MBBR工藝的應用研究及發展前景

龔文靜，潘偉亮，2 ，曹云鵬，吳齊葉

(1.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

移動床生物膜反應器(MBBR)至今已有30多年發展史。是在固定床反應器、流化床反應器和生物濾池的基礎上發展起來的新型高效的復合污水處理工藝[1]，國內從2015年以前就開始將其與活性污泥法和生物膜法等處理方法結合，用于污水廠提標改造中。

根據近年學者們對MBBR組合工藝相關研究增長趨勢圖(圖1)可知：①自2005年起MBBR組合工藝進入穩定發展，于2015年MBBR組合工藝的研究最為密集；②2005～2015年這十年間MBBR組合工藝得到了快速的發展；③十五年數據顯示MBBR組合工藝年份與研究量呈正相關比例增長；④未來組合工藝的發展仍會是MBBR工藝發展的一大熱點。

圖1 近年MBBR組合工藝相關研究增長趨勢Fig.1 The increasing trend of MBBR technology in recent years

1 MBBR工藝特點

MBBR工藝中以填料為載體，可以為細菌提供附著點，從而使菌群更豐富多樣，生物量增加[2]。在好氧反應階段，由于空氣的進入使懸浮填料在曝氣的過程均勻分布在系統中，整個系統就會產生由空氣、填料和水組成的一個三項環境。懸浮填料在曝氣過程會受氣體推動從而進行不規則運動，整個三項環境固液氣相互混合，外界進入的氣體可更好地均勻分布于系統中，整個過程都給好氧反應提供了最好的條件[3]。一個MBBR一體化設備由多個系統共同組成如懸浮載體、進出水等。從設計上出發懸浮載體即填料的選擇，以及投加量的確定，將影響填料上的生物膜有效面積，另外關于攪拌器選型、曝氣量風機選型、濾池方案的設計等都需要酌情考慮。現實相關工程更需要對各項環境要素進行考慮，對生物膜附著生物穩定生長和穩定運行都有相關影響，曝氣量的控制、pH的調節，以及溶解氧的濃度都和微生物長成有著極大影響，進而直接影響填料的掛膜和填料是否均勻分布于空間使好氧反應過程得到保證[4]。不斷對 MBBR 系統進行優化以及對MBBR相關組合工藝進行探索創新將是一個極具價值的方向。

2 MBBR工藝影響因素

2.1 填料

在MBBR工藝中填料的填充率決定系統微生物量的數量，控制了生物膜系統的運行。在MBBR系統中前期填料掛膜時，填充率將直接影響掛膜是否成功[5]。填料少填充率低，好氧反應器中填料的流化態便于形成，但卻會導致填料的無序運動，運動狀態紊亂，填料會累積在部分區域[6]，不利于微生物的附著生長下部活性污泥中營養富集，滋生大量異氧菌，掠奪填料上自養硝化細菌的生存空間和生存資源，導致菌種需求不達標。同時過高的填充率會造成反應器中物質的擁擠，填料的運動緩慢，不能使氣體分布均勻，造成反應器中溶解氧分布差異，填料上的微生物菌群沒有營養物質，活性不夠，處理污水效果差[7]。

表1為MBBR工藝中常用填料類型，在實際研究和實際工程中掛膜階段應時刻觀察，選取合適的填充率，廣大研究學者的結論中都曾得出30%為填料投加比的最佳選擇。

表1 常見填料種類Table 1 Types of common fillers

2.2 溫度

溫度對MBBR的影響是通過細菌活性的生長環境受溫度影響，造成對硝化菌和反硝化菌的干擾從而對硝化和反硝化過程造成影響。溫度為20～30 ℃和20～40 ℃對硝化菌和反硝化菌的生長更為有利[8]，相關實驗研究可得出結論MBBR系統的脫氮效率為98.4%時的溫度為24 ℃，比14 ℃時高10%左右[9]。在冬日低溫情況下，為了保證活性污泥-生物膜共生復合式生物反應器的正常啟動加入抗冷菌群的活性污泥是可行的[10]。但現今實際工程中有條件的適當的升溫將更有利于硝化作用的進行。

2.3 曝氣強度

曝氣強度將控制反應器中的水力剪切力，過低無法使填料在反應器中達到最好的運動狀態，過高運動狀態混亂，填料堆積，掛膜過程都無法正常進行[11]。生物膜在受到外力沖刷時，由于胞外聚合物產生的粘結力小于剪切力[12]，微生物的脫落速度比生長速度更快，直接導致生物量的減少生物膜變薄甚至將不存在，而在污泥中將會含有絮體影響出水水質[13]。

2.4 溶解氧

水中的溶解氧同樣被曝氣強度影響，曝氣強度太大，溶解氧會進入存在于生物膜內，這個過程將損耗能源，使反硝化作用無法實現。但溶解氧低會出現絲狀菌大量滋生，影響出水水質的同時抑制硝化過程。

溶解氧的含量影響好氧反應器中微生物菌群的生長，對硝化和反硝化產生一定影響。相關研究表明，溶解氧濃度為(4.5±0.25)mg/L時，氨氮和有機物的去除率分別為95.8%，96.7%；氨氮和有機物的去除率分別為57.9%和80.1%時濃度為(2.0±0.25)mg/L[14]。

2.5 碳源

碳源利于MBBR中微生物生長代謝，針對懸浮微生物有研究顯示，硝化菌的積累程度會隨著C/N的增加逐漸減緩，COD/ρ(TN)在一定條件下將導致產生飽和狀態下的異養菌[15]。低C/N情況下碳源受直接影響，催化氨轉換成其他物質影響氨氮的去除[16]。低C/N也極易引發絲狀菌膨脹，它的持續生長影響絮凝過程，從而導致污泥膨脹讓填料掛膜受阻[17]。能否成功掛膜 C/N的調控尤為重要，必要時需投入葡萄糖、淀粉或PAC等營養物質。

2.6 HRT

HRT影響系統中微生物菌群的含量[18]。HRT過短，會造成反應過程劇烈，在含有很大部分有機物質水沒有被全部吸收就排除，效率低耗能大水質不能滿足標準。但HRT不是越長越好，較長的HRT不能滿足實際情況，在反應器的反應中后期營養物質已所剩無幾，沒有營養物質的吸收攝入微生物將會降低自身活性來保證生命活動，對污水去除作用不明顯還會使污泥出現其它情況[19]。

2.7 pH

MBBR工藝中pH值的變化情況將影響氨氮的去除效果[20]。張鵬等的研究表明，在pH=8的情況下NH3-N和TN除去情況與pH=6和7相比，除去效果能達到最好；pH<5和pH>9時，NH3-N 和TN 的去除率呈下降趨勢，在pH<5的情況下NH3-N和TN的去除率明顯下降[21]。

關于其他影響因素，填料剛投入時，前期反應器中懸浮污泥的含量對菌種和填料的融合速度有一定影響。另外容積、接種污泥等都影響填料微生物的生長。

3 MBBR與組合工藝

組合工藝的提出讓MBBR工藝的經濟效益和運用價值得到了更進一步的提升，近年MBBR與組合工藝廣泛應用于處理城鎮生活污水、工業污水、高負荷有機廢水以及垃圾滲濾液。例如厭氧生物濾池-好氧移動床工藝對垃圾填埋場滲濾液進行處理，取得較優的氨氮去除效果[22]；通過對化學法與移動床生物反應器組合工藝的脫氮除磷效果優化分析，以及活性污泥組合工藝在廢水處理中有著占地省 、運作穩 、同時處理效率高可取之處。

針對較典型的三種組合工藝，其特點比較見表2。

表2 MBBR與其組合工藝比較Table 2 Comparison between MBBR and its combination process

對組合工藝相關部分進行對比可知：

組合工藝在日處理能力上及進水量變化差異較大的實際工程處理中都在MBBR基礎上明顯提高，耐低溫性和抗沖擊能力也更強。

投資費用在實際工程運用中雖高于MBBR，但其出水效果在提標改造的過程中都有很強的可操作性和適用性，運轉方式簡單，運作費用及保障與MBBR相比也有相應差別。

組合工藝適用性更強，可控性高，對污水處理效果在MBBR基礎上會有更大的價值體現，運行前景廣闊。

3.1 A/O+MBBR組合工藝

A/O+MBBR組合工藝不僅存在抗沖擊負荷的能力，也能同時提高污水日處理量[26]。

組合工藝中MBBR工藝能確保整體生物量的增長，加強整體耐低溫性能。和A/O工藝進行對比，相同工況前提下組合工藝可以增加每天的處理量，抗沖擊負荷能力強。在節能減排的前提下保證出水水質。相同工況運行下COD、NH3-N和TN的平均除去效果比A/O工藝好。

國內現將其運用于城鎮污水處理、黑臭水處理、工業污水處理以及特水廢水處理等，提標改造也讓各學者積極展開研究運用中。寧波某污水廠的提標改造工程中，把原有的MBBR工藝改建成復合式 A/O+MBBR 組合工藝，可滿足不擴建也可以使好氧區進行同硝化和反硝化反應。

3.2 在A2/O+MBBR組合工藝

MBBR+A2/O 組合工藝，可提高生化單元微生物總量，對 COD、氨氮、TN、TP 等污染指標的去除效果顯著。值得一提的是相關研究表明在整個組合工藝中厭氧區生物量最大，其次是缺氧區，最后是好氧區[27]，實際設計中，相關容積比也應進行考慮。

2019年四川某新建污水處理廠(近期 6×104m3/d) 因用地限制，在原有工藝上加入MBBR工藝，改建時間短，運行效果佳。在設計中采用了基于A2/O的MBBR工藝，按25%的填充率在好氧區投加懸浮載體，深度處理運用D型濾池和紫外線殺菌消毒[28]，噸水占地僅為0.31 m2/(m3·d) 。建成至今運作效果穩定，出水相關指標均按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002) 中的一級A排出[29]。

3.3 MBR+MBBR組合工藝

國內外關于MBBR+MBR組合工藝的研究從填料填充率、MBBR與MBR的容積比等方面進行研究。

王維斌等對某垃圾填埋場滲濾液處理工程進行改造升級通過用“水解-厭氧MBBR-好氧MBBR-MBR”為主體的工藝。從新工程正常運行相關數據發現，當垃圾滲濾液中的COD、NH3-N、全鹽量處在2 000～15 000 mg/L、50～1 000 mg/L、2 000～20 000 mg/L 階段時，最后通過設備相關生化處理可以達到滲濾液一級出水標準[30]。

4 結束語

(1)MBBR組合工藝能否推廣使用，不僅要考慮其技術可行性，還要考慮經濟可行性，要想切實實現水資源循環利用，更應加強污水的深度處理和回用方法的推進。

(2)多級MBBR、MBBR和A/O、MBBR和A2/O、MBBR和MBR法聯合工藝等都具有各自的可取之處，組合工藝的選取和應用需要結合實際進行考量，讓效益最大化，讓經濟最優化。

(3)組合工藝的脫氮效果和除磷效果更強，運行更穩定，污染物處理效率更高，可大幅度使生物污泥產量減少，出水營養物質含量降低在未來很長一段時間里都具有研究價值和應用價值 。