冬季低溫條件下兩級AO-MBBR裝備處理社區(qū)污水效果研究

鄧睿，謝會敏，潘偉亮，楊美成，龔文靜，李果

(1.重慶交通大學 環(huán)境水利工程重慶市工程實驗室，重慶 400074；2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司 建筑工程設(shè)計研究院，四川 成都 610031；3.重慶閣林環(huán)保科技有限公司，重慶 400045)

移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)具有占地小、性能穩(wěn)定、能耗低、抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點，在我國東北、西北以及西南云貴高原地區(qū)普遍有應(yīng)用。一般，秋季污水水溫12～16 ℃，冬季水溫一般為8～10 ℃甚至更低，秋冬季節(jié)水溫低于15 ℃的時間一般為3～4個月[1]。隨著對污水處理廠出水水質(zhì)標準要求的提高，對能夠在低溫條件下保持穩(wěn)定運行的工藝及調(diào)控方法的需求越來越迫切[2]。兩級AO-MBBR是一種基于反硝化脫氮除磷理念的新型雙污泥工藝，在高寒山區(qū)有工程用。本文以重慶市九龍坡區(qū)鋁城四區(qū)生活污水為原水，采用兩級AO-MBBR組合工藝對日處理量為30 t/d的生活污水處理工程進行試驗研究，分析了低溫條件下COD、總氮、氨氮與總磷等主要水質(zhì)指標的去除效果，以期為山地村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的低溫運行提供數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)參考[3]。

1 實驗部分

1.1 水量與水質(zhì)

裝備日處理量見表1。

表1 日處理量Table 1 Day processing quantity

裝備設(shè)計日處理量30 t/d，其中夏季波動較大，降雨時處理量高達56 t/d，而春、秋、冬三季日處理量較為穩(wěn)定。

試驗裝置設(shè)計進出水及實際進出水水質(zhì)指標見表2。

表2 進出水指標Table 2 Inlet and outlet water quality index

裝備進水以社區(qū)生活污水為主，含少量的工業(yè)廢水，在進水水質(zhì)設(shè)計中采集了污水廠服務(wù)范圍內(nèi)各污水排放口的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并充分考慮了城市的發(fā)展需要，以及西南地區(qū)城市排水管網(wǎng)特性和雨季泥沙進入等水質(zhì)特點[4]。

1.2 工藝流程

工藝流程見圖1。

裝備外觀尺寸為(長×寬×高)：8 m×3 m×3 m，實際運行有效容積為6.8×104L。裝置橫向分割成兩個反應(yīng)器，內(nèi)壁均由不銹鋼制成，其中一級反應(yīng)器由前置預(yù)處理(調(diào)節(jié)池)、缺氧段(A1)和 MBBR 好氧池段(O1)組成，二級反應(yīng)器由缺氧段(A2)和好氧段(O2)組成。一級AO池與二級AO池的體積比為1∶3.5，A1與O1的體積比為1∶1.5，A2與O2的體積比為2∶1。實驗過程中缺氧段采用機械攪拌混合，好氧池段采用曝氣盤進行曝氣。

圖1 兩級AO-MBBR 工藝流程圖Fig.1 Two-stage AO-MBBR process flow chart

一級缺氧池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格：1.2 m×2.8 m×2.8 m=9.408 m3，有效容積 8.8 m3，配攪拌器采用304 不銹鋼；MBBR 池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格1.8 m×1 m×2.8 m=14.11 m3，有效容積13.2 m3；回流池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格：0.7 m×1 m×2.8 m=1.96 m3，有效容積1.6 m3，配套有硝化液回流系統(tǒng)；二級好氧池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格 0.7 m×1 m×2.8 m=1.96 m3，有效容積1.6 m3，曝氣系統(tǒng)(微孔曝氣)出氣量2 m3/h 及混合液回流設(shè)備；二級缺氧池池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格：1.4 m×1 m×2.8 m=3.92 m3，有效容積 3.2 m3，配套缺氧池攪拌機，鼓風機、攪拌器采用304不銹鋼，設(shè)導(dǎo)流片；沉淀池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格：1.5 m×1 m× 2.8 m=4.2 m3，有效容積3.8 m3，配套污泥回流系統(tǒng)及排泥系統(tǒng)；過濾池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格：0.8 m×0.5 m×2.8 m=1.12 m3，有效容積0.9 m3，采用砂濾池過濾，定期反洗；清水池：池體采用不銹鋼材料制作，規(guī)格0.8 m×0.5 m×2.8 m=1.12 m3，有效容積0.9 m3，配套紫外線消毒系統(tǒng)。各處理單元水力停留時間(HRT)設(shè)置為：預(yù)處理調(diào)節(jié)池1.5 h、一級缺氧池1.5 h、MBBR好氧池2.0 h、二級缺氧池2.5 h與二級好氧池3.5 h。污泥回流比為100%，混合液回流比為200%。

1.3 填料的選擇

懸浮填料的投加可以為微生物提供附著生長的位置，其較大的比表面積為微生物提供足夠的空間生長繁殖，使反應(yīng)器中有豐富的生物量。一定厚度的生物膜附著在生物載體上，可以在微觀上形成好氧-缺氧-厭氧的微環(huán)境，使得生物膜在不同空間位置上多種脫氮功能性微生物協(xié)同生長，增強反應(yīng)器對污染物的去除能力[5]。

本實驗MBBR好氧池中填料類型為K3，比表面積為500 m2/m3，直徑×深度為25 mm×10 mm，填充率為30%。該填料易于掛膜，比表面積較大，可以促進微生物的反應(yīng)速率，懸浮型填料使用時可隨意放置，且不需要進行反復(fù)沖洗，節(jié)約成本。

1.4 分析項目和方法

COD、氨氮、總氮的測定參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[6]，總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)測定。

2 結(jié)果與討論

裝備于10月下旬啟動運行，進水溫度為15 ℃左右，pH值在6.5～7.5之間，維持MBBR池的溶解氧(DO)為2.0～4.0 mg/L，進行實驗研究。通過快速排泥法啟動，實驗接種污泥取自重慶市九龍坡區(qū)含谷鎮(zhèn)污水處理站回流污泥。經(jīng)過連續(xù)的培養(yǎng)，填料上逐漸生長生物膜，掛膜時間約15 d，生物膜呈黃褐色，污泥中出現(xiàn)了輪蟲、線蟲等后生動物，出水水質(zhì)變清，出水COD和氨氮等指標基本穩(wěn)定[7-8]。填料掛膜成功，系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

2.1 低溫下組合工藝對 COD 的去除效果

組合工藝對COD去除情況見圖2。

圖2 裝備對 COD 的去除效果Fig.2 COD removal effect of equipment

由圖2可知，運行初期水溫為15～18 ℃，進水COD濃度為79～93 mg/L，平均進水濃度為 87.2 mg/L，經(jīng)處理，平均出水COD濃度為 13.22 mg/L，系統(tǒng)對 COD 平均去除率為85.8%。運行15～20 d后水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)去除效果逐漸提升，由平均去除率78.1%提升至88.6%，在運行25 d后達到最佳，平均去除率達89%。此時氣溫較低，水溫為12～15 ℃。COD去除效果好，主要原因是懸浮填料的投加，使好氧區(qū)生物量大幅度提升，在一定程度上提高了COD的去除效果；其次，缺氧池與好氧池的交替運行，可以提高反應(yīng)器中的污泥活性，在不利的環(huán)境下生存了一段時間后，微生物可以產(chǎn)生更多的酶來提高攝營養(yǎng)液的效率[9]。相比傳統(tǒng)單一的兩級AO和MBBR工藝，組合工藝中進水大分子有機污染物質(zhì)易降解小分子有機物在缺氧區(qū)作為反硝化所需碳源被進一步利用及去除[10]，后續(xù)好氧區(qū)可進一步氧化去除有機污染物質(zhì)。

吳迪等[11]采用Bardenpho-MBBR工藝對北方某污水處理廠污水進行處理，在冬季與春季交替時期低溫情況下運行生化池水溫處于10～15 ℃，COD去除率可達 98.3%。雖然低溫會影響微生物的活性和生長，但是生化池中MBBR工藝中生物膜的存在可提高反應(yīng)速率，這與本文研究結(jié)果相一致。因北方地區(qū)冬季干燥降雨量相對西南地區(qū)進水量小，兩級AO-MBBR 組合工藝可體現(xiàn)出更強的抗沖擊負荷能力。可適用于處理西南地區(qū)降雨量大進水水質(zhì)不穩(wěn)定情況，也便于在西南地區(qū)村鎮(zhèn)進行推廣應(yīng)用。

2.2 低溫下組合工藝對總氮的去除效果

組合工藝對TN去除情況見圖3。

圖3 裝備對總氮的去除效果Fig.3 TN removal effect of equipment

由圖3可知，裝置進水總氮濃度范圍為 27.8～29.8 mg/L，平均濃度為28.5 mg/L，經(jīng)處理后對總氮的平均去除率為76.2%。系統(tǒng)平均出水濃度為6.75 mg/L，滿足一級A出水標準要求。該工藝在溫度較低的情況下對總氮的去除效果顯著，分析其原因：①MBBR好氧池中的懸浮填料為微生物(硝化細菌等)的生長提供了載體，延長了其污泥齡，彌補了其在低溫下生物活性低的不利因素；且微生物種群豐富，會對難降解或緩降解有機物具備一定的處理能力[12]；②在一級AO(無回流)條件下，降低了回流硝化液中DO與硝態(tài)氮對有機物的有競爭作用，一級缺氧區(qū)反硝化對進水有機物利用較為徹底，可進一步去除進水中總氮。

2.3 低溫下組合工藝對總磷的去除效果

組合工藝對TP去除情況見圖4。

圖4 裝備對總磷的去除效果Fig.4 TP removal effect of equipment

由圖4可知，裝置進水總磷濃度范圍為2.32～2.62 mg/L，平均濃度為2.54 mg/L，一級AO池總磷出水范圍為0.67～1.67 mg/L，二級 AO池總磷的出水濃度為0.32～1.44 mg/L，在穩(wěn)定運行25 d后出水濃度僅有 0.21 mg/L，去除率最高可達 91.8%。兩級AO主要通過排出剩余污泥的方式來去除水中的磷，預(yù)處理區(qū)的設(shè)置為缺氧區(qū)提供了良好的無氧條件，投加碳源(淀粉)，可保證生物除磷過程中對碳源的需求[15]，采用較短泥齡的活性污泥，在強化脫氮效果的同時，可強化除磷效果。二級階段投加的PAC在水中水解，形成三價鋁金屬離子，三價鋁與廢水中的可溶性磷酸鹽結(jié)合，生成非可溶性的磷酸鹽沉淀，其次，PAC的混凝作用使水中的磷酸根與其他有機污染物迅速混凝成團，通過排泥的方式排出系統(tǒng)，達到除磷的效果[16]。

李家倫等[17]對填料強化A/O工藝處理小城鎮(zhèn)污水的實驗進行研究，結(jié)果表明，填料的投加可以強化A/O工藝對城鎮(zhèn)污水的處理效果，在實驗中添加化學輔助除磷，磷的去除效果得到顯著的提升，TP的平均去除率可以達到86%。

2.4 低溫下組合工藝對氨氮的去除效果

組合工藝對氨氮去除情況見圖5。

由圖5可知，進水氨氮為23.6～26.8 mg/L，平均為25.4 mg/L，運行前期水溫為12～16 ℃，于 25 d 進入穩(wěn)定運行后溫度持續(xù)低于15 ℃，雖不利于硝化，但由于生物膜的存在，氨氮氧化效果良好。裝備對氨氮去除效果好，MBBR懸浮填料能為硝化菌、亞硝化菌等提供生存空間，使硝化菌大量繁殖，延長其污泥齡，彌補了其在低溫下生物活性低的不利因素，且吸附在填料上的硝化菌、亞硝化菌不易流失，為系統(tǒng)中氨氮的高效去除提供保障[18]。

圖5 裝備對氨氮的去除效果Fig.5 NH3-N removal effect of equipment

懸浮填料-活性污泥負荷系統(tǒng)，抗沖擊負荷能力強，整個系統(tǒng)內(nèi)填料流化狀態(tài)良好，其硝化反應(yīng)主要發(fā)生在生物膜上，懸浮填料富集硝化細菌對低溫的耐受性以及較強的處理能力[19]。這與邵曙海等[20]采用MBBR工藝處理生活污水，在溫度低于 10 ℃ 時，硝化負荷可達0.4 kg NH3-N/(m3·d)，得出的結(jié)論一致。此外，顧升波等[21]在13.4 ℃時采用 A/O-MBBR 工藝處理生活污水，在較高硝化負荷下，也取得了較好的氨氮處理效果。

2.5 組合系統(tǒng)對污染物的去除貢獻分析

組合工藝對污染物去除情況見圖6。

圖6 組合系統(tǒng)對污染物的去除貢獻Fig.6 Contribution of the combined system to pollutant removal

由圖6可知，采用兩級AO-MBBR 組合工藝對冬季污水處理后，出水水質(zhì)指標COD、總氮、總磷和氨氮平均去除率分別為85.8%，76.2%，77.1%和75.7%，去除效果顯著，其中一級AO對COD、總氮、總磷和氨氮平均去除率分別為 32.1%，18.3%，25.4%和 17.8%，二級AO對COD、總氮、總磷和氨氮平均去除率分別為50.3%，49.8%，46.7%和 50.7%。組合工藝中一級AO反應(yīng)器和二級AO反應(yīng)器對污染物去除貢獻不同，相對一級AO，二級AO階段碳源及PAC的投加使其對污染物的去除更顯著，去除貢獻更大。

當一級AO 出水水質(zhì)無法達到出水指標或者下一處理單元進水指標時，一級AO段去除不掉的氮在后加的二級缺氧段通過補充碳源進行反硝化脫去，最后的好氧段控制較高溶解氧，氧化剩余的碳源和有機物[22]。因二級階段有PAC的投加體現(xiàn)了化學除磷的保障作用，外加混合液200%回流，使得二級反應(yīng)器去除效率高，但成本亦有相應(yīng)增加。

針對西南地區(qū)秋冬季節(jié)溫和少雨，以及村鎮(zhèn)污水處理面臨低溫低濃度劣勢環(huán)境下的污染物的去除效率難以提高這一難題，重慶九龍坡鋁城污水處理廠采用兩級AO-MBBR 工藝。其中，兩級AO作為生物脫氮除磷的基礎(chǔ)工藝，同時耦合MBBR，結(jié)果表明裝備掛膜啟動快，去除效率高[23]，可為村鎮(zhèn)污水處理啟動運行維護提供技術(shù)參考。

3 結(jié)論

重慶市九龍坡區(qū)鋁城四區(qū)污水處理工程在設(shè)計中采用兩級AO-MBBR組合工藝，本文考察了該裝備系統(tǒng)的啟動及冬季低溫運行特性，主要結(jié)論如下：

(1)組合工藝對污染物去除效果穩(wěn)定，對COD、總氮、總磷以及氨氮的平均去除率分別為 85.8%，76.2%，77.1%和75.7%，出水水質(zhì)達到一級A排放標準。

(2)低溫主要抑制系統(tǒng)的硝化效果，MBBR懸浮填料的投加提升了系統(tǒng)中的生物量和硝化速率，增強了系統(tǒng)中的硝化性能，為反硝化作用提供了底物，提升了TN的去除效率。

(3)在低水溫、低進水濃度的不利情況下兩級AO-MBBR 組合工藝體現(xiàn)出抗沖擊負荷、溫度適應(yīng)性強等優(yōu)點，運行穩(wěn)定、操作便利，是有較好發(fā)展前景和價值的村鎮(zhèn)污水處理技術(shù)之一。