身的吸附和新陈代谢作用对污水中的污染物进行降解。生物转盘的物理构造与生物滤池相差较大。生物转盘的组成部分主要有转轴及动力装置、半圆形生物接触反应槽和转盘盘片三大部分组成。生物转盘具有设计简单、操作方便、能耗低、维护费用少和处理效果高的特点，因此，生物转盘在一体化污水处理装置中有着一定的应用优势。

目前，一体化污水装置中的生物转盘工艺应用较为广泛，使用形式也多种多样，如：生物转鼓等新型应用方式。生物转盘工艺的污染物去除效果主要受盘片材料、转速、浸没比、水力停留时间和有机负荷等因素影响，因此，这些影响因素一直是国内外的研究热点所在。

王滨[8]等人在利用改良型生物转盘一体化设备技术处理乡镇污水中发现，当进水COD浓度在100～150mg/L，NH4+-N浓度在8～15mg/L，TP浓度在1.2～2.0mg/L范围内时，改良型的生物转盘一体化设备对COD、NH4+-N和TP的去除效果明显，平均去除率分别可以达到71.3%、52%、80%以上。晁雷[9]等人在利用新型一体化生物转盘装置处理乳制品废水时发现，当乳制品废水依次流经新型一体化生物转盘装置的水解酸化单元+新型生物转盘单元+接触氧化单元后(分别控制水解酸化池、生物转盘以及接触氧化池的HRT为5、10、4h，调节生物转盘转速为12r/min)，其系统出水中TP的质量浓度在1.5mg/L以下，主体单元新型生物转盘对COD、NH4+-N、TP的去除率分别可达 83%、60%、51.1%，处理效果显著。杨婷[10]等人在利用升级强化后的一体化新型生物转鼓式装置+人工湿地组合工艺处理锦溪镇红霞村分散型农村生活污水中发现，组合工艺对COD、NH4+-N、TP、SS的去除率分别可达到90.20%、94.40%、91.82%、95.80%，COD、NH4+-N、TP、SS经过处理之后的出水浓度不高于30.00、40.00、0.32、8.0mg/L，处理后的水质可长时间稳定满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准；该组合工艺与传统工艺相比，其在处理污水时所消耗的能源仅为传统工艺的50%，长期运行下可节约大量能源，还可防止由能源消耗所引起的环境问题。

2.3 MBBR工艺

移动床生物膜反应器(MBBR)的理念最初是由挪威一家公司提出的，后又经大量科研人员不断优化改进形成的一种全新的污水处理工艺。MBBR作为一种与已有工艺不同的新技术手段，其具有许多优点，例如：巨大的比表面积、高度的生物密集量、处理能力强、污泥停留时间长、剩余污泥少、抗冲击能力好、无需反冲洗等。MBBR工艺的工作原理主要是通过向反应器中投加一定量的适合微生物附着生产的填料，然后通过机械扰动或其他动力来源使得反应器内部填料呈现出运动状态，利用填料上附着生长的微生物膜在与污水的不断接触中降解污水中污染物。

袁书林[11]为研究一体化3段AO+MBBR污水处理装置中进水方式对处理设备脱氮除磷效果的影响表现，其设计了三段进水和单点进水两种方式对生活污水进行处理，研究结果发现，与单点进水模式相比，三段进水模式可以将一体化装置的TN和TP的去除效率分别提升21.6%和30.3%，提升效果显著，且一体化装置在三段进水模式的处理条件下，对常规污染物的处理效果能够稳定长期满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标准。裴廷权[12]等人在利用新型A3/O+移动床生物膜反应器(MBBR)一体化污水处理装置处理某生活污水的试验研究中发现，当一体化装置的水力停留时间控制在8h到9h之间，好氧池单元的悬浮生物填料填充率为30%，装置中的DO控制在1.5～3.0mg/L的范围内，设备反应温度控制在18±4℃的条件下时，该新型一体化污水处理装置对COD、NH4+-N、TN和TP的处理效果最好，对应污染物的平均去除率分别可达到92.2%、97.6%、79.3%和95.3%。俞骏[13]等人在处理河道中黑臭水体中发现，利用一体化A/O+MBBR+BAF污水处理设备处理黑臭水体时，其对COD、NH4+-N、TP等污染物的平均去除率分别为59.23%、69.32%、53.12%，处理效果显著，尤其是针对氨氮而言，其具体表现为，当系统进水中COD、NH4+-N、TP的平均浓度为66.18mg/L、5.90mg/L、0.64mg/L时，经过设备处理后，其装置出水中的平均浓度分别可以下降到26.98mg/L、1.81mg/L、0.30mg/L，能够满足地表水标准中Ⅴ类标准。

3 总结

随着我国对农村分散污水治理的不断重视和污水排放提标改造的政策条件下，一体化污水处理装置由于自身基建费用小、操作简单、处理效果好等优点，将获得前所未有的发展机遇。生物膜法作为一体化污水处理装置工艺中的重要组成部分，其在一体化污水处理装置具有巨大的发展潜力。目前，生物膜法在一体化装置中的应用主要以生物转盘、生物滤池和MBBR三大工艺为主体并不断结合其他传统工艺的方式展开。在现今的研究应用中，生物膜法对污染物处理效果较好的是生物滤池和MBBR为主的组合工艺，生物转盘工艺次之。