基于MBBR工艺的北方某污水厂运行效果及氮磷去除机理分析

李世文，王胜渊，于林静，徐康康，韩文杰,*，徐金龙，李海明，徐新月

(1.青岛西海岸公用事业集团水务有限公司，山东青岛 266555；2.青岛思普润水处理股份有限公司，山东青岛 266510；3.青岛西海岸新区城市管理局，山东青岛 266499)

随着人口的不断增长，生活污水排放量逐渐增多，国内对水资源短缺高度关注，污水处理厂排放标准日益严格。但微生物活性受到温度变化的影响，污水厂多存在冬季低温时期处理效果差、出水氮素超标等现象[1-2]。因此，污水处理的高效稳定俨然已经成为污水厂亟待解决的困境[3-4]。

污水处理采用AAO工艺，通过活性污泥在不同功能区发挥特定作用，实现氮、磷等污染物的去除，同时该工艺还具有操作简单及运行成本低的特点，因此，被广泛应用于各污水处理厂生化段[5]。但在AAO中，缺氧池未能优先接触原水碳源，导致进水C/N较低时，往往需要通过大量的外投碳源予以解决，由此带来了较高的碳源投加费用。为解决AAO工艺缺陷，在此基础上发展了倒置AAO工艺，通过缺氧区前置，强化反硝化原水碳源利用率，达到了较为良好的脱氮效果。但是其本质仍为活性污泥法，在抗低温性能方面存在天然弱势，在面临污水厂出水标准日益严格的基础上，仍需对现有工艺进一步研发创新。移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor，MBBR)通过对污水处理核心微生物的专性富集、固定培养，能够全面强化污水厂对污染物的去除效果，提高污水厂生化池处理稳定性与抗冲击性[6]。首先，MBBR工艺能够显著强化系统低温下的硝化性能。李韧等[7]研究表明，MBBR工艺能够强化活性污泥系统的硝化性能，悬浮载体生物膜的硝化贡献率能达到30%以上，且温度越低，生物膜硝化贡献率越高。董蕾茜等[8]采用MBBR工艺对某污水厂进行提标改造，改造结果表明，即使在低温条件(10 ℃)下，污水厂出水氨氮也能稳定在1 mg/L以下，系统硝化效果较改造前显著加强。李新利等[9]的研究也表明，MBBR工艺硝化负荷能够达到常规活性污泥系统的1.5倍以上。其次，大量研究表明MBBR工艺存在同步硝化反硝化(SND)现象，能够强化TN去除效果。唐霞等[10]研究了AAO-MBBR工艺对低C/N废水的处理效果，结果发现MBBR池悬浮载体上不仅富集了大量的硝化菌，还存在大量反硝化菌，暗示了MBBR池存在SND现象。韩文杰等[11]在长三角地区MBBR泥膜复合污水厂的研究过程中发现，各污水厂MBBR池均存在SND现象，并通过小试验证悬浮载体生物膜SND的氮去除速率能够达到2.0 mg/(L·h)以上。最后，MBBR工艺能够实现泥龄分置，通过悬浮载体生物膜富集硝化菌，从而能够有效降低污泥龄，强化生物除磷[12]。综上，倒置AAO工艺虽然强化了原水碳源的脱氮效率，但仍受限于活性污泥法自身缺陷，导致处理效果并不稳定，而MBBR工艺可以显著弥补污泥法活性污泥法缺陷，提高系统处理性能。目前，关于MBBR结合倒置AAO工艺的相关研究主要集中在宏观运行效果上，关于脱氮除磷机理的研究尚缺。

本文以某污水厂为例，主要研究倒置AAO+MBBR工艺的处理效果及稳定性。通过污水厂运行效果判断污水厂实际处理能力，通过沿程水质测定和小试试验分析MBBR工艺对系统去除效果的影响，并结合生物膜胞外聚合物(EPS)分泌量、生物膜厚度及高通量测序，从多层面研究了MBBR工艺的脱氮除磷能力，为污水厂的稳定运行提供指导与借鉴。

1 研究对象与方法

1.1 污水厂运行工艺

该污水厂原工艺为倒置AAO工艺，工艺流程为缺氧区→过渡区→好氧区，其中过渡区为三廊道串联的形式，底部同时安装有曝气管路及搅拌装置，根据实际情况确定曝气管路的开启或关闭，从而确定过渡区的实际功能，一般前两廊道为厌氧状态，而第三廊道则为微曝气状态，DO质量浓度约为0.2 mg/L。该污水厂于2018年采用好氧区耦合MBBR工艺的方式进行提量改造，MBBR区采用两级串联的形式，分别为MBBR1和MBBR2。该污水厂工艺流程如图1所示，生化池水力停留时间为16.20 h，其中，缺氧区和过渡区水力停留时间为8.25 h，MBBR区水力停留时间为7.95 h。生化池内回流比为100%～300%，外回流比为70%～100%。深度处理采用高效沉淀池+转鼓过滤器/V型滤池，保障出水水质稳定达标。改造设计进、出水水质如表1所示，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

图1 污水厂流程图Fig.1 Flow Chart of WWTP

表1 污水厂设计水质Tab.1 Designed Water Quality for WWTP

MBBR区外投SPR-Ⅲ悬浮载体，载体直径和高分别为(25±0.5)mm和(10±1)mm，挂膜后密度与水类似，可在水中呈现较好悬浮效果。另外，SPR-Ⅲ比表面积达到800 m2/m3以上，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体悬浮载体》(CJ/T 461—2014)行业标准。

1.2 硝化小试

1.2.1 试验设计

硝化小试共设3组试验，分别以MBBR池悬浮载体、活性污泥、MBBR池悬浮载体和活性污泥复合系统作为试验对象，研究生物膜、活性污泥及泥膜复合系统的硝化能力，分析悬浮载体投加对活性污泥系统的影响。小试试验装置如图2所示，采用20 L圆柱形装置，试验温度与污水厂生化池实际运行保持一致。采用污水厂厌氧池出水上清液作为试验用水，试验期间DO浓度控制在与污水厂好氧池一致。小试采用间歇运行的方式，共历时6 h，取样间隔为0.5 h，试验结束后检测氨氮，并计算硝化负荷。

图2 小试装置图Fig.2 Device Diagram of Small Scale Test

1.2.2 计算方法

采用上述小试的试验数据，计算各组小试氨氮去除负荷及硝化贡献率，具体计算如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：ARL——硝化负荷，kg/(m3·d)；

ARLB——生物膜硝化负荷，kg/(m3·d)；

ARLS——活性污泥硝化负荷，kg/(m3·d)；

NCRB——生物膜硝化贡献率;

t——时间，h。

1.3 检测方法

1.3.1 常规指标检测方法

1.3.2 EPS测定方法

EPS采用周俊等[14]提供的方法进行提取。EPS主要包括多糖(PS)和蛋白质(PN)，其中PS采用蒽酮法[15]测定，PN采用Folin-酚法[16]测定。

1.3.3 高通量测序

试验分别于2021年6月、2021年8月、2022年1月和2022年2月取MBBR1悬浮载体、MBBR2悬浮载体及活性污泥样品，经预处理后进行基于16S rDNA的扩增子测序。具体测定过程与Wang等[17]相同。测序结果中有关物种组成参考已有方法进行分析。

1.3.4 荧光原位杂交(FISH)试验

参考Amann等[18]的方法进行FISH试验，对活性污泥和悬浮载体生物膜中氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)群落关系进行分析。探针序列如表2所示，NSO190探针与FAM标记表征AOB；采用Ntspa662探针与CY3标记表征NOB。

表2 FISH试验所用探针及标记颜色Tab.2 Probe and Marking Color for FISH

2 结果与讨论

针对污水厂的运行效果，分析了近一年(2021年3月—2022年2月)的运行数据，以及常温(污水温度高于12 ℃)和低温(污水温度低于12 ℃)下污水厂对有机物及氮、磷等污染物的去除效果。

2.1 有机物去除效果

污水厂运行数据如表3和表4所示，在常温阶段，进水CODCr和BOD5质量浓度分别为(290.79±58.43)mg/L和(145.74±29.32)mg/L，出水CODCr和BOD5则分别能够降至(19.67±1.70)mg/L和(4.92±0.44)mg/L，明显优于一级A标准，CODCr和BOD5去除率分别高达93.03%±1.00%和96.52%±0.53%。而在低温阶段，尽管进水CODCr和BOD5质量浓度分别升至(332.29±16.97)mg/L和(167.88±8.25)mg/L，但出水CODCr和BOD5仍能够稳定降至(17.01±0.85)mg/L和(4.29±0.23)mg/L，去除率分别高达94.87%±0.33%和97.44%±0.18%，倒置AAO+MBBR工艺通过缺氧区前置，保证了缺氧区最先接触原水碳源，既强化了原水碳源利用率，又保证了对COD的去除效果。

表3 MBBR池运行条件和生化池进水水质Tab.3 Operation Conditions of MBBR and Influent Water Quality of Biochemical Tank

表4 污水厂进出水水质Tab.4 Influent and Effluent Quality of WWTP

2.2 氨氮去除效果

污水厂倒置AAO+MBBR工艺具有较强的氨氮去除能力和抗低温性。在常温阶段，污水厂进水氨氮质量浓度为(33.37±8.57)mg/L，出水氨氮能够降至(0.85±0.69)mg/L，稳定达到一级A标准，氨氮去除率高达97.51%±1.95%；而在低温阶段，尽管进水氨氮质量浓度升至(35.89±5.91)mg/L，但出水氨氮仍能够稳定降至(0.78±0.37)mg/L，去除率仍高达97.69%±1.38%。MBBR工艺在低温条件下仍能够保持稳定的硝化效果，具有良好抗低温性。

为进一步分析低温运行期系统的硝化贡献率，在冬季取生物膜、活性污泥进行了纯膜、活性污泥、泥膜复合系统的硝化小试，小试结果如图3所示。一级MBBR和二级MBBR泥膜复合系统的氨氮去除负荷分别为0.25 kg/(m3·d)和0.21 kg/(m3·d)，明显高于活性污泥系统的0.12 kg/(m3·d)，说明悬浮载体的投加能够显著强化活性污泥系统的硝化性能，保障污水厂出水氨氮稳定达标。另外，一级MBBR和二级MBBR生物膜的氨氮去除负荷分别为0.14 kg/(m3·d)和0.13 kg/(m3·d)，略高于活性污泥，核算生物膜硝化贡献率能够达到50%以上。MBBR工艺通过分级的设置，可以实现好氧功能区的优化配置，当好氧区之前存在碳源穿透时，一级MBBR主要起脱碳作用，从而保证了后段硝化环境。本项目通过缺氧区前置，强化了对原水碳源的利用，同时，将过渡区最后廊道开启微曝气，进一步在好氧区之前强化了COD的去除，保证了好氧区免受COD抑制。一级MBBR工艺由于进水负荷较高，可以始终发挥高效稳定的硝化效果，而二级MBBR工艺受进水基质影响，虽然负荷较一级有所降低，但可以更好地保证出水达标。

图3 硝化小试过程氨氮变化Fig.3 Change of Ammonia Nitrogen in Nitrification Test

在微生物生长代谢过程中，细胞表面会吸附有机物并产生EPS，其主要成分PS和PN与生物膜结构的形成和维持密切相关[19]。由图4可知，在24 ℃条件下，生物膜PS和PN质量浓度分别为(32.40±1.18)mg/g和(48.98±1.45)mg/g，EPS质量分数约为81.38 mg/g。而随着温度不断降低，生物膜EPS含量不断升高，当温度降至12 ℃时，生物膜PS和PN质量浓度则分别升至(41.06±0.75)mg/g和(81.80±0.61)mg/g，EPS质量分数升至122.86 mg/g，这与孙洪伟等[20]的研究结果一致。EPS是微生物生长过程中合成的一种重要物质，而在其合成过程中存在大量影响因素，主要包括进水水质、温度、DO和pH等运行参数[21]。由表3可知，在本研究中随着温度的变化，MBBR池DO和pH基本无变化，且生化池进水水质也无规律性变化，因此，MBBR池悬浮载体生物膜EPS变化的主要是温度降低促进微生物分泌EPS，使微生物发生聚集效应，以抵抗低温产生的不利影响[22]，这也是MBBR工艺具有较强抗低温性的重要原因。另外，有研究指出PS含有亲水官能团，PN则含有大量疏水官能团，PN/PS可以反映微生物表面疏水性，PN/PS越大表明微生物表面疏水性越强[23-24]。而微生物表面疏水性的提高能够促进生物膜的聚集。由图4可知，PN/PS与温度呈线性负相关，当系统由24 ℃降至12 ℃时，生物膜PN/PS由1.51±0.12升至1.99±0.08，表明在低温条件下，悬浮载体生物膜更容易聚集生长，使得生物膜厚度增加，进一步提高MBBR工艺的抗低温性。

图4 生物膜中EPS组分及含量Fig.4 EPS Composition and Content of Biofilm

2.3 TN去除效果

由表4可知，在常温阶段，污水厂进水TN质量浓度为(38.01±9.23)mg/L，存在明显波动，但出水TN能够降至(8.43±2.39)mg/L，稳定达到一级A标准，TN去除率达到77.06%±7.00%，这说明倒置AAO+MBBR工艺对TN具有良好处理能力。而在低温运行阶段，污水厂进水TN质量浓度升至(42.55±8.23)mg/L，但出水TN仍能够降至(8.07±1.48)mg/L，TN去除率进一步升至80.63%±3.96%，这说明MBBR工艺不仅能够实现出水TN的稳定达标，也能够强化系统的抗低温性能。另外，对生化池沿程TN检测分析发现(图5)，MBBR池存在明显SND现象。污水厂总回流比为250%左右，因此，在常温阶段，核算MBBR池氮去除量为4.66 mg/L，占生化池氮去除量的13.87%；而在低温阶段，MBBR池氮去除量进一步增至6.51 mg/L，占生化池氮去除量的18.97%。本研究结果与汪传新等[25]研究结果一致，其研究结果表明，当温度为22.3 ℃时，SND脱氮量占生化池TN去除量的比例为39.4%，而当温度降至15.4 ℃时，SND脱氮量占生化池TN去除量的比例则明显升至47.3%。

图5 污水厂生化池沿程TN变化Fig.5 TN Variation along the Biochemical Tank of WWTP

图6表示的是冬夏两季MBBR1和MBBR2中悬浮载体的生物膜厚度，其中夏季悬浮载体取自2021年6月，而冬季填料取自2022年1月。可以发现在高温夏季，MBBR1和MBBR2池悬浮载体生物膜厚度分别为(316.89±61.71)μm和(270.13±46.55)μm。而在冬季，两池悬浮载体生物膜厚度分别升至(498.67±47.59)μm和(489.79±76.22)μm，表明低温更有利于生物膜富集。通过生物膜厚度的季相变化可以分析MBBR池存在SND的原因，主要是悬浮载体生物膜存在分层现象，外层以好氧硝化菌为主，而内层处于厌缺氧环境，多为反硝化菌。在低温条件下，生物膜较厚，有利于内层反硝化菌生长，从而能够强化MBBR池的SND效果，这也是该污水厂能够保持稳定TN去除效果的原因。另外，有研究表明，生物膜EPS具有可生物降解性，可以被饥饿状态的微生物所降解[26-27]。结合图4可知，低温阶段生物膜EPS含量显著升高，有利于促进内层反硝化菌活性，提高MBBR池SND效果。

图6 MBBR池悬浮载体生物膜厚度变化Fig.6 Change of Biofilm Thickness of Suspended Carrier in MBBR

2.4 TP去除效果

该污水厂磷去除效果如表4所示。在常温阶段，污水厂进水TP质量浓度为(3.98±1.26)mg/L，存在较大波动，但出水TP质量浓度稳定降至(0.11±0.08)mg/L，能够稳定达到一级A标准，这表明该污水处理系统对TP具有较强的去除能力。而在低温阶段，污水厂进水TP质量浓度明显升高至(5.47±0.66)mg/L，但出水TP质量浓度仍然能够降至(0.08±0.03)mg/L，稳定达到排放标准，说明污水厂具有稳定的TP去除效果。

通过测定生化区沿程断面的TP变化(图7)，过渡区由三廊道串联组成，其中第一和第二廊道处于厌氧环境，而第三廊道为微好氧环境。过渡区第一和第二廊道存在明显释磷反应，第二廊道出水TP质量浓度升至3.98 mg/L，释磷倍数为346.1%，而在过渡区第三廊道则存在显著吸磷反应，吸磷倍数达到74.16%，分析主要是该区域的微耗氧环境(DO质量浓度为0.2 mg/L)导致部分氨氮被氧化成硝酸盐，在反硝化除磷菌作用下进行同步脱氮除磷，根据总回流比为250%核算反硝化除磷量为10.27 mg/L。MBBR区的好氧吸磷将TP质量浓度进一步降至0.42 mg/L，核算其除磷量为1.88 mg/L，能够有效降低深度处理阶段TP的去除负荷。另外，核算反硝化除磷和好氧吸磷比例约为8.39，表明系统的磷去除主要是通过反硝化除磷实现的。

图7 污水厂生化池沿程TP变化Fig.7 TP Variation along the Biochemical Tank of WWTP

2.5 SS去除效果

进水中过高的SS会导致生化池污泥浓度的升高，而污水厂往往会采用提高排泥量的方式维持系统的污泥浓度，从而导致功能菌群的流失，进而影响污水厂出水水质。由表4可知，在常温阶段，尽管污水厂进水SS质量浓度高达(316.87±67.76)mg/L，且存在较大波动，但是出水SS却能够稳定降至(5.45±0.92)mg/L左右，稳定达到一级A排放标准，SS去除率始终稳定在98.19%±0.51%。而在低温阶段，污水厂进水SS有所降低，为(221.24±18.14)mg/L，出水SS质量浓度仍能降至(5.40±0.37)mg/L左右，去除率仍能达到97.55%±0.22%。另外，污水厂高效稳定的有机物和氮素去除效果也证明了进水SS的冲击并不会影响污水厂的稳定运行。

2.6 功能菌分析

图8 属水平微生物相对丰度Fig.8 Relative Abundance of Microorganisms at Genus Level

利用FISH试验对污水厂活性污泥和悬浮载体生物膜功能菌进行FISH分析，结果如图9所示，AOB在生物膜和活性污泥中的含量均较低，这与高通量测序结果一致。而NOB则呈不同趋势，其在生物膜中的含量明显高于活性污泥，结合高通量测序结果，进一步说明了悬浮载体生物膜较活性污泥具有更强的硝化菌富集能力。

图9 污水厂悬浮载体生物膜和活性污泥FISH图Fig.9 FISH Diagram of Suspended Carrier Biofilm and Activated Sludge of WWTP

3 结论

(1)污水厂采用倒置AAO+MBBR+高效沉淀池+V型滤池工艺/转鼓过滤器+紫外消毒，提高了系统稳定性，尽管在12 ℃低温条件下，出水CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS质量浓度仍能够分别降至(17.01±0.85)、(4.29±0.23)、(0.78±0.37)、(8.07±1.48)、(0.08±0.03)、(5.40±0.37)mg/L，稳定达到一级A 标准。

(2)悬浮载体的投加能显著提高活性污泥硝化负荷，泥膜复合系统中悬浮载体生物膜的硝化贡献率能够达到50%以上。

(3)MBBR池存在SND现象，且低温条件下尤为明显，SND脱氮量达到6.51 mg/L，占系统TN去除量的18.97%。

(4)低温条件下悬浮载体生物膜能分泌更多EPS，促进微生物生长，从而不仅能够提高系统抗低温性，还可以提高系统SND效果。

(5)系统磷去除主要通过反硝化除磷实现，其中反硝化除磷量为10.27 mg/L，而好氧吸磷量仅为1.88 mg/L，核算反硝化除磷和好氧吸磷比例约为8.39。

(6)MBBR池悬浮载体生物膜的NOB相对丰度明显高于活性污泥，低温阶段生物膜NOB相对丰度甚至达到8.25%～10.34%，高于活性污泥6倍以上；但活性污泥DNB相对丰度高达8.85%～13.05%，高于MBBR池生物膜的2.05%～8.21%，系统反硝化主要发生在活性污泥中，而生物膜中反硝化菌的存在能够增强污水厂生化池处理效果。