应用MBBR工艺处理农田尾水的填料及参数优选

张友德 黄鸿飞 张文祥

（安徽新宇环保科技股份有限公司 安徽合肥 230031）

引言

据全国第二次污染源普查公告显示，畜禽养殖业、种植业以及水产养殖业等农业生产排放的化学需氧量、氮、磷等主要污染物量，已远超工业与居民生活污染源，其中农业生产排放的化学需氧量占总量49%以上，总氮占总量46%以上，总磷占总量的67%以上[1]。农业面源污染已成为我国水体富营养化、水体污染的重要原因，对农业面源污染的控制及治理已成为我国水环境治理的重中之重，也是污染防治攻坚战及现代农业的重要课题。农田尾水作为农业面源污染的主要载体，传统工艺难以应对其水量较大的紧急情况[2]。农田尾水是指在灌溉、降雨或地下水供应的情况下从农田中流出的地表径流，属于农田中的余水。在农业生产过程中，化肥、农药、农田土壤颗粒物和其它有机或无机污染物通过地表径流、农田排水与灌溉、降雨等一起进入地表或地下水体，造成严重污染。

农田尾水具有面广量大、排放无序、水质不稳定、C/N（碳氮比）相对较低等特点[2][3]。针对农田尾水离田后的拦截处理技术包括：植被缓冲带、稳定塘、人工湿地、前置库、生态拦截沟渠、生态田埂等。然而有研究表明，在农业生产过程中，雨季或突发性雨天农田尾水排放时，因水量负荷过大，拦截设施处理效果不理想，拦截设施建造第一年处理效果远好于之后几年[4]。上述拦截处理技术在实际工程应用过程中也出现较多弊端，如易受环境气候条件和温湿度的影响、占地面积较大、管理不合理、功能单一等，这些问题影响了污水土地处理系统对农业面源污染的处理效果，妨碍其大范围地推广应用。

移动床膜生物反应器（简称MBBR）工艺能够强化脱氮除磷，投资低，运行简单。不需污泥回流或反冲洗，耐冲击负荷能力强，出水水质稳定，处理效率高，并且性能稳定[5][6]。针对雨季或突发性雨天农田尾水的排放，运用MBBR 反应器对农田尾水处理的相关研究较少，决定处理效果的核心是反应器中悬浮填料的表面性能，本研究就影响填料挂膜的重要影响因素，同时对几种悬浮填料进行优选，对农田尾水处理发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置如图1 所示，由MBBR 池和沉淀池组成，通过液体流量计与进水相连。MBBR 池和沉淀池均为亚克力圆柱体材质，MBBR 池容积约为100L，沉淀池容积约为35L。MBBR 池底部设有曝气盘，与风机相连，由气体流量计（LZM-6T 余姚宝通仪器）调节流量。设置污泥回流装置将沉淀池污泥回流到MBBR 池中。为减少误差，同时有多组相同装置进行实验。实验用水是在实验室内人工配置的农田尾水，其中TN 浓度为15mg/L，TP 浓度为3mg/L，碳氮比约为6。进水方式为连续进水，进水通过蠕动泵（KCPPRO3-N40 上海卡默尔），在出水口取样，测定污染物的含量。

图1 实验装置图

1.2 投加填料

投加的悬浮填料是MBBR 的核心，其性能和效果直接影响MBBR 工艺的污水处理效果。聚乙烯和聚氨酯材质的悬浮填料是目前市面上比较常见的悬浮填料，并且价格低廉；PPC 高效悬浮载体，是一种由聚氨酯和其它高分子材料复合而成的凝胶状多孔体，它具有超强的亲水性，兼具比表面积大、投加比例低、挂膜速度快、使用寿命长等特点。本研究选取上述3 种填料，具体参数见表1。

表1 填料参数表

1.3 实验方法

首先对装置进行污泥接种、填料挂膜操作，先选取聚乙烯填料进行实验，研究不同水力停留时间（HRT）、曝气量条件下的氮磷去除情况，确定其在本实验下的最佳参数，在最佳参数的条件下用三种不同的填料进行实验。填料在装置内的填充率恒为20%，出水水样每两天在固定时间点测定一次。

1.4 测定及方法

根据国标法测定TN、TP：TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP 采用钼酸铵分光光度法测定。使用的测定仪器为UV-5200 紫外可见分光光度计，采用origin 软件处理和分析数据。

2 结果与讨论

2.1 水力停留时间（HRT）对污染物去除的影响

水力停留时间（HRT）是指污水在装置中的平均停留时间，是装置设计的重要参数之一。直接影响对污水中脱氮、除磷的效果。水力停留时间越长，污水与装置中生物膜的接触时间也就越长，有利于污染物的去除。水力停留时间对农田尾水氮磷去除影响如图2、图3 所示。

图2 水力停留时间对总氮去除影响

图3 水力停留时间对总磷去除影响

由图2 可知，当水力停留时间由4h 增加到6h，TN去除率不断增加，初始的TP 去除率也由19%增加到33%，后期TP 去除率也由73%增加到83%；从6h 增加到8h，去除率相差不大；从8h 增加到10h，去除率整体都较小。水力停留时间为4h 时，流化速度较大，悬浮填料受到较强的冲刷，生物膜难以形成，使得硝化细菌繁殖速度减缓，装置的污染物去除能力受到一定程度的影响。提高水力停留时间到6h 和8h，流化速度减缓，微生物易附着聚集在悬浮填料表面。微生物与污染物的接触时间随水力停留时间的延长而增加，TN 去除率也随着提升。碳源一定时，继续提高水力停留时间，此时硝化细菌与聚磷菌形成竞争，营养物越来越少，微生物可能出现负增长，生物膜会从填料表面脱落，对氮的去除效果减弱。

由图3 可知，当水力停留时间由4h 增加到6h，TP去除率不断增加，初始的TP 去除率由27%增加到38%，后期TP 去除率由74%增加到94%；从6h 增加到8h，去除率相差不大；从8h 增加到10h，去除率整体都较小。水力停留时间为4h 时，流化程度较大，由于微生物难以附着于悬浮填料，生长繁殖受到抑制，TP去除率较低。水力停留时间提高到6h 和8h，冲刷强度减弱，在此流化程度，悬浮填料附着大量微生物，微生物与污染物可充分接触，增加净化效果，TP 的去除率处于较高的水平。水力停留时间在6h 和8h 时，MBBR系统具有较好的除磷效果，出水TP 可以稳定达到国家一级A 标准。

2.2 曝气量对污染物去除的影响

曝气的作用是供给溶解氧，并起到搅拌、混合作用。对污水处理系统中的好氧单元，需提供充足的氧气，让好氧菌充分发挥作用，净化能力更彻底。溶解氧量并不是越大越好，过度曝气会增加能耗，还会引起污泥膨胀，使出水变浑浊。曝气量对农田尾水氮磷去除影响如图4、图5 所示。

图4 曝气量对总氮去除影响

图5 曝气量对总磷去除影响

由图4 可知，在整个实验过程中，曝气量6L/min情况下的TN 去除率均高于曝气量2L/min、4L/min 和8L/min 时的TN 去除率，去除率最高能达到85%以上。曝气量2L/min 时，溶解氧含量低，硝化细菌和亚硝化细菌受到溶解氧低的影响，硝化作用效率降低，TN 的去除率也有所下降。由此可见，曝气量6L/min 时TN去除率最高，适宜的曝气量使MBBR 工艺硝化效率更高，脱氮效果更好。

当曝气量为4L/min 时，因曝气量较小，悬浮填料的流动速度比较慢，有利于挂膜初期其表面微生物膜的形成，污泥浓度较低，对溶解氧的需求也较低。由图5 可知，前期曝气量4L/min 比曝气量6L/min 和8L/min时的TP 去除率高。后期微生物的繁殖使得曝气量成为了限制条件，曝气量6L/min 装置中TP 去除率最高，达到92%。溶解氧量对挂膜启动有较大影响。曝气量较小时，溶解氧低，整个系统呈现缺氧或厌氧状态，pH减小，好氧菌大量死亡，附着在悬浮填料上的功能性微生物数量减少，净化污水能力下降。曝气量较大时，溶解氧量高，反应器流速快，悬浮填料上微生物组成的菌胶团及微生物被冲刷而脱落，影响处理效果[7]。

2.3 不同填料下污染物去除情况

填料是MBBR 工艺的核心，由于其密度与水接近，曝气时可与水充分混合。填料表面会附着生物膜，生物膜上由里到外依次有厌氧菌、兼氧菌和好氧菌，能高效对污水进行净化。不同填料对农田尾水氮磷去除影响如图6、图7 所示。

图6 不同填料对总氮去除影响

图7 不同填料对总磷去除影响

在最佳水力停留时间和曝气量条件下进行不同填料对农田尾水氮磷去除影响实验。投加聚乙烯填料、聚氨酯填料和PPC 填料的三个装置，在出水浓度稳定的情况下，TN 浓度依次为83%、84%、91%，TP 浓度依次为87%、89%、94%。前期TN 浓度依次为25%、31%、42%，TP 浓度依次为45%、48%、55%。可知PPC 聚氨酯填料对氮磷去除效果最佳，聚氨酯填料略优于聚乙烯填料。影响悬浮填料净化效果的重要指标即比表面积，该值越高，用于微生物生长繁殖的空间就越大，附着于填料上的微生物量越多，对氮磷的去除效果就越好。聚乙烯和聚氨酯填料的比表面积相近，但对氮磷去除效果不同，这是由于它们表面粗糙度不同，孔隙率不同等因素导致的。PPC 聚氨酯填料较其它填料，在曝气状态下更易处于流化状态。结构是PPC 聚氨酯填料与一般的聚氨酯海绵载体最显著的区别，PPC 聚氨酯填料呈现的是墙体结构，聚氨酯活性填料是肋状结构，墙体结构吸水作用更好，PPC 凝胶填料的亲水性能也相对较好，因此PPC 聚氨酯填料的净化处理效果优于其它填料[8][9]。

结语

控制水力停留时间分别为4h、6h、8h、10h 处理农田尾水。得出结论：水力停留时间在6h 和8h 时，污染物去除效果接近，TN 去除率分别为83%和84%，TP 去除率分别为94%和92%，综合考虑8h 为最佳水力停留时间。控制曝气量分别为2L/min、4L/min、6L/min、8L/min 处理农田尾水。得出结果：当曝气量为6L/min 时去除率最高，TN 和TP 的去除率分别达到85.5%和92%。在最佳水力停留时间和曝气量条件下，选择聚乙烯填料、聚氨酯填料和PPC 聚氨酯填料处理农田尾水。发现：PPC 聚氨酯填料处理效果最佳，TN 和TP 的去除率分别达到91%和94%。鉴于我国农业的机械化、集约化水平较低，农田尾水的治理是一项长期而艰巨的任务，也是我国未来水污染治理的重点。继续开展农田尾水污染减量的研究会给我国水体治理、流域水环境达标等提供参考价值。