MBBR工藝在農(nóng)村水污染治理中的運用探究

趙思睿，廖德旺，林曉暉，詹 勇，鄒睿馨

（1.中國冶金地質(zhì)總局第二地質(zhì)勘查院，福建 福州 350000；2.中國檢驗認證集團福建有限公司，福建 福州 350000；3.中國冶金地質(zhì)總局二局，福建 福州 350000）

0 引言

隨著農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平逐漸提高以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，農(nóng)村水污染問題日漸嚴重，相關(guān)部門、當?shù)仄髽I(yè)及村民需要盡快開展農(nóng)村水污染治理。相比于城鎮(zhèn)水污染治理，農(nóng)村水污染治理難度較大，這是因為農(nóng)村污水水質(zhì)水量不夠穩(wěn)定、村民環(huán)境保護意識較差、治理主體缺乏足夠資金及技術(shù)，為了解決農(nóng)村水污染治理問題，相關(guān)部門可以選擇應(yīng)用MBBR工藝。

1 農(nóng)村水污染成因

1.1 生活污水隨意排放

農(nóng)村生活污水包括洗浴污水、衣物清洗污水、廚房污水、廁所污水等，據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)村地區(qū)每天產(chǎn)生的生活污水約為2300萬t，如果未對生活污水進行科學(xué)處理，必然會產(chǎn)生嚴重的農(nóng)村水污染問題[1]。洗浴污水、衣物清洗污水中磷、硫含量較高，如果直接排放到當?shù)睾恿髦袝?dǎo)致水體富營養(yǎng)化，并且還會提高藻類的生長和繁殖效率，降低水體質(zhì)量。廚房污水中糖類物質(zhì)、淀粉、纖維素等有機物含量較高，如果直接排放到當?shù)睾恿髦斜銜黾铀w的有機物含量，并且還會提高好氧細菌的生長和繁殖效率，降低水體含氧量，導(dǎo)致水中生物由于缺氧死亡。廁所污水中病原菌、病毒等有害微生物含量較高，如果直接排放到當?shù)睾恿髦袝?dǎo)致水體污染，若村民或牲畜飲用污染水源會引發(fā)各種疾病。

1.2 家禽養(yǎng)殖污水排放

家禽規(guī)模化養(yǎng)殖逐漸成為主要的農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展項目及農(nóng)民收入來源，但是建設(shè)大型家禽養(yǎng)殖場必然會導(dǎo)致農(nóng)村水污染問題。大部分養(yǎng)殖場由農(nóng)民建設(shè)，導(dǎo)致養(yǎng)殖場存在污染防治技術(shù)應(yīng)用不到位、污水處理和排放裝置不健全等問題，無法獲得理想的家禽養(yǎng)殖污水處理效果。部分養(yǎng)殖場會直接將家禽排泄物排放到當?shù)睾恿髦?，?dǎo)致出現(xiàn)農(nóng)村水污染問題。部分養(yǎng)殖場會將家禽屠宰產(chǎn)生的血液和污水排放到當?shù)睾恿髦?，增加水資源有機物含量、導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)農(nóng)村水污染問題。

1.3 企業(yè)污水隨意排放

在城鎮(zhèn)化建設(shè)進程持續(xù)推進、城鎮(zhèn)經(jīng)濟水平快速提高、工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及調(diào)整不斷深入的背景下，越來越多的企業(yè)選擇將工廠建立在農(nóng)村地區(qū)，同時農(nóng)村地區(qū)也出現(xiàn)了較多中小型企業(yè)[2]。這些企業(yè)普遍具有能耗較大、污染排放物質(zhì)較多、污染問題較為嚴重等特點，如果這些企業(yè)未對污水進行科學(xué)處理，或者將未達標污水直接排放到當?shù)睾恿髦校銜?dǎo)致農(nóng)村出現(xiàn)水污染問題。農(nóng)村地區(qū)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和管理者很多都是農(nóng)民，缺乏足夠的水污染治理意識和環(huán)境保護意識，這會在一定程度上增加企業(yè)污水隨意排放導(dǎo)致的農(nóng)村水污染問題。很多農(nóng)村地區(qū)企業(yè)從事的是農(nóng)作物種植、生產(chǎn)、加工業(yè)務(wù)，如果農(nóng)藥及化肥用量不合理也會導(dǎo)致農(nóng)村出現(xiàn)水污染問題，例如，增加水資源重金屬物質(zhì)含量、導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。

2 MBBR工藝農(nóng)村水污染治理原理及設(shè)備

2.1 農(nóng)村水污染治理原理

2.1.1 除磷原理

MBBR工藝農(nóng)村水污染治理除磷原理如下：聚磷菌在厭氧環(huán)境下會將多聚磷酸鹽分解成三磷酸腺苷（ATP），ATP可以將細胞外的鏈脂肪酸吸收到細胞內(nèi)部生成PHB和PO43-，PO43-會被排放到大氣環(huán)境。聚磷菌在好氧環(huán)境下會快速生長和繁殖，以PHB、外源基質(zhì)為質(zhì)子驅(qū)動力，將細胞外的PO43-吸收到細胞內(nèi)部生成ATP、核酸，將過剩的PO43-生成多聚磷酸鹽。聚磷菌在好氧環(huán)境下吸收的磷超過了在厭氧環(huán)境下釋放的磷，從而完成對污水的除磷處理。

MBBR工藝在污水除磷處理中的應(yīng)用優(yōu)勢如下：懸浮生物載體生物膜能夠同時為聚磷菌提供厭氧環(huán)境和好氧環(huán)境。當聚磷菌位于生物膜內(nèi)層時，表示聚磷菌在厭氧環(huán)境下；當生物膜脫落時，表示聚磷菌在好氧環(huán)境下[3]。

2.1.2 脫氮原理

MBBR工藝農(nóng)村水污染治理脫氮原理如下：在好氧區(qū)內(nèi)，硝化細菌、亞硝化細菌與NH3發(fā)生硝化反應(yīng)，生成NO2-N、NO3-N。在缺氧區(qū)內(nèi)，反硝化細菌與NO2-N發(fā)生反亞硝化反應(yīng)，與NO3-N發(fā)生反硝化反應(yīng)，還原為氮氣。氮氣排放到大氣環(huán)境中，從而完成對污水的脫氮處理。

MBBR工藝在污水脫氮處理中的應(yīng)用優(yōu)勢如下：硝化反應(yīng)生成物質(zhì)能夠在后續(xù)反亞硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)中得到有效應(yīng)用，有利于降解硝化反應(yīng)生成的硝酸鹽，提高脫氮處理效率。硝化反應(yīng)會消耗污水中的堿，反硝化反應(yīng)會生成堿，實現(xiàn)了對堿的中和處理，不需要額外去除或添加堿，從而節(jié)省脫氮處理時間和成本。硝化反應(yīng)、反亞硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)均能夠在同一反應(yīng)池內(nèi)完成，不需要設(shè)置專門的回流設(shè)備和厭氧池，從而降低脫氮處理成本，縮短處理時間。

2.2 農(nóng)村水污染治理設(shè)備

MBBR工藝農(nóng)村水污染治理設(shè)備包括反應(yīng)器主體、懸浮生物載體、旋切式微泡曝氣機。

2.2.1 懸浮生物載體

懸浮生物載體生物膜外表面處于不斷生長的狀態(tài)，生物膜能夠吸附污水中的有機物，在消耗和降解有機物的同時，實現(xiàn)生長和繁殖[4]。在掛膜之后，懸浮生物載體密度接近水的密度，能夠在污水中保持懸浮姿態(tài)，不隨意移動。在曝氣和攪拌操作下，懸浮生物載體會碰撞、回轉(zhuǎn)、流動、翻轉(zhuǎn)等，從而更新生物膜。

現(xiàn)選擇HY-MC1懸浮生物載體、HY-MC2懸浮生物載體展開具體的填料及制備分析。

HY-MC1懸浮生物載體填料主要材料如表1所示。制備流程如下：首先，通過干法、濕法對凹凸棒石進行提純處理，去除其中的蛋白石、石英、白云石、重金屬、方解石等，提純標準為60%；其次，按照表1所示含量混合凹凸棒石、聚醚、三乙胺、硅油、水、催化劑、表面活性劑，在混合攪拌過程中加入表1所示含量的己二異氰酸酯；最后，將混合材料放置在模具中成型。通過上述流程可以增加懸浮生物載體填料表面的粗糙程度和比表面積，因此能夠改善載體的生物相容性。

表1 HY-MC1懸浮生物載體填料主要材料

HY-MC2懸浮生物載體填料主要材料如表2所示。制備流程如下：首先，在電熱塑料熔化器內(nèi)熔融聚丁二酸丁二醇酯，在混合攪拌過程中加入表2所示含量的淀粉、甘油，得到混合物；其次，在電熱塑料熔化器內(nèi)熔融脂肪酸，在混合攪拌過程中加入表2所示含量的羥基磷灰石，得到混合液；再次，混合上述混合物和混合液，得到塑性共混液；最后，將塑性共混液放置在模具中成型，隨后進行切割。通過上述流程可以增加懸浮生物載體填料微生物易利用營養(yǎng)物含量，因此能夠改善載體的水污染治理緩釋功效，增強污水脫氮效果和有機物去除效果[5]。

表2 HY-MC2懸浮生物載體填料主要材料

2.2.2 旋切式微泡曝氣機

旋切式微泡曝氣機在MBBR工藝農(nóng)村水污染治理中應(yīng)用了流體力學(xué)原理，具體如下：水下葉輪在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下會形成負壓區(qū)，將設(shè)備中的空氣吸收進來。吸收的空氣在離心力作用下會被乳化、粉碎，氣泡直徑會不斷縮小，最終成為溶氧。氣液混合在葉輪離心力作用下會向反應(yīng)器周邊擴散，污水底部的活性污垢便會被翻動到上層位置，進而混合到污水中，污水在反應(yīng)區(qū)內(nèi)能夠完成氧分子擴散，達到二次沖氧效果。由于污水底部活性污垢始終處于被翻動和懸浮狀態(tài)，因此能夠完成均勻充分的曝氣，為好氧區(qū)設(shè)備運行提供了足夠的推動力，降低了設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)活性污垢粘連、堵塞、聚集等問題的概率，不但能夠提高水污染治理效率和質(zhì)量，而且減少了對于設(shè)備清洗的需求，避免了操作人員反復(fù)清洗設(shè)備。

3 MBBR工藝在農(nóng)村水污染治理中的運用分析

3.1 MBBR工藝應(yīng)用特點

與傳統(tǒng)水污染治理技術(shù)相比，MBBR工藝具有以下應(yīng)用特點。

（1）MBBR工藝可以改造和應(yīng)用原有曝氣池，不需要建立專門的反應(yīng)池。盡管治理設(shè)備占地面積較小，卻能夠保障足夠的污水處理量。

（2）懸浮生物載體填料密度接近水的密度，表示懸浮生物載體能夠以曝氣的形式在水中流動，氣泡剪切操作還會強化氣泡與填料的作用，能夠降低水污染治理的能源消耗。

（3）與其他生物膜相比，MBBR工藝生物膜的適應(yīng)性和抗沖擊負荷能力較強，能夠適應(yīng)有毒、低溫等極端環(huán)境。

3.2 MBBR工藝應(yīng)用流程

（1）將污水排入粗格柵池（設(shè)置2個閥門、2臺水泵），去除大塊懸浮物。

（2）將污水排入調(diào)節(jié)池（設(shè)置2個閥門、2臺水泵），實現(xiàn)均值均量調(diào)節(jié)。

（3）將污水排入一體化厭氧設(shè)備（厭氧區(qū)），此時污水與回流污泥實現(xiàn)了充分混合，在厭氧分解作用下去除了部分生化需氧量，釋放了回流污泥中的聚磷微生物，滿足了細菌對于磷的需求量[6]。

（4）將污水排放到缺氧區(qū)，以污水中的含碳有機物和反硝化細菌為碳源，以氨氮、亞硝酸鹽為氮源，通過內(nèi)循環(huán)回流將硝酸根還原為氮氣，并且釋放。經(jīng)過厭氧處理和缺氧處理，充分去除污水與回流污泥中的氧氣和硝酸鹽，不但可以提高厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的除磷效率，還能夠為好氧區(qū)除磷效率提供保障。將硝化液回流至缺氧區(qū)，能夠提高缺氧區(qū)的脫氮效率。

（5）將污水排入好氧區(qū)，污水與回流污泥中的氨氮通過硝化反應(yīng)生成硝酸根，有機物在厭氧分解作用下能夠生成吸磷微生物，吸磷微生物能夠吸收污水與回流污泥中的磷元素，并且將磷元素聚集在細胞組織中，形成富磷污泥，通過MC分離池將富磷污泥排出MBBR工藝系統(tǒng)。處理后的清水經(jīng)過砂濾紫外線消毒，就近排放到河流或中水系統(tǒng)中。

（6）將剩余污泥排入污泥池，轉(zhuǎn)入其他站點進行統(tǒng)一處理。

（7）MBBR工藝系統(tǒng)設(shè)置了化學(xué)加藥除磷設(shè)備，如果經(jīng)過上述處理的污水未能達到排放標準，可以通過化學(xué)加藥除磷設(shè)備、PAC化學(xué)除磷藥劑進行再次處理，直到達到污水排放標準。

3.3 MBBR工藝發(fā)展趨勢

MBBR工藝具有顯著的污水治理效果，可見MBBR工藝在未來必將成為主流農(nóng)村水污染治理技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展空間。但是我國現(xiàn)階段關(guān)于MBBR工藝在農(nóng)村水污染治理中的應(yīng)用實例較少，要想加強對MBBR工藝的運用，還需要做好如下工作：①持續(xù)開發(fā)生物膜載體、培養(yǎng)微生物、改善生物膜運行環(huán)境，從而優(yōu)化反應(yīng)器的曝氣、布水方式；②MBBR工藝的應(yīng)用局限在印染企業(yè)污水、生活污水治理上，需要擴展工藝應(yīng)用范圍，并且聯(lián)合其他水污染治理技術(shù)共同應(yīng)用；③加強對于微生物附著和膜肌理的研究，提高MBBR工藝應(yīng)用技術(shù)含量。

4 結(jié)語

綜上所述，農(nóng)村水污染成因包括生活污水隨意排放、家禽養(yǎng)殖污水排放、農(nóng)村企業(yè)污水隨意排放等。MBBR工藝水污染治理設(shè)備包括反應(yīng)器主體、懸浮生物載體、旋切式微泡曝氣機，在農(nóng)村水污染治理中能夠獲得理想的除磷脫氮效果。相關(guān)部門要加強MBBR工藝在農(nóng)村水污染治理中的運用，盡快解決農(nóng)村水污染問題，同時深入對相關(guān)技術(shù)流程及應(yīng)用設(shè)備的研發(fā)，擴展MBBR工藝應(yīng)用范圍。