新型填料復(fù)合多級MBBR工藝脫氮及污泥減量研究

劉永紅，李妙婕，楊謹(jǐn)如，王 寧，李耀中

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048）

農(nóng)村城鎮(zhèn)化是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，隨著城鎮(zhèn)化速度逐漸加快，城鎮(zhèn)污水排放量穩(wěn)步增長，由此產(chǎn)生的環(huán)境污染是城鎮(zhèn)發(fā)展中的突出問題〔1〕。而城鎮(zhèn)生活污水氮磷濃度相對較高、水量波動較大，但有毒有害物質(zhì)少、可生化性好，且為間歇式排放〔2〕。目前，城鎮(zhèn)生活污水的收集和集中處理設(shè)施匱乏〔3〕，出水大部分只能達(dá)到二級出水標(biāo)準(zhǔn)或一級B標(biāo)準(zhǔn)〔4〕。因此，為滿足生活污水達(dá)標(biāo)排放，提高居民的生活環(huán)境和生活質(zhì)量，亟需對生活污水進(jìn)行深度處理。

現(xiàn)階段國內(nèi)已建城鎮(zhèn)生活污水處理工程常用工藝主要有以下5種：A/O＋人工濕地工藝、改良A2/O＋人工濕地工藝、厭氧濾池＋氧化塘＋生態(tài)溝渠工藝、凈化槽工藝、MBR（膜生物反應(yīng)器）工藝〔5〕。 這些工藝大多存在占地面積大、成本高、能耗大、管理維護(hù)復(fù)雜、處理效果不穩(wěn)定等問題。移動床生物膜反應(yīng)器（moving bed biofilm reactor，MBBR）被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的一項(xiàng)新興技術(shù)，具有占地面積小、投資成本低、運(yùn)行簡便、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸發(fā)展成為一種高效新型的污水處理工藝〔6〕。其原理是利用活性污泥工藝中生物量懸浮生長的工藝特性，向曝氣池內(nèi)投加適量密度與水相近的懸浮填料，污水連續(xù)通過反應(yīng)器時(shí)，在曝氣池水流和氣流的共同作用下，填料在曝氣池內(nèi)旋轉(zhuǎn)翻滾呈流化狀態(tài)〔7〕。

填料是微生物附著生長的載體，是生物膜法中的核心組成部分，微生物賴以生存的必要條件，對污水處理工藝的發(fā)展起著關(guān)鍵作用〔8〕，填料的投入可提高微生物群落的種類和數(shù)量〔9〕。因此，MBBR工藝的核心就是懸浮填料。廣泛應(yīng)用于MBBR系統(tǒng)中的生物膜載體材質(zhì)包括聚乙烯、聚氨酯、顆粒活性炭、陶瓷、砂土和硅藻土等〔10〕。目前，最常用的載體材質(zhì)是塑料〔11〕。但塑料材質(zhì)的填料親水性差，不易流化，不能形成嚴(yán)格的缺氧區(qū)〔12〕，無法滿足更高要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

筆者擬開展新型填料復(fù)合多級MBBR系統(tǒng)的工藝研究，考察系統(tǒng)COD和的處理效果，并通過SEM觀察兩種載體中附著微生物的變化情況，分析計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間污泥產(chǎn)量，綜合評價(jià)該新型填料復(fù)合MBBR系統(tǒng)的運(yùn)行效果，以期為相關(guān)工程推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

本實(shí)驗(yàn)裝置主要由AMC-MBBR反應(yīng)器（25 L）、一級 PBG-MBBR反應(yīng)器（25 L）、二級 PBG-MBBR反應(yīng)器（25 L）和沉淀槽（10 L）4部分組成，流程如圖1所示。

圖1 AMC-PBG/MBBR生物處理工藝流程

投加11.5 L、質(zhì)量濃度為5 563 mg/L的活性污泥、10 L碳氮比為40∶1的自配水和5 L AMC載體于AMC-MBBR反應(yīng)器中混合曝氣，在一級PBG-MBBR和二級PBG-MBBR反應(yīng)器中投加等量的活性污泥與5 L的PBG載體混合曝氣5 d?？刂迫莘e負(fù)荷從0.1 kgCOD/（m3·d） 逐漸提高到 0.5 kgCOD/（m3·d），連續(xù)進(jìn)某高校實(shí)際生活污水。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水與填料

實(shí)驗(yàn)用水取自西安某高校實(shí)際生活污水，COD為 100～470mg/L，為 18～67mg/L，BOD5為 120～250 mg/L，SS 為 100～400 mg/L，濁度為 50～220 NTU，pH 為 7.5～8.0。

新型生物填料 AMC（Anaerobic Microorganism Carrier）是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子復(fù)合材料，大小為4 mm左右，密度略大于水，經(jīng)特殊生物親和處理，因而形成通體鱗片狀及通孔狀的親水結(jié)構(gòu)，表面呈微膨脹狀態(tài)且為凹凸?fàn)?，易于微生物著床，在表面及?nèi)部形成生物膜，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，使用壽命可達(dá)20 a以上。柔性生物填料PBG（Porous Bio-gel）是一種海綿狀且吸水性能極強(qiáng)的多孔凝膠載體。比表面積為4 000 m2/m3，極大地提高了生物附著量；內(nèi)部墻體結(jié)構(gòu)，提高了對氧的利用率；密度適中，與水接近，在MBBR系統(tǒng)中極易流化。遇水后載體凝膠吸水膨脹體積增大，而吸水后的凝膠表面是微生物附著生長的絕佳場所。其立方體結(jié)構(gòu)極易形成內(nèi)部缺氧，外部好氧的微環(huán)境，有利于對的去除。相比本實(shí)驗(yàn)室前期王毅博等〔13〕使用日本某公司研發(fā)的一種聚乙烯醇凝膠小球（PVA）填料，在成本上具有極大的優(yōu)勢，這將有利于工程上的推廣使用。

1.3 分析方法

2 結(jié)果分析與討論

2.1 AMC-PBG/MBBR生物處理工藝的啟動與運(yùn)行

2.1.1 反應(yīng)器的啟動

控制 AMC-MBBR 反應(yīng)器 pH 6.5～8.0，DO 3.5～6.0 mg/L。當(dāng)AMC-PBG/MBBR系統(tǒng)穩(wěn)定在容積負(fù)荷為0.5kgCOD/（m3·d），HRT 為 48.6h，日均進(jìn)液量 42L，平均進(jìn)水COD和分別為186.7、38.01 mg/L，平均溫度為18.5℃。經(jīng)過5 d的運(yùn)行COD和的去除率分別達(dá)到80%、98%以上，系統(tǒng)啟動成功。

2.1.2 AMC-PBG/MBBR生物處理工藝容積負(fù)荷的提高

系統(tǒng)啟動成功后， 以每次 0.5 kgCOD/（m3·d）的梯度逐步提升系統(tǒng)負(fù)荷，每個(gè)容積負(fù)荷運(yùn)行5 d左右，保證COD去除率達(dá)到80%以上，持續(xù)提升系統(tǒng)容積負(fù)荷直至達(dá)到 2.0 kgCOD/（m3·d），經(jīng)過 29 d 的提升負(fù)荷運(yùn)行，AMC-PBG/MBBR工藝COD與處理效果變化如圖2所示。

由圖2可以看出，第4天—第14天系統(tǒng)COD去除率基本呈上升趨勢，且在第7天—第14天去除率穩(wěn)定在80%以上，最高去除率達(dá)到90%；第15天—第 20 天容積負(fù)荷提到 2.0 kgCOD/（m3·d）時(shí)，COD去除率出現(xiàn)較大波動，去除率基本在80%以下，平均去除率為77%；第21天—第24天，降低工藝負(fù)荷至 1.8 kgCOD/（m3·d），去除率出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，在第21天達(dá)到90.1%，隨后逐步降低至76.6%；最終將容積負(fù)荷調(diào)至 1.5 kgCOD/（m3·d）時(shí)，COD 去除率開始回升，最高達(dá)到90.3%，并穩(wěn)定在80%以上。同時(shí)，提升負(fù)荷對的去除效果影響不大，僅在2.0 kgCOD/（m3·d）時(shí)具有較大波動。

結(jié)果表明，AMC-PBG/MBBR生物處理工藝對該高校生活污水的最佳處理容積負(fù)荷為1.5 kgCOD/（m3·d）。 該負(fù)荷運(yùn)行條件下，系統(tǒng)對 COD 和去除率分別達(dá)到80%和96%；同時(shí)BOD5去除率達(dá)到94%以上。對比王利娜等〔15〕研究的PVA生物處理工藝，提升負(fù)荷階段COD和波動較大，相同容積負(fù)荷條件下，COD、、BOD5去除率分別為73%、80%、90%，由此進(jìn)一步說明本工藝在提升負(fù)荷階段表現(xiàn)出去除率更穩(wěn)定且高的優(yōu)勢。

2.1.3 AMC-PBG/MBBR生物處理工藝的連續(xù)運(yùn)行

為考察在以上條件下該工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性，在1.5 kgCOD/（m3·d）的最優(yōu)容積負(fù)荷條件下穩(wěn)定運(yùn)行多級MBBR系統(tǒng)20 d，此時(shí)水力停留時(shí)間（HRT）為16.3 h。穩(wěn)定運(yùn)行期，AMC-PBG/MBBR生物處理工藝對實(shí)際生活廢水的處理效果如圖3所示。

圖2 AMC-PBG/MBBR工藝容積負(fù)荷提高階段處理效果

圖3 AMC-PBG/MBBR工藝連續(xù)運(yùn)行效果

2.2 AMC及PBG載體外觀變化與微生物富集情況

為了分析運(yùn)行過程中兩種新型填料內(nèi)微生物的變化及其對污水處理的作用機(jī)制，在不同運(yùn)行階段對AMC載體和PBG載體進(jìn)行取樣表征。

2.2.1 載體的外觀變化

經(jīng)過一個(gè)月的運(yùn)行，觀察到兩種載體運(yùn)行時(shí)期的外觀變化：AMC載體由初始的黃色變成了褐色，運(yùn)行結(jié)束（80 d）時(shí)成熟的AMC載體變?yōu)榘岛稚?。同時(shí)，AMC載體粗糙表面及多孔結(jié)構(gòu)使得其表面附著明顯的活性污泥，AMC表觀顏色的變化說明微生物在AMC載體上的附著量增多，從而導(dǎo)致顏色有所加深。由于PBG載體的大孔腔體結(jié)構(gòu)以及其獨(dú)特親水凝膠特性，經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)掛膜，其尺寸因吸水膨脹而有所增加，同時(shí)其內(nèi)部附著生長了大量活性污泥微生物，隨著活性污泥附著量的增加，PBG顏色有所加深，最終由初始的白色變成了黃色，直至運(yùn)行結(jié)束（80 d）時(shí)成熟的PBG載體變?yōu)樯詈稚?/p>

2.2.2 載體SEM表征

為更詳盡地表征載體表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及微生物負(fù)載情況，采用SEM對不同階段的兩種載體進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。

空白AMC載體表面具有明顯的凹凸槽，及細(xì)微的孔狀結(jié)構(gòu)，有利于微生物的附著生長，內(nèi)部具有大量的孔腔，有助于微生物在其內(nèi)部的延伸生長，提高M(jìn)BBR系統(tǒng)內(nèi)污泥保有量。經(jīng)過80 d的運(yùn)行載體表面附著了大量微生物，其中以絲狀菌和球狀菌為主，并觀察到大量原生動物鐘蟲。圖4顯示AMC內(nèi)部微生物附著量較少，這可能是由于較大的AMC表面積已經(jīng)滿足了AMC-MBBR反應(yīng)池內(nèi)微生物的生長，微生物無需克服微孔擴(kuò)散向AMC顆粒內(nèi)部進(jìn)行生長和代謝?？瞻譖BG載體為通孔墻體骨架結(jié)構(gòu)，其骨架墻體表面布滿微孔，有利于絲狀菌的吸附著生。經(jīng)過80 d的運(yùn)行，PBG表面和內(nèi)部均附著大量球菌、絲狀菌等微生物，這說明各種微生物從表面逐漸附著到內(nèi)部，達(dá)到細(xì)菌的高濃度化，從而有利于污染物的高效降解。

綜上所述，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，處理生活污水的污泥微生物逐漸附著生長于AMC和PBG兩種新型填料表面及內(nèi)部，有機(jī)物和氧氣通過擴(kuò)散到達(dá)內(nèi)部微生物，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部微生物的穩(wěn)定生長和代謝。兩種填料的應(yīng)用提高了系統(tǒng)內(nèi)污泥量，并潛在增加了微生物多樣性，進(jìn)而有利于該復(fù)合生物工藝對生活廢水的處理效率。此外，運(yùn)行結(jié)束后計(jì)算AMC-MBBR和PBGMBBR系統(tǒng)載體內(nèi)微生物附著量分別達(dá)到0.427 g/g（以單位質(zhì)量的AMC載體附著的VSS計(jì)）和7.92 g/L（以單位體積的PBG載體附著的VSS計(jì)），這說明兩種載體對系統(tǒng)內(nèi)微生物具有很好的富集能力。

圖4 PBG載體微生物富集的SEM圖

2.3 污泥減容效果

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段，活性污泥及微生物大部分附著于載體內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃度較低，AMCMBBR反應(yīng)器懸浮污泥質(zhì)量濃度為200～330 mg/L，一級PBG-MBBR反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥質(zhì)量濃度為120～260 mg/L，二級PBG-MBBR反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥質(zhì)量濃度為50～190 mg/L。

為了進(jìn)一步確定該復(fù)合工藝對污泥的減量化效果，對穩(wěn)定運(yùn)行期AMC-PBG/MBBR生物處理工藝COD去除量及污泥排放量進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)文獻(xiàn)〔17〕計(jì)算污泥表觀產(chǎn)率，得出該工藝污泥表觀產(chǎn)率為0.043 kgMLSS/kgCOD。多孔載體與傳統(tǒng)的活性污泥表觀產(chǎn)率約為 0.3～0.4 kgMLSS/kgCOD〔18〕，兩者相比有明顯的污泥減量效果；與楊文煥等〔19〕研究的多級MBBR與A2O工藝中污泥表觀產(chǎn)率為0.12 kgMLSS/kgCOD相比，有進(jìn)一步的污泥減量效果；與王利娜等〔15〕研究的PVA生物處理工藝中污泥表觀產(chǎn)率為0.08 kgMLSS/kgCOD相比有更進(jìn)一步的污泥減量效果。主要是因?yàn)槎嗉塎BBR工藝內(nèi)部提供好氧環(huán)境，反應(yīng)器內(nèi)形成不同的生物群落，復(fù)雜的生物群落導(dǎo)致系統(tǒng)中能量單位遞減和剩余污泥的減少；同時(shí)填料由內(nèi)及外形成缺氧-好氧微環(huán)境，有機(jī)污染物吸附于載體表面，表面的微生物通過生物氧化反應(yīng)，消耗其中的營養(yǎng)物質(zhì)和能量，分解污水中溶解性有機(jī)質(zhì)，污泥分解、低分子化會釋放碳源，促進(jìn)脫氮效果并實(shí)現(xiàn)污泥原位消減〔20-21〕；其次，對于一般異養(yǎng)微生物，其增長模式一般以“直接利用”為主，即處于好氧環(huán)境中，并且具備足夠的有機(jī)基質(zhì)才可能成長為優(yōu)勢菌群〔22〕，而在AMC-PBG/MBBR生物處理工藝中，是一種兼具“缺氧-好氧”的運(yùn)行模式，普通異養(yǎng)菌便不具備優(yōu)勢，導(dǎo)致生長速率減慢，從而達(dá)到污泥減量的目的。

3 結(jié)論

（1）AMC-PBG/MBBR生物處理工藝能夠在短期（10 d）內(nèi)快速完成啟動過程，容積負(fù)荷達(dá)到0.5 kgCOD/（m3·d），該工藝具有快速啟動的優(yōu)勢。 并具有高標(biāo)準(zhǔn)且穩(wěn)定的生活污水處理效果，出水COD、NH4+-N、BOD5平均值分別為 44.2、0.81、10 mg/L，均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。

（2）兩種新型填料具有很強(qiáng)的微生物富集能力，不但出水水質(zhì)穩(wěn)定，并保持整個(gè)工藝處理生活污水具有較高的容積負(fù)荷，約 1.5 kgCOD/（m3·d）。

（3）AMC-PBG/MBBR生物處理工藝具有良好的污泥減量效果，依靠填料附著的豐富的微生物群落實(shí)現(xiàn)了高效的污泥減量，污泥表觀產(chǎn)率僅為0.043 kgMLSS/kgCOD，相比于傳統(tǒng)活性污泥法具有明顯的污泥減量化特性。