MBBR法用于城市污水去除污染物的作用研究

杨华瑞

（中铁建设集团有限公司，四川 雅安 625100）

0 引言

随着工业化的深入推进，水污染成为影响城市生活的重要因素，治理城市污水也成为治污和环境建设的一项重要内容。城市污水去除污染物的技术和工艺经历了从活性污泥法到生物膜法的转变过程，生物膜法克服了活性污泥法稳定性差，对水流、水质适应能力差及占地面积大等缺陷，以其良好的稳定性和适应性、强大的抗水力负荷冲击能力等特点成为污水去污的重要应用工艺，但其仍存在着不足，如滤料易堵塞、对流化状态依赖性强、曝气设备更换困难等。针对以上工艺的缺陷，移动床生物膜反应器（MBBR）应运而生，其最早在欧洲应用，有效结合活性污泥法和生物膜法的优势，容积小、稳定性强，设备更换维修便捷，在应用中取得良好的去污效果，并逐渐得到推广。

1 MBBR工艺的原理、特点

1.1 MBBR工艺原理

MBBR工艺原理主要是向污水处理反应器中加入特定的悬浮载体，经过特殊处理的载体可改善整个容器中的大环境，增加生物量和生物种类，进而优化整个容器反应环境，促进去污效率提升[1]。MBBR工艺主要通过两点来提升去污效率，一是通过特殊的填料材料来改善反应过程，材质密度与水相近，在曝气环节，填料与水完全融合，悬浮物在容器中与水产生碰撞，将气泡切割得更为细小，从而大大提高氧气的利用率；二是将每个悬浮载体作为一个小型的反应容器，容器内部和外部均存在不同的生物种群，内部为厌氧菌，外部为好氧菌，硝化反应和反硝化反应同步进行，从而提升整体去污效率。

1.2 MBBR工艺特点

（1）脱氮能力较强，硝化效果好。氨氮废水是城市污水中较为难处理的污水，MBBR工艺利用特殊的填料优势，在微型载体中形成厌氧、好氧和缺氧等生物环境，硝化反应与反硝化反应在同一个反应器中发生，硝化反应效果好，具有良好的脱氮能力。

（2）膜法效率高，耐冲击负荷能力强。MBBR工艺的优势之一是生物膜反应效率高，在曝气和水力作用下，MBBR载体处于流化状态，从而形成悬浮生长的生物膜，生物膜可移动，可充分利用容器空间和资源，负荷能力强，耐冲击。同时氧化池体积较小，占地面积小，污泥产量较小，无需建立污泥回流处理设备和反冲洗器械，反应时间短，节约基建成本。

（3）维护管理负担小，升级改造便捷。较之传统的污水去污工艺，MBBR工艺维护管理的工作负担较小，无需设置填料支架，曝气装置更换维修便捷，易于日常护理和常规的升级改造。此外，该工艺操作较为简便，多数步骤可实现自动化，易于操控。

2 MBBR工艺用于城市污水去除污染物的作用

2.1 生物填料形成稳定生物膜

MBBR工艺生物膜是集合活性污泥法和生物氧化技术的优势而形成的生物膜容器，属于复合型去污反应装置。填料表面积较大，因搅拌作用在水中连续移动，当待处理水流循环经过反应器时，流过可移动填料，在上面形成生物膜，微生物在膜上滋生，微生物利用水中的元素进行新陈代谢循环，从而去除水中污染物，改善水质。填料和水都呈流动状态，因此水、气、固之间的传质较好。生物膜活性好，生物膜的该特性使得反应器的负荷和效率大大提高，水体质量稳定。此外，膜上生长的微生物随生物膜和水流流动，并不需要污泥回流设备，也避免了反冲洗环节的设立，且生物膜会自然脱落，不会对反应器和器内的整体环境产生影响。因此MBBR工艺用于净化水质的主要作用之一便是通过可移动的生物填料，产生气、水、固三相良好的传质环境，从而最大限度地提升生物膜活性，形成稳定的生物膜，生物膜的稳定性是污水净化处理效率的重要影响因素之一。此外，MBBR工艺中的高活性生物膜不会堵塞反应器，无需设置相关疏通设备，相同填料填充率和负荷指标下，MBBR生物膜反应器占地面积更小，能耗更低。

2.2 MBBR工艺去除有机污染物

MBBR剥离有机污染物是通过反应器内的悬浮微生物来进行，在膜的内外两侧分别形成不同性质的氧气层，利用浓度差来净化水质。首先，在膜外侧，由于与水融合度较好，溶解氧与生物膜融合吸收效率高，易于形成好氧层，适合好氧型微生物生长。伴随微生物不断生长，生物膜逐渐变厚，而在膜层内部，由于溶解氧不足，生物生长逐渐受到限制，因此，膜内环境变为厌氧，并形成厌氧层。水层中的有机污染物受到氧化作用的影响，有机物浓度下降，产生浓度差，因此污染物和溶解氧移动至水层，被生物膜所吸收，膜内微生物对其进行分解，分解所产生的废物则随着水层流动而排解，或者逸出水层，进入到空气中，随着有机污染物的降解，污水中的有机物减少，实现有机物的分离和去除。而有机污染物的分解和净化可归纳为两种途径：一是分解为无机物，并转化为能量；二是合成新的物质，以供微生物生长繁衍。在净化有机污染物的过程中，两个氧气层的关系存在着一定变化，当厌氧层逐渐变厚时，其代谢产物增多，并经过好氧层，破坏生物膜好氧层的整体环境，使得生物膜的附着力减弱，易于脱落。因此，在MBBR净化工艺中，要想保持较高的净化效率，则要使得厌氧层生长速度受到控制，防止生物膜集中老化。

2.3 MBBR工艺去除氨氮

在城市污水的主要成分中，有机氮和氨氮占有重要比重。MBBR工艺脱氮主要原理就是利用生物膜中的微生物作用，将氮元素转化为N2及NOX。其中有机氮经过膜内作用转变为氨氮，并经过硝化与反硝化过程转化为N2-N，MBBR工艺去除氨氮主要依赖于硝化与反硝化作用，因此硝化与反硝化作用是去除氨氮污染物的主要过程。具体说来，MBBR工艺脱氮主要包括三个步骤：一是通过矿化，将有机氮转化为氨氮，而转化过程中的化学媒介则是氨化细菌，包括腐败梭菌、灵杆菌等[2]。通过氧化酶进行催化以及好氧细菌分解来实现降解；二是通过硝化作用将氨氮转变为NOX-N。其中硝化菌是硝化作用发生的核心物质。硝化菌包括硝酸菌和亚硝酸菌等种类。在硝化反应过程中，需要大量氧气，并需要大量的碱进行中和。此外硝化反应受水温影响较大，如果反应时温度过低，则会大大降低硝化反应的效率；三是反硝化反应，该反应发生的环境是厌氧，通过反硝化菌将NOX-N转化为N2-N。MBBR工艺在去除氨氮反应过程中，由于其反应器内微生物种类繁多，其中的硝化菌和反硝化菌存活时间较长，可提供硝化与反硝化作用同时进行的环境和生物条件，为SND发生提供可能，从而有效提高去除氨氮的效率。实践广泛证明，MBBR工艺在污水处理中的脱氮作用十分显著。

3 MBBR工艺用于城市污水去除污染物作用的影响因素

3.1 溶解氧（DO）

溶解氧浓度主要影响硝化与反硝化作用过程，通过浓度变化改变生物膜生物环境的区域。当溶解氧浓度过高时，进入到生物膜的内部，氨氮被氧化；而当溶解氧浓度偏低时，生物膜内部呈厌氧环境，硝化反应加强，但溶解氧浓度低，难以支持高强度的硝化作用，从而降低硝化反应的效率。

3.2 填料

填料是MBBR工艺的技术关键，填料主要是由聚乙烯塑料为原料，载体呈圆柱体。除材质以外，填料的填充比是影响生物膜去污作用发挥的核心要素[3]。填料填充比即为载体所占空间的比例，填料填充比最大一般为0.7，当污水中含有较大比例的纤维物质时，如处理造纸厂排出的污水，适宜采用表面积小的填料，当用于硝化作用时，则适宜采用表面积较大的填料。因此，填料是MBBR净水的关键，在选择填料时更要根据待处理的污水类型，选择最优的填料设计。

3.3 水力停留时间

水力停留时间是影响MBBR工艺净化水质的重要因素，停留时间主要是通过影响有机物与生物膜接触的充分程度，进而影响有机污染物的分解和净化速率，一般来说，国内研究认为，COD浓度与水力停留时间的长短成反比，在设计水力停留时间时，要注意两点，一是要根据不同类型的污染物，科学设计水力停留时间；二是将水力停留时间与影响净化工艺的其他因素结合起来分析，综合考虑。

3.4 水温

温度是影响微生物生长、发育、增殖的重要因素，温度把控要充分考虑到微生物的生理特性。如果温度适宜，会促进微生物的生长和繁殖，反之，如果温度并不适宜微生物生长，轻则会降低其生长速度，重则会导致微生物形态异化甚至死亡[4]。对硝化细菌而言，硝化菌生长的温度宜保持在20℃~30℃之间，反硝化菌则最好保持在20℃~40℃之间，硝化细菌在温度低的条件下很难发挥其作用，因此，要保证其在适宜的温度下进行反应。

3.5 pH值

pH值同样会影响微生物的生长和正常反应，MBBR工艺净化水质中的微生物pH值范围一般为6.5-8.5。不同类型的污水中的pH值迥异，因此，要针对污水本身pH值特点来科学设定反应器内酸碱环境。

3.6 其他

除以上影响因素以外，气水比、浊度、有毒物质、有害物质等也会不同程度上对MBBR工艺去除污染物的效果产生影响，去除污染物是一个较为复杂的过程，各个步骤之间关系密切，因此要想实现良好的去污效果，则必须严密把控各个环节，确保每个净化步骤科学合理[5]。

4 结语

城市污水是指排入城镇污水系统的污水，包括生活污水、工业废水和径流污水等，生活污水集中排入城市下水道管网系统，其水质具有鲜明的昼夜差别和时令周期，工业废水的水量和水质则与城市工业规模和类型相关，多含有腐蚀性、有毒、有害污染物。国内外实验和应用实例表明，MBBR工艺在城市污水污染物去除方面具有良好的作用，其有效结合活性污泥法和生物膜法的优势，可有效去除污水中的有机污染物和氨氮，且占地面积小，易于维护和操作，在城市污水处理中具有广阔的应用前景。