MBBR法用于城市污水去除污染物的作用研究

楊華瑞

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 雅安 625100）

0 引言

隨著工業(yè)化的深入推進(jìn)，水污染成為影響城市生活的重要因素，治理城市污水也成為治污和環(huán)境建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。城市污水去除污染物的技術(shù)和工藝經(jīng)歷了從活性污泥法到生物膜法的轉(zhuǎn)變過程，生物膜法克服了活性污泥法穩(wěn)定性差，對(duì)水流、水質(zhì)適應(yīng)能力差及占地面積大等缺陷，以其良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性、強(qiáng)大的抗水力負(fù)荷沖擊能力等特點(diǎn)成為污水去污的重要應(yīng)用工藝，但其仍存在著不足，如濾料易堵塞、對(duì)流化狀態(tài)依賴性強(qiáng)、曝氣設(shè)備更換困難等。針對(duì)以上工藝的缺陷，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）應(yīng)運(yùn)而生，其最早在歐洲應(yīng)用，有效結(jié)合活性污泥法和生物膜法的優(yōu)勢(shì)，容積小、穩(wěn)定性強(qiáng)，設(shè)備更換維修便捷，在應(yīng)用中取得良好的去污效果，并逐漸得到推廣。

1 MBBR工藝的原理、特點(diǎn)

1.1 MBBR工藝原理

MBBR工藝原理主要是向污水處理反應(yīng)器中加入特定的懸浮載體，經(jīng)過特殊處理的載體可改善整個(gè)容器中的大環(huán)境，增加生物量和生物種類，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)容器反應(yīng)環(huán)境，促進(jìn)去污效率提升[1]。MBBR工藝主要通過兩點(diǎn)來提升去污效率，一是通過特殊的填料材料來改善反應(yīng)過程，材質(zhì)密度與水相近，在曝氣環(huán)節(jié)，填料與水完全融合，懸浮物在容器中與水產(chǎn)生碰撞，將氣泡切割得更為細(xì)小，從而大大提高氧氣的利用率；二是將每個(gè)懸浮載體作為一個(gè)小型的反應(yīng)容器，容器內(nèi)部和外部均存在不同的生物種群，內(nèi)部為厭氧菌，外部為好氧菌，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同步進(jìn)行，從而提升整體去污效率。

1.2 MBBR工藝特點(diǎn)

（1）脫氮能力較強(qiáng)，硝化效果好。氨氮廢水是城市污水中較為難處理的污水，MBBR工藝?yán)锰厥獾奶盍蟽?yōu)勢(shì)，在微型載體中形成厭氧、好氧和缺氧等生物環(huán)境，硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)在同一個(gè)反應(yīng)器中發(fā)生，硝化反應(yīng)效果好，具有良好的脫氮能力。

（2）膜法效率高，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。MBBR工藝的優(yōu)勢(shì)之一是生物膜反應(yīng)效率高，在曝氣和水力作用下，MBBR載體處于流化狀態(tài)，從而形成懸浮生長(zhǎng)的生物膜，生物膜可移動(dòng)，可充分利用容器空間和資源，負(fù)荷能力強(qiáng)，耐沖擊。同時(shí)氧化池體積較小，占地面積小，污泥產(chǎn)量較小，無需建立污泥回流處理設(shè)備和反沖洗器械，反應(yīng)時(shí)間短，節(jié)約基建成本。

（3）維護(hù)管理負(fù)擔(dān)小，升級(jí)改造便捷。較之傳統(tǒng)的污水去污工藝，MBBR工藝維護(hù)管理的工作負(fù)擔(dān)較小，無需設(shè)置填料支架，曝氣裝置更換維修便捷，易于日常護(hù)理和常規(guī)的升級(jí)改造。此外，該工藝操作較為簡(jiǎn)便，多數(shù)步驟可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，易于操控。

2 MBBR工藝用于城市污水去除污染物的作用

2.1 生物填料形成穩(wěn)定生物膜

MBBR工藝生物膜是集合活性污泥法和生物氧化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)而形成的生物膜容器，屬于復(fù)合型去污反應(yīng)裝置。填料表面積較大，因攪拌作用在水中連續(xù)移動(dòng)，當(dāng)待處理水流循環(huán)經(jīng)過反應(yīng)器時(shí)，流過可移動(dòng)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進(jìn)行新陳代謝循環(huán)，從而去除水中污染物，改善水質(zhì)。填料和水都呈流動(dòng)狀態(tài)，因此水、氣、固之間的傳質(zhì)較好。生物膜活性好，生物膜的該特性使得反應(yīng)器的負(fù)荷和效率大大提高，水體質(zhì)量穩(wěn)定。此外，膜上生長(zhǎng)的微生物隨生物膜和水流流動(dòng)，并不需要污泥回流設(shè)備，也避免了反沖洗環(huán)節(jié)的設(shè)立，且生物膜會(huì)自然脫落，不會(huì)對(duì)反應(yīng)器和器內(nèi)的整體環(huán)境產(chǎn)生影響。因此MBBR工藝用于凈化水質(zhì)的主要作用之一便是通過可移動(dòng)的生物填料，產(chǎn)生氣、水、固三相良好的傳質(zhì)環(huán)境，從而最大限度地提升生物膜活性，形成穩(wěn)定的生物膜，生物膜的穩(wěn)定性是污水凈化處理效率的重要影響因素之一。此外，MBBR工藝中的高活性生物膜不會(huì)堵塞反應(yīng)器，無需設(shè)置相關(guān)疏通設(shè)備，相同填料填充率和負(fù)荷指標(biāo)下，MBBR生物膜反應(yīng)器占地面積更小，能耗更低。

2.2 MBBR工藝去除有機(jī)污染物

MBBR剝離有機(jī)污染物是通過反應(yīng)器內(nèi)的懸浮微生物來進(jìn)行，在膜的內(nèi)外兩側(cè)分別形成不同性質(zhì)的氧氣層，利用濃度差來凈化水質(zhì)。首先，在膜外側(cè)，由于與水融合度較好，溶解氧與生物膜融合吸收效率高，易于形成好氧層，適合好氧型微生物生長(zhǎng)。伴隨微生物不斷生長(zhǎng)，生物膜逐漸變厚，而在膜層內(nèi)部，由于溶解氧不足，生物生長(zhǎng)逐漸受到限制，因此，膜內(nèi)環(huán)境變?yōu)閰捬?，并形成厭氧層。水層中的有機(jī)污染物受到氧化作用的影響，有機(jī)物濃度下降，產(chǎn)生濃度差，因此污染物和溶解氧移動(dòng)至水層，被生物膜所吸收，膜內(nèi)微生物對(duì)其進(jìn)行分解，分解所產(chǎn)生的廢物則隨著水層流動(dòng)而排解，或者逸出水層，進(jìn)入到空氣中，隨著有機(jī)污染物的降解，污水中的有機(jī)物減少，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的分離和去除。而有機(jī)污染物的分解和凈化可歸納為兩種途徑：一是分解為無機(jī)物，并轉(zhuǎn)化為能量；二是合成新的物質(zhì)，以供微生物生長(zhǎng)繁衍。在凈化有機(jī)污染物的過程中，兩個(gè)氧氣層的關(guān)系存在著一定變化，當(dāng)厭氧層逐漸變厚時(shí)，其代謝產(chǎn)物增多，并經(jīng)過好氧層，破壞生物膜好氧層的整體環(huán)境，使得生物膜的附著力減弱，易于脫落。因此，在MBBR凈化工藝中，要想保持較高的凈化效率，則要使得厭氧層生長(zhǎng)速度受到控制，防止生物膜集中老化。

2.3 MBBR工藝去除氨氮

在城市污水的主要成分中，有機(jī)氮和氨氮占有重要比重。MBBR工藝脫氮主要原理就是利用生物膜中的微生物作用，將氮元素轉(zhuǎn)化為N2及NOX。其中有機(jī)氮經(jīng)過膜內(nèi)作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡?，并?jīng)過硝化與反硝化過程轉(zhuǎn)化為N2-N，MBBR工藝去除氨氮主要依賴于硝化與反硝化作用，因此硝化與反硝化作用是去除氨氮污染物的主要過程。具體說來，MBBR工藝脫氮主要包括三個(gè)步驟：一是通過礦化，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，而轉(zhuǎn)化過程中的化學(xué)媒介則是氨化細(xì)菌，包括腐敗梭菌、靈桿菌等[2]。通過氧化酶進(jìn)行催化以及好氧細(xì)菌分解來實(shí)現(xiàn)降解；二是通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)镹OX-N。其中硝化菌是硝化作用發(fā)生的核心物質(zhì)。硝化菌包括硝酸菌和亞硝酸菌等種類。在硝化反應(yīng)過程中，需要大量氧氣，并需要大量的堿進(jìn)行中和。此外硝化反應(yīng)受水溫影響較大，如果反應(yīng)時(shí)溫度過低，則會(huì)大大降低硝化反應(yīng)的效率；三是反硝化反應(yīng)，該反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境是厭氧，通過反硝化菌將NOX-N轉(zhuǎn)化為N2-N。MBBR工藝在去除氨氮反應(yīng)過程中，由于其反應(yīng)器內(nèi)微生物種類繁多，其中的硝化菌和反硝化菌存活時(shí)間較長(zhǎng)，可提供硝化與反硝化作用同時(shí)進(jìn)行的環(huán)境和生物條件，為SND發(fā)生提供可能，從而有效提高去除氨氮的效率。實(shí)踐廣泛證明，MBBR工藝在污水處理中的脫氮作用十分顯著。

3 MBBR工藝用于城市污水去除污染物作用的影響因素

3.1 溶解氧（DO）

溶解氧濃度主要影響硝化與反硝化作用過程，通過濃度變化改變生物膜生物環(huán)境的區(qū)域。當(dāng)溶解氧濃度過高時(shí)，進(jìn)入到生物膜的內(nèi)部，氨氮被氧化；而當(dāng)溶解氧濃度偏低時(shí)，生物膜內(nèi)部呈厭氧環(huán)境，硝化反應(yīng)加強(qiáng)，但溶解氧濃度低，難以支持高強(qiáng)度的硝化作用，從而降低硝化反應(yīng)的效率。

3.2 填料

填料是MBBR工藝的技術(shù)關(guān)鍵，填料主要是由聚乙烯塑料為原料，載體呈圓柱體。除材質(zhì)以外，填料的填充比是影響生物膜去污作用發(fā)揮的核心要素[3]。填料填充比即為載體所占空間的比例，填料填充比最大一般為0.7，當(dāng)污水中含有較大比例的纖維物質(zhì)時(shí)，如處理造紙廠排出的污水，適宜采用表面積小的填料，當(dāng)用于硝化作用時(shí)，則適宜采用表面積較大的填料。因此，填料是MBBR凈水的關(guān)鍵，在選擇填料時(shí)更要根據(jù)待處理的污水類型，選擇最優(yōu)的填料設(shè)計(jì)。

3.3 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間是影響MBBR工藝凈化水質(zhì)的重要因素，停留時(shí)間主要是通過影響有機(jī)物與生物膜接觸的充分程度，進(jìn)而影響有機(jī)污染物的分解和凈化速率，一般來說，國(guó)內(nèi)研究認(rèn)為，COD濃度與水力停留時(shí)間的長(zhǎng)短成反比，在設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間時(shí)，要注意兩點(diǎn)，一是要根據(jù)不同類型的污染物，科學(xué)設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間；二是將水力停留時(shí)間與影響凈化工藝的其他因素結(jié)合起來分析，綜合考慮。

3.4 水溫

溫度是影響微生物生長(zhǎng)、發(fā)育、增殖的重要因素，溫度把控要充分考慮到微生物的生理特性。如果溫度適宜，會(huì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和繁殖，反之，如果溫度并不適宜微生物生長(zhǎng)，輕則會(huì)降低其生長(zhǎng)速度，重則會(huì)導(dǎo)致微生物形態(tài)異化甚至死亡[4]。對(duì)硝化細(xì)菌而言，硝化菌生長(zhǎng)的溫度宜保持在20℃~30℃之間，反硝化菌則最好保持在20℃~40℃之間，硝化細(xì)菌在溫度低的條件下很難發(fā)揮其作用，因此，要保證其在適宜的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。

3.5 pH值

pH值同樣會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)和正常反應(yīng)，MBBR工藝凈化水質(zhì)中的微生物pH值范圍一般為6.5-8.5。不同類型的污水中的pH值迥異，因此，要針對(duì)污水本身pH值特點(diǎn)來科學(xué)設(shè)定反應(yīng)器內(nèi)酸堿環(huán)境。

3.6 其他

除以上影響因素以外，氣水比、濁度、有毒物質(zhì)、有害物質(zhì)等也會(huì)不同程度上對(duì)MBBR工藝去除污染物的效果產(chǎn)生影響，去除污染物是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，各個(gè)步驟之間關(guān)系密切，因此要想實(shí)現(xiàn)良好的去污效果，則必須嚴(yán)密把控各個(gè)環(huán)節(jié)，確保每個(gè)凈化步驟科學(xué)合理[5]。

4 結(jié)語

城市污水是指排入城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)的污水，包括生活污水、工業(yè)廢水和徑流污水等，生活污水集中排入城市下水道管網(wǎng)系統(tǒng)，其水質(zhì)具有鮮明的晝夜差別和時(shí)令周期，工業(yè)廢水的水量和水質(zhì)則與城市工業(yè)規(guī)模和類型相關(guān)，多含有腐蝕性、有毒、有害污染物。國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)例表明，MBBR工藝在城市污水污染物去除方面具有良好的作用，其有效結(jié)合活性污泥法和生物膜法的優(yōu)勢(shì)，可有效去除污水中的有機(jī)污染物和氨氮，且占地面積小，易于維護(hù)和操作，在城市污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。