冬季低温条件下两级AO-MBBR装备处理社区污水效果研究

2022-09-12邓睿谢会敏潘伟亮杨美成龚文静李果

应用化工 2022年7期

邓睿，谢会敏，潘伟亮，杨美成，龚文静，李果

(1.重庆交通大学环境水利工程重庆市工程实验室，重庆 400074；2.中国中铁二院工程集团有限责任公司建筑工程设计研究院，四川成都 610031；3.重庆阁林环保科技有限公司，重庆 400045)

移动床生物膜反应器(MBBR)具有占地小、性能稳定、能耗低、抗冲击负荷能力强等优点，在我国东北、西北以及西南云贵高原地区普遍有应用。一般，秋季污水水温12～16 ℃，冬季水温一般为8～10 ℃甚至更低，秋冬季节水温低于15 ℃的时间一般为3～4个月[1]。随着对污水处理厂出水水质标准要求的提高，对能够在低温条件下保持稳定运行的工艺及调控方法的需求越来越迫切[2]。两级AO-MBBR是一种基于反硝化脱氮除磷理念的新型双污泥工艺，在高寒山区有工程用。本文以重庆市九龙坡区铝城四区生活污水为原水，采用两级AO-MBBR组合工艺对日处理量为30 t/d的生活污水处理工程进行试验研究，分析了低温条件下COD、总氮、氨氮与总磷等主要水质指标的去除效果，以期为山地村镇污水处理设施的低温运行提供数据支撑与技术参考[3]。

1 实验部分

1.1 水量与水质

装备日处理量见表1。

表1 日处理量Table 1 Day processing quantity

装备设计日处理量30 t/d，其中夏季波动较大，降雨时处理量高达56 t/d，而春、秋、冬三季日处理量较为稳定。

试验装置设计进出水及实际进出水水质指标见表2。

表2 进出水指标Table 2 Inlet and outlet water quality index

装备进水以社区生活污水为主，含少量的工业废水，在进水水质设计中采集了污水厂服务范围内各污水排放口的水质监测数据，并充分考虑了城市的发展需要，以及西南地区城市排水管网特性和雨季泥沙进入等水质特点[4]。

1.2 工艺流程

工艺流程见图1。

装备外观尺寸为(长×宽×高)：8 m×3 m×3 m，实际运行有效容积为6.8×104L。装置横向分割成两个反应器，内壁均由不锈钢制成，其中一级反应器由前置预处理(调节池)、缺氧段(A1)和 MBBR 好氧池段(O1)组成，二级反应器由缺氧段(A2)和好氧段(O2)组成。一级AO池与二级AO池的体积比为1∶3.5，A1与O1的体积比为1∶1.5，A2与O2的体积比为2∶1。实验过程中缺氧段采用机械搅拌混合，好氧池段采用曝气盘进行曝气。

图1 两级AO-MBBR 工艺流程图Fig.1 Two-stage AO-MBBR process flow chart

一级缺氧池：池体采用不锈钢材料制作，规格：1.2 m×2.8 m×2.8 m=9.408 m3，有效容积 8.8 m3，配搅拌器采用304 不锈钢；MBBR 池：池体采用不锈钢材料制作，规格1.8 m×1 m×2.8 m=14.11 m3，有效容积13.2 m3；回流池：池体采用不锈钢材料制作，规格：0.7 m×1 m×2.8 m=1.96 m3，有效容积1.6 m3，配套有硝化液回流系统；二级好氧池：池体采用不锈钢材料制作，规格 0.7 m×1 m×2.8 m=1.96 m3，有效容积1.6 m3，曝气系统(微孔曝气)出气量2 m3/h 及混合液回流设备；二级缺氧池池体采用不锈钢材料制作，规格：1.4 m×1 m×2.8 m=3.92 m3，有效容积 3.2 m3，配套缺氧池搅拌机，鼓风机、搅拌器采用304不锈钢，设导流片；沉淀池：池体采用不锈钢材料制作，规格：1.5 m×1 m× 2.8 m=4.2 m3，有效容积3.8 m3，配套污泥回流系统及排泥系统；过滤池：池体采用不锈钢材料制作，规格：0.8 m×0.5 m×2.8 m=1.12 m3，有效容积0.9 m3，采用砂滤池过滤，定期反洗；清水池：池体采用不锈钢材料制作，规格0.8 m×0.5 m×2.8 m=1.12 m3，有效容积0.9 m3，配套紫外线消毒系统。各处理单元水力停留时间(HRT)设置为：预处理调节池1.5 h、一级缺氧池1.5 h、MBBR好氧池2.0 h、二级缺氧池2.5 h与二级好氧池3.5 h。污泥回流比为100%，混合液回流比为200%。

1.3 填料的选择

悬浮填料的投加可以为微生物提供附着生长的位置，其较大的比表面积为微生物提供足够的空间生长繁殖，使反应器中有丰富的生物量。一定厚度的生物膜附着在生物载体上，可以在微观上形成好氧-缺氧-厌氧的微环境，使得生物膜在不同空间位置上多种脱氮功能性微生物协同生长，增强反应器对污染物的去除能力[5]。

本实验MBBR好氧池中填料类型为K3，比表面积为500 m2/m3，直径×深度为25 mm×10 mm，填充率为30%。该填料易于挂膜，比表面积较大，可以促进微生物的反应速率，悬浮型填料使用时可随意放置，且不需要进行反复冲洗，节约成本。

1.4 分析项目和方法

COD、氨氮、总氮的测定参考《水和废水监测分析方法》[6]，总磷采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)测定。

2 结果与讨论

装备于10月下旬启动运行，进水温度为15 ℃左右，pH值在6.5～7.5之间，维持MBBR池的溶解氧(DO)为2.0～4.0 mg/L，进行实验研究。通过快速排泥法启动，实验接种污泥取自重庆市九龙坡区含谷镇污水处理站回流污泥。经过连续的培养，填料上逐渐生长生物膜，挂膜时间约15 d，生物膜呈黄褐色，污泥中出现了轮虫、线虫等后生动物，出水水质变清，出水COD和氨氮等指标基本稳定[7-8]。填料挂膜成功，系统进入稳定运行状态。

2.1 低温下组合工艺对 COD 的去除效果

组合工艺对COD去除情况见图2。

图2 装备对 COD 的去除效果Fig.2 COD removal effect of equipment

由图2可知，运行初期水温为15～18 ℃，进水COD浓度为79～93 mg/L，平均进水浓度为 87.2 mg/L，经处理，平均出水COD浓度为 13.22 mg/L，系统对 COD 平均去除率为85.8%。运行15～20 d后水质检测发现去除效果逐渐提升，由平均去除率78.1%提升至88.6%，在运行25 d后达到最佳，平均去除率达89%。此时气温较低，水温为12～15 ℃。COD去除效果好，主要原因是悬浮填料的投加，使好氧区生物量大幅度提升，在一定程度上提高了COD的去除效果；其次，缺氧池与好氧池的交替运行，可以提高反应器中的污泥活性，在不利的环境下生存了一段时间后，微生物可以产生更多的酶来提高摄营养液的效率[9]。相比传统单一的两级AO和MBBR工艺，组合工艺中进水大分子有机污染物质易降解小分子有机物在缺氧区作为反硝化所需碳源被进一步利用及去除[10]，后续好氧区可进一步氧化去除有机污染物质。

吴迪等[11]采用Bardenpho-MBBR工艺对北方某污水处理厂污水进行处理，在冬季与春季交替时期低温情况下运行生化池水温处于10～15 ℃，COD去除率可达 98.3%。虽然低温会影响微生物的活性和生长，但是生化池中MBBR工艺中生物膜的存在可提高反应速率，这与本文研究结果相一致。因北方地区冬季干燥降雨量相对西南地区进水量小，两级AO-MBBR 组合工艺可体现出更强的抗冲击负荷能力。可适用于处理西南地区降雨量大进水水质不稳定情况，也便于在西南地区村镇进行推广应用。

2.2 低温下组合工艺对总氮的去除效果

组合工艺对TN去除情况见图3。

图3 装备对总氮的去除效果Fig.3 TN removal effect of equipment

由图3可知，装置进水总氮浓度范围为 27.8～29.8 mg/L，平均浓度为28.5 mg/L，经处理后对总氮的平均去除率为76.2%。系统平均出水浓度为6.75 mg/L，满足一级A出水标准要求。该工艺在温度较低的情况下对总氮的去除效果显著，分析其原因：①MBBR好氧池中的悬浮填料为微生物(硝化细菌等)的生长提供了载体，延长了其污泥龄，弥补了其在低温下生物活性低的不利因素；且微生物种群丰富，会对难降解或缓降解有机物具备一定的处理能力[12]；②在一级AO(无回流)条件下，降低了回流硝化液中DO与硝态氮对有机物的有竞争作用，一级缺氧区反硝化对进水有机物利用较为彻底，可进一步去除进水中总氮。

2.3 低温下组合工艺对总磷的去除效果

组合工艺对TP去除情况见图4。

图4 装备对总磷的去除效果Fig.4 TP removal effect of equipment

由图4可知，装置进水总磷浓度范围为2.32～2.62 mg/L，平均浓度为2.54 mg/L，一级AO池总磷出水范围为0.67～1.67 mg/L，二级 AO池总磷的出水浓度为0.32～1.44 mg/L，在稳定运行25 d后出水浓度仅有 0.21 mg/L，去除率最高可达 91.8%。两级AO主要通过排出剩余污泥的方式来去除水中的磷，预处理区的设置为缺氧区提供了良好的无氧条件，投加碳源(淀粉)，可保证生物除磷过程中对碳源的需求[15]，采用较短泥龄的活性污泥，在强化脱氮效果的同时，可强化除磷效果。二级阶段投加的PAC在水中水解，形成三价铝金属离子，三价铝与废水中的可溶性磷酸盐结合，生成非可溶性的磷酸盐沉淀，其次，PAC的混凝作用使水中的磷酸根与其他有机污染物迅速混凝成团，通过排泥的方式排出系统，达到除磷的效果[16]。

李家伦等[17]对填料强化A/O工艺处理小城镇污水的实验进行研究，结果表明，填料的投加可以强化A/O工艺对城镇污水的处理效果，在实验中添加化学辅助除磷，磷的去除效果得到显著的提升，TP的平均去除率可以达到86%。

2.4 低温下组合工艺对氨氮的去除效果

组合工艺对氨氮去除情况见图5。

由图5可知，进水氨氮为23.6～26.8 mg/L，平均为25.4 mg/L，运行前期水温为12～16 ℃，于 25 d 进入稳定运行后温度持续低于15 ℃，虽不利于硝化，但由于生物膜的存在，氨氮氧化效果良好。装备对氨氮去除效果好，MBBR悬浮填料能为硝化菌、亚硝化菌等提供生存空间，使硝化菌大量繁殖，延长其污泥龄，弥补了其在低温下生物活性低的不利因素，且吸附在填料上的硝化菌、亚硝化菌不易流失，为系统中氨氮的高效去除提供保障[18]。

图5 装备对氨氮的去除效果Fig.5 NH3-N removal effect of equipment

悬浮填料-活性污泥负荷系统，抗冲击负荷能力强，整个系统内填料流化状态良好，其硝化反应主要发生在生物膜上，悬浮填料富集硝化细菌对低温的耐受性以及较强的处理能力[19]。这与邵曙海等[20]采用MBBR工艺处理生活污水，在温度低于 10 ℃ 时，硝化负荷可达0.4 kg NH3-N/(m3·d)，得出的结论一致。此外，顾升波等[21]在13.4 ℃时采用 A/O-MBBR 工艺处理生活污水，在较高硝化负荷下，也取得了较好的氨氮处理效果。

2.5 组合系统对污染物的去除贡献分析

组合工艺对污染物去除情况见图6。

图6 组合系统对污染物的去除贡献Fig.6 Contribution of the combined system to pollutant removal

由图6可知，采用两级AO-MBBR 组合工艺对冬季污水处理后，出水水质指标COD、总氮、总磷和氨氮平均去除率分别为85.8%，76.2%，77.1%和75.7%，去除效果显著，其中一级AO对COD、总氮、总磷和氨氮平均去除率分别为 32.1%，18.3%，25.4%和 17.8%，二级AO对COD、总氮、总磷和氨氮平均去除率分别为50.3%，49.8%，46.7%和 50.7%。组合工艺中一级AO反应器和二级AO反应器对污染物去除贡献不同，相对一级AO，二级AO阶段碳源及PAC的投加使其对污染物的去除更显著，去除贡献更大。

当一级AO 出水水质无法达到出水指标或者下一处理单元进水指标时，一级AO段去除不掉的氮在后加的二级缺氧段通过补充碳源进行反硝化脱去，最后的好氧段控制较高溶解氧，氧化剩余的碳源和有机物[22]。因二级阶段有PAC的投加体现了化学除磷的保障作用，外加混合液200%回流，使得二级反应器去除效率高，但成本亦有相应增加。

针对西南地区秋冬季节温和少雨，以及村镇污水处理面临低温低浓度劣势环境下的污染物的去除效率难以提高这一难题，重庆九龙坡铝城污水处理厂采用两级AO-MBBR 工艺。其中，两级AO作为生物脱氮除磷的基础工艺，同时耦合MBBR，结果表明装备挂膜启动快，去除效率高[23]，可为村镇污水处理启动运行维护提供技术参考。