新型填料复合多级MBBR工艺脱氮及污泥减量研究

刘永红，李妙婕，杨谨如，王 宁，李耀中

（西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048）

农村城镇化是我国经济和社会发展的一个重要趋势，随着城镇化速度逐渐加快，城镇污水排放量稳步增长，由此产生的环境污染是城镇发展中的突出问题〔1〕。而城镇生活污水氮磷浓度相对较高、水量波动较大，但有毒有害物质少、可生化性好，且为间歇式排放〔2〕。目前，城镇生活污水的收集和集中处理设施匮乏〔3〕，出水大部分只能达到二级出水标准或一级B标准〔4〕。因此，为满足生活污水达标排放，提高居民的生活环境和生活质量，亟需对生活污水进行深度处理。

现阶段国内已建城镇生活污水处理工程常用工艺主要有以下5种：A/O＋人工湿地工艺、改良A2/O＋人工湿地工艺、厌氧滤池＋氧化塘＋生态沟渠工艺、净化槽工艺、MBR（膜生物反应器）工艺〔5〕。 这些工艺大多存在占地面积大、成本高、能耗大、管理维护复杂、处理效果不稳定等问题。移动床生物膜反应器（moving bed biofilm reactor，MBBR）被认为是 21 世纪的一项新兴技术，具有占地面积小、投资成本低、运行简便、抗冲击负荷能力强等优点，逐渐发展成为一种高效新型的污水处理工艺〔6〕。其原理是利用活性污泥工艺中生物量悬浮生长的工艺特性，向曝气池内投加适量密度与水相近的悬浮填料，污水连续通过反应器时，在曝气池水流和气流的共同作用下，填料在曝气池内旋转翻滚呈流化状态〔7〕。

填料是微生物附着生长的载体，是生物膜法中的核心组成部分，微生物赖以生存的必要条件，对污水处理工艺的发展起着关键作用〔8〕，填料的投入可提高微生物群落的种类和数量〔9〕。因此，MBBR工艺的核心就是悬浮填料。广泛应用于MBBR系统中的生物膜载体材质包括聚乙烯、聚氨酯、颗粒活性炭、陶瓷、砂土和硅藻土等〔10〕。目前，最常用的载体材质是塑料〔11〕。但塑料材质的填料亲水性差，不易流化，不能形成严格的缺氧区〔12〕，无法满足更高要求的排放标准。

笔者拟开展新型填料复合多级MBBR系统的工艺研究，考察系统COD和的处理效果，并通过SEM观察两种载体中附着微生物的变化情况，分析计算系统稳定运行期间污泥产量，综合评价该新型填料复合MBBR系统的运行效果，以期为相关工程推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置与方法

本实验装置主要由AMC-MBBR反应器（25 L）、一级 PBG-MBBR反应器（25 L）、二级 PBG-MBBR反应器（25 L）和沉淀槽（10 L）4部分组成，流程如图1所示。

图1 AMC-PBG/MBBR生物处理工艺流程

投加11.5 L、质量浓度为5 563 mg/L的活性污泥、10 L碳氮比为40∶1的自配水和5 L AMC载体于AMC-MBBR反应器中混合曝气，在一级PBG-MBBR和二级PBG-MBBR反应器中投加等量的活性污泥与5 L的PBG载体混合曝气5 d。控制容积负荷从0.1 kgCOD/（m3·d） 逐渐提高到 0.5 kgCOD/（m3·d），连续进某高校实际生活污水。

1.2 实验用水与填料

实验用水取自西安某高校实际生活污水，COD为 100～470mg/L，为 18～67mg/L，BOD5为 120～250 mg/L，SS 为 100～400 mg/L，浊度为 50～220 NTU，pH 为 7.5～8.0。

新型生物填料 AMC（Anaerobic Microorganism Carrier）是一种具有多孔结构的有机高分子复合材料，大小为4 mm左右，密度略大于水，经特殊生物亲和处理，因而形成通体鳞片状及通孔状的亲水结构，表面呈微膨胀状态且为凹凸状，易于微生物着床，在表面及内部形成生物膜，耐冲击负荷能力强，使用寿命可达20 a以上。柔性生物填料PBG（Porous Bio-gel）是一种海绵状且吸水性能极强的多孔凝胶载体。比表面积为4 000 m2/m3，极大地提高了生物附着量；内部墙体结构，提高了对氧的利用率；密度适中，与水接近，在MBBR系统中极易流化。遇水后载体凝胶吸水膨胀体积增大，而吸水后的凝胶表面是微生物附着生长的绝佳场所。其立方体结构极易形成内部缺氧，外部好氧的微环境，有利于对的去除。相比本实验室前期王毅博等〔13〕使用日本某公司研发的一种聚乙烯醇凝胶小球（PVA）填料，在成本上具有极大的优势，这将有利于工程上的推广使用。

1.3 分析方法

2 结果分析与讨论

2.1 AMC-PBG/MBBR生物处理工艺的启动与运行

2.1.1 反应器的启动

控制 AMC-MBBR 反应器 pH 6.5～8.0，DO 3.5～6.0 mg/L。当AMC-PBG/MBBR系统稳定在容积负荷为0.5kgCOD/（m3·d），HRT 为 48.6h，日均进液量 42L，平均进水COD和分别为186.7、38.01 mg/L，平均温度为18.5℃。经过5 d的运行COD和的去除率分别达到80%、98%以上，系统启动成功。

2.1.2 AMC-PBG/MBBR生物处理工艺容积负荷的提高

系统启动成功后， 以每次 0.5 kgCOD/（m3·d）的梯度逐步提升系统负荷，每个容积负荷运行5 d左右，保证COD去除率达到80%以上，持续提升系统容积负荷直至达到 2.0 kgCOD/（m3·d），经过 29 d 的提升负荷运行，AMC-PBG/MBBR工艺COD与处理效果变化如图2所示。

由图2可以看出，第4天—第14天系统COD去除率基本呈上升趋势，且在第7天—第14天去除率稳定在80%以上，最高去除率达到90%；第15天—第 20 天容积负荷提到 2.0 kgCOD/（m3·d）时，COD去除率出现较大波动，去除率基本在80%以下，平均去除率为77%；第21天—第24天，降低工艺负荷至 1.8 kgCOD/（m3·d），去除率出现好转，在第21天达到90.1%，随后逐步降低至76.6%；最终将容积负荷调至 1.5 kgCOD/（m3·d）时，COD 去除率开始回升，最高达到90.3%，并稳定在80%以上。同时，提升负荷对的去除效果影响不大，仅在2.0 kgCOD/（m3·d）时具有较大波动。

结果表明，AMC-PBG/MBBR生物处理工艺对该高校生活污水的最佳处理容积负荷为1.5 kgCOD/（m3·d）。 该负荷运行条件下，系统对 COD 和去除率分别达到80%和96%；同时BOD5去除率达到94%以上。对比王利娜等〔15〕研究的PVA生物处理工艺，提升负荷阶段COD和波动较大，相同容积负荷条件下，COD、、BOD5去除率分别为73%、80%、90%，由此进一步说明本工艺在提升负荷阶段表现出去除率更稳定且高的优势。

2.1.3 AMC-PBG/MBBR生物处理工艺的连续运行

为考察在以上条件下该工艺运行的稳定性，在1.5 kgCOD/（m3·d）的最优容积负荷条件下稳定运行多级MBBR系统20 d，此时水力停留时间（HRT）为16.3 h。稳定运行期，AMC-PBG/MBBR生物处理工艺对实际生活废水的处理效果如图3所示。

图2 AMC-PBG/MBBR工艺容积负荷提高阶段处理效果

图3 AMC-PBG/MBBR工艺连续运行效果

2.2 AMC及PBG载体外观变化与微生物富集情况

为了分析运行过程中两种新型填料内微生物的变化及其对污水处理的作用机制，在不同运行阶段对AMC载体和PBG载体进行取样表征。

2.2.1 载体的外观变化

经过一个月的运行，观察到两种载体运行时期的外观变化：AMC载体由初始的黄色变成了褐色，运行结束（80 d）时成熟的AMC载体变为暗褐色。同时，AMC载体粗糙表面及多孔结构使得其表面附着明显的活性污泥，AMC表观颜色的变化说明微生物在AMC载体上的附着量增多，从而导致颜色有所加深。由于PBG载体的大孔腔体结构以及其独特亲水凝胶特性，经过一段时间的培养挂膜，其尺寸因吸水膨胀而有所增加，同时其内部附着生长了大量活性污泥微生物，随着活性污泥附着量的增加，PBG颜色有所加深，最终由初始的白色变成了黄色，直至运行结束（80 d）时成熟的PBG载体变为深褐色。

2.2.2 载体SEM表征

为更详尽地表征载体表面和内部结构及微生物负载情况，采用SEM对不同阶段的两种载体进行观察，结果如图4所示。

空白AMC载体表面具有明显的凹凸槽，及细微的孔状结构，有利于微生物的附着生长，内部具有大量的孔腔，有助于微生物在其内部的延伸生长，提高MBBR系统内污泥保有量。经过80 d的运行载体表面附着了大量微生物，其中以丝状菌和球状菌为主，并观察到大量原生动物钟虫。图4显示AMC内部微生物附着量较少，这可能是由于较大的AMC表面积已经满足了AMC-MBBR反应池内微生物的生长，微生物无需克服微孔扩散向AMC颗粒内部进行生长和代谢。空白PBG载体为通孔墙体骨架结构，其骨架墙体表面布满微孔，有利于丝状菌的吸附着生。经过80 d的运行，PBG表面和内部均附着大量球菌、丝状菌等微生物，这说明各种微生物从表面逐渐附着到内部，达到细菌的高浓度化，从而有利于污染物的高效降解。

综上所述，经过一段时间的运行，处理生活污水的污泥微生物逐渐附着生长于AMC和PBG两种新型填料表面及内部，有机物和氧气通过扩散到达内部微生物，实现内部微生物的稳定生长和代谢。两种填料的应用提高了系统内污泥量，并潜在增加了微生物多样性，进而有利于该复合生物工艺对生活废水的处理效率。此外，运行结束后计算AMC-MBBR和PBGMBBR系统载体内微生物附着量分别达到0.427 g/g（以单位质量的AMC载体附着的VSS计）和7.92 g/L（以单位体积的PBG载体附着的VSS计），这说明两种载体对系统内微生物具有很好的富集能力。

图4 PBG载体微生物富集的SEM图

2.3 污泥减容效果

系统稳定运行阶段，活性污泥及微生物大部分附着于载体内，反应器内悬浮污泥浓度较低，AMCMBBR反应器悬浮污泥质量浓度为200～330 mg/L，一级PBG-MBBR反应器内悬浮污泥质量浓度为120～260 mg/L，二级PBG-MBBR反应器内悬浮污泥质量浓度为50～190 mg/L。

为了进一步确定该复合工艺对污泥的减量化效果，对稳定运行期AMC-PBG/MBBR生物处理工艺COD去除量及污泥排放量进行监测，并根据文献〔17〕计算污泥表观产率，得出该工艺污泥表观产率为0.043 kgMLSS/kgCOD。多孔载体与传统的活性污泥表观产率约为 0.3～0.4 kgMLSS/kgCOD〔18〕，两者相比有明显的污泥减量效果；与杨文焕等〔19〕研究的多级MBBR与A2O工艺中污泥表观产率为0.12 kgMLSS/kgCOD相比，有进一步的污泥减量效果；与王利娜等〔15〕研究的PVA生物处理工艺中污泥表观产率为0.08 kgMLSS/kgCOD相比有更进一步的污泥减量效果。主要是因为多级MBBR工艺内部提供好氧环境，反应器内形成不同的生物群落，复杂的生物群落导致系统中能量单位递减和剩余污泥的减少；同时填料由内及外形成缺氧-好氧微环境，有机污染物吸附于载体表面，表面的微生物通过生物氧化反应，消耗其中的营养物质和能量，分解污水中溶解性有机质，污泥分解、低分子化会释放碳源，促进脱氮效果并实现污泥原位消减〔20-21〕；其次，对于一般异养微生物，其增长模式一般以“直接利用”为主，即处于好氧环境中，并且具备足够的有机基质才可能成长为优势菌群〔22〕，而在AMC-PBG/MBBR生物处理工艺中，是一种兼具“缺氧-好氧”的运行模式，普通异养菌便不具备优势，导致生长速率减慢，从而达到污泥减量的目的。

3 结论

（1）AMC-PBG/MBBR生物处理工艺能够在短期（10 d）内快速完成启动过程，容积负荷达到0.5 kgCOD/（m3·d），该工艺具有快速启动的优势。 并具有高标准且稳定的生活污水处理效果，出水COD、NH4+-N、BOD5平均值分别为 44.2、0.81、10 mg/L，均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

（2）两种新型填料具有很强的微生物富集能力，不但出水水质稳定，并保持整个工艺处理生活污水具有较高的容积负荷，约 1.5 kgCOD/（m3·d）。

（3）AMC-PBG/MBBR生物处理工艺具有良好的污泥减量效果，依靠填料附着的丰富的微生物群落实现了高效的污泥减量，污泥表观产率仅为0.043 kgMLSS/kgCOD，相比于传统活性污泥法具有明显的污泥减量化特性。