MBBR法用于城市污水去除污染物的作用研究

楊華瑞

（中鐵建設集團有限公司，四川 雅安 625100）

0 引言

隨著工業化的深入推進，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境建設的一項重要內容。城市污水去除污染物的技術和工藝經歷了從活性污泥法到生物膜法的轉變過程，生物膜法克服了活性污泥法穩定性差，對水流、水質適應能力差及占地面積大等缺陷，以其良好的穩定性和適應性、強大的抗水力負荷沖擊能力等特點成為污水去污的重要應用工藝，但其仍存在著不足，如濾料易堵塞、對流化狀態依賴性強、曝氣設備更換困難等。針對以上工藝的缺陷，移動床生物膜反應器（MBBR）應運而生，其最早在歐洲應用，有效結合活性污泥法和生物膜法的優勢，容積小、穩定性強，設備更換維修便捷，在應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

1.1 MBBR工藝原理

MBBR工藝原理主要是向污水處理反應器中加入特定的懸浮載體，經過特殊處理的載體可改善整個容器中的大環境，增加生物量和生物種類，進而優化整個容器反應環境，促進去污效率提升[1]。MBBR工藝主要通過兩點來提升去污效率，一是通過特殊的填料材料來改善反應過程，材質密度與水相近，在曝氣環節，填料與水完全融合，懸浮物在容器中與水產生碰撞，將氣泡切割得更為細小，從而大大提高氧氣的利用率；二是將每個懸浮載體作為一個小型的反應容器，容器內部和外部均存在不同的生物種群，內部為厭氧菌，外部為好氧菌，硝化反應和反硝化反應同步進行，從而提升整體去污效率。

1.2 MBBR工藝特點

（1）脫氮能力較強，硝化效果好。氨氮廢水是城市污水中較為難處理的污水，MBBR工藝利用特殊的填料優勢，在微型載體中形成厭氧、好氧和缺氧等生物環境，硝化反應與反硝化反應在同一個反應器中發生，硝化反應效果好，具有良好的脫氮能力。

（2）膜法效率高，耐沖擊負荷能力強。MBBR工藝的優勢之一是生物膜反應效率高，在曝氣和水力作用下，MBBR載體處于流化狀態，從而形成懸浮生長的生物膜，生物膜可移動，可充分利用容器空間和資源，負荷能力強，耐沖擊。同時氧化池體積較小，占地面積小，污泥產量較小，無需建立污泥回流處理設備和反沖洗器械，反應時間短，節約基建成本。

（3）維護管理負擔小，升級改造便捷。較之傳統的污水去污工藝，MBBR工藝維護管理的工作負擔較小，無需設置填料支架，曝氣裝置更換維修便捷，易于日常護理和常規的升級改造。此外，該工藝操作較為簡便，多數步驟可實現自動化，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的優勢而形成的生物膜容器，屬于復合型去污反應裝置。填料表面積較大，因攪拌作用在水中連續移動，當待處理水流循環經過反應器時，流過可移動填料，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行新陳代謝循環，從而去除水中污染物，改善水質。填料和水都呈流動狀態，因此水、氣、固之間的傳質較好。生物膜活性好，生物膜的該特性使得反應器的負荷和效率大大提高，水體質量穩定。此外，膜上生長的微生物隨生物膜和水流流動，并不需要污泥回流設備，也避免了反沖洗環節的設立，且生物膜會自然脫落，不會對反應器和器內的整體環境產生影響。因此MBBR工藝用于凈化水質的主要作用之一便是通過可移動的生物填料，產生氣、水、固三相良好的傳質環境，從而最大限度地提升生物膜活性，形成穩定的生物膜，生物膜的穩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堵塞反應器，無需設置相關疏通設備，相同填料填充率和負荷指標下，MBBR生物膜反應器占地面積更小，能耗更低。

2.2 MBBR工藝去除有機污染物

MBBR剝離有機污染物是通過反應器內的懸浮微生物來進行，在膜的內外兩側分別形成不同性質的氧氣層，利用濃度差來凈化水質。首先，在膜外側，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。伴隨微生物不斷生長，生物膜逐漸變厚，而在膜層內部，由于溶解氧不足，生物生長逐漸受到限制，因此，膜內環境變為厭氧，并形成厭氧層。水層中的有機污染物受到氧化作用的影響，有機物濃度下降，產生濃度差，因此污染物和溶解氧移動至水層，被生物膜所吸收，膜內微生物對其進行分解，分解所產生的廢物則隨著水層流動而排解，或者逸出水層，進入到空氣中，隨著有機污染物的降解，污水中的有機物減少，實現有機物的分離和去除。而有機污染物的分解和凈化可歸納為兩種途徑：一是分解為無機物，并轉化為能量；二是合成新的物質，以供微生物生長繁衍。在凈化有機污染物的過程中，兩個氧氣層的關系存在著一定變化，當厭氧層逐漸變厚時，其代謝產物增多，并經過好氧層，破壞生物膜好氧層的整體環境，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，將氮元素轉化為N2及NOX。其中有機氮經過膜內作用轉變為氨氮，并經過硝化與反硝化過程轉化為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步驟：一是通過礦化，將有機氮轉化為氨氮，而轉化過程中的化學媒介則是氨化細菌，包括腐敗梭菌、靈桿菌等[2]。通過氧化酶進行催化以及好氧細菌分解來實現降解；二是通過硝化作用將氨氮轉變為NOX-N。其中硝化菌是硝化作用發生的核心物質。硝化菌包括硝酸菌和亞硝酸菌等種類。在硝化反應過程中，需要大量氧氣，并需要大量的堿進行中和。此外硝化反應受水溫影響較大，如果反應時溫度過低，則會大大降低硝化反應的效率；三是反硝化反應，該反應發生的環境是厭氧，通過反硝化菌將NOX-N轉化為N2-N。MBBR工藝在去除氨氮反應過程中，由于其反應器內微生物種類繁多，其中的硝化菌和反硝化菌存活時間較長，可提供硝化與反硝化作用同時進行的環境和生物條件，為SND發生提供可能，從而有效提高去除氨氮的效率。實踐廣泛證明，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境的區域。當溶解氧濃度過高時，進入到生物膜的內部，氨氮被氧化；而當溶解氧濃度偏低時，生物膜內部呈厭氧環境，硝化反應加強，但溶解氧濃度低，難以支持高強度的硝化作用，從而降低硝化反應的效率。

3.2 填料

填料是MBBR工藝的技術關鍵，填料主要是由聚乙烯塑料為原料，載體呈圓柱體。除材質以外，填料的填充比是影響生物膜去污作用發揮的核心要素[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，當污水中含有較大比例的纖維物質時，如處理造紙廠排出的污水，適宜采用表面積小的填料，當用于硝化作用時，則適宜采用表面積較大的填料。因此，填料是MBBR凈水的關鍵，在選擇填料時更要根據待處理的污水類型，選擇最優的填料設計。

3.3 水力停留時間

水力停留時間是影響MBBR工藝凈化水質的重要因素，停留時間主要是通過影響有機物與生物膜接觸的充分程度，進而影響有機污染物的分解和凈化速率，一般來說，國內研究認為，COD濃度與水力停留時間的長短成反比，在設計水力停留時間時，要注意兩點，一是要根據不同類型的污染物，科學設計水力停留時間；二是將水力停留時間與影響凈化工藝的其他因素結合起來分析，綜合考慮。

3.4 水溫

溫度是影響微生物生長、發育、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，會促進微生物的生長和繁殖，反之，如果溫度并不適宜微生物生長，輕則會降低其生長速度，重則會導致微生物形態異化甚至死亡[4]。對硝化細菌而言，硝化菌生長的溫度宜保持在20℃~30℃之間，反硝化菌則最好保持在20℃~40℃之間，硝化細菌在溫度低的條件下很難發揮其作用，因此，要保證其在適宜的溫度下進行反應。

3.5 pH值

pH值同樣會影響微生物的生長和正常反應，MBBR工藝凈化水質中的微生物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，要針對污水本身pH值特點來科學設定反應器內酸堿環境。

3.6 其他

除以上影響因素以外，氣水比、濁度、有毒物質、有害物質等也會不同程度上對MBBR工藝去除污染物的效果產生影響，去除污染物是一個較為復雜的過程，各個步驟之間關系密切，因此要想實現良好的去污效果，則必須嚴密把控各個環節，確保每個凈化步驟科學合理[5]。

4 結語

城市污水是指排入城鎮污水系統的污水，包括生活污水、工業廢水和徑流污水等，生活污水集中排入城市下水道管網系統，其水質具有鮮明的晝夜差別和時令周期，工業廢水的水量和水質則與城市工業規模和類型相關，多含有腐蝕性、有毒、有害污染物。國內外實驗和應用實例表明，MBBR工藝在城市污水污染物去除方面具有良好的作用，其有效結合活性污泥法和生物膜法的優勢，可有效去除污水中的有機污染物和氨氮，且占地面積小，易于維護和操作，在城市污水處理中具有廣闊的應用前景。