MBBR工藝在農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.中國冶金地質總局第二地質勘查院，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.中國冶金地質總局二局，福建 福州 350000）

0 引言

隨著農村經濟發展水平逐漸提高以及農業產業規模不斷擴大，農村水污染問題日漸嚴重，相關部門、當地企業及村民需要盡快開展農村水污染治理。相比于城鎮水污染治理，農村水污染治理難度較大，這是因為農村污水水質水量不夠穩定、村民環境保護意識較差、治理主體缺乏足夠資金及技術，為了解決農村水污染治理問題，相關部門可以選擇應用MBBR工藝。

1 農村水污染成因

1.1 生活污水隨意排放

農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，據統計，我國農村地區每天產生的生活污水約為2300萬t，如果未對生活污水進行科學處理，必然會產生嚴重的農村水污染問題[1]。洗浴污水、衣物清洗污水中磷、硫含量較高，如果直接排放到當地河流中會導致水體富營養化，并且還會提高藻類的生長和繁殖效率，降低水體質量。廚房污水中糖類物質、淀粉、纖維素等有機物含量較高，如果直接排放到當地河流中便會增加水體的有機物含量，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，如果直接排放到當地河流中會導致水體污染，若村民或牲畜飲用污染水源會引發各種疾病。

1.2 家禽養殖污水排放

家禽規模化養殖逐漸成為主要的農村經濟發展項目及農民收入來源，但是建設大型家禽養殖場必然會導致農村水污染問題。大部分養殖場由農民建設，導致養殖場存在污染防治技術應用不到位、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殖污水處理效果。部分養殖場會直接將家禽排泄物排放到當地河流中，導致出現農村水污染問題。部分養殖場會將家禽屠宰產生的血液和污水排放到當地河流中，增加水資源有機物含量、導致水體富營養化，引發農村水污染問題。

1.3 企業污水隨意排放

在城鎮化建設進程持續推進、城鎮經濟水平快速提高、工業產業結構轉型及調整不斷深入的背景下，越來越多的企業選擇將工廠建立在農村地區，同時農村地區也出現了較多中小型企業[2]。這些企業普遍具有能耗較大、污染排放物質較多、污染問題較為嚴重等特點，如果這些企業未對污水進行科學處理，或者將未達標污水直接排放到當地河流中，便會導致農村出現水污染問題。農村地區企業領導者和管理者很多都是農民，缺乏足夠的水污染治理意識和環境保護意識，這會在一定程度上增加企業污水隨意排放導致的農村水污染問題。很多農村地區企業從事的是農作物種植、生產、加工業務，如果農藥及化肥用量不合理也會導致農村出現水污染問題，例如，增加水資源重金屬物質含量、導致水體富營養化。

2 MBBR工藝農村水污染治理原理及設備

2.1 農村水污染治理原理

2.1.1 除磷原理

MBBR工藝農村水污染治理除磷原理如下：聚磷菌在厭氧環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部生成PHB和PO43-，PO43-會被排放到大氣環境。聚磷菌在好氧環境下會快速生長和繁殖，以PHB、外源基質為質子驅動力，將細胞外的PO43-吸收到細胞內部生成ATP、核酸，將過剩的PO43-生成多聚磷酸鹽。聚磷菌在好氧環境下吸收的磷超過了在厭氧環境下釋放的磷，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用優勢如下：懸浮生物載體生物膜能夠同時為聚磷菌提供厭氧環境和好氧環境。當聚磷菌位于生物膜內層時，表示聚磷菌在厭氧環境下；當生物膜脫落時，表示聚磷菌在好氧環境下[3]。

2.1.2 脫氮原理

MBBR工藝農村水污染治理脫氮原理如下：在好氧區內，硝化細菌、亞硝化細菌與NH3發生硝化反應，生成NO2-N、NO3-N。在缺氧區內，反硝化細菌與NO2-N發生反亞硝化反應，與NO3-N發生反硝化反應，還原為氮氣。氮氣排放到大氣環境中，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用優勢如下：硝化反應生成物質能夠在后續反亞硝化反應、反硝化反應中得到有效應用，有利于降解硝化反應生成的硝酸鹽，提高脫氮處理效率。硝化反應會消耗污水中的堿，反硝化反應會生成堿，實現了對堿的中和處理，不需要額外去除或添加堿，從而節省脫氮處理時間和成本。硝化反應、反亞硝化反應、反硝化反應均能夠在同一反應池內完成，不需要設置專門的回流設備和厭氧池，從而降低脫氮處理成本，縮短處理時間。

2.2 農村水污染治理設備

MBBR工藝農村水污染治理設備包括反應器主體、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，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，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、流動、翻轉等，從而更新生物膜。

現選擇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工藝農村水污染治理中應用了流體力學原理，具體如下：水下葉輪在高速旋轉狀態下會形成負壓區，將設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，污水在反應區內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，因此能夠完成均勻充分的曝氣，為好氧區設備運行提供了足夠的推動力，降低了設備內部出現活性污垢粘連、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量，而且減少了對于設備清洗的需求，避免了操作人員反復清洗設備。

3 MBBR工藝在農村水污染治理中的運用分析

3.1 MBBR工藝應用特點

與傳統水污染治理技術相比，MBBR工藝具有以下應用特點。

（1）MBBR工藝可以改造和應用原有曝氣池，不需要建立專門的反應池。盡管治理設備占地面積較小，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工藝生物膜的適應性和抗沖擊負荷能力較強，能夠適應有毒、低溫等極端環境。

3.2 MBBR工藝應用流程

（1）將污水排入粗格柵池（設置2個閥門、2臺水泵），去除大塊懸浮物。

（2）將污水排入調節池（設置2個閥門、2臺水泵），實現均值均量調節。

（3）將污水排入一體化厭氧設備（厭氧區），此時污水與回流污泥實現了充分混合，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，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，通過內循環回流將硝酸根還原為氮氣，并且釋放。經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和缺氧區的除磷效率，還能夠為好氧區除磷效率提供保障。將硝化液回流至缺氧區，能夠提高缺氧區的脫氮效率。

（5）將污水排入好氧區，污水與回流污泥中的氨氮通過硝化反應生成硝酸根，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。處理后的清水經過砂濾紫外線消毒，就近排放到河流或中水系統中。

（6）將剩余污泥排入污泥池，轉入其他站點進行統一處理。

（7）MBBR工藝系統設置了化學加藥除磷設備，如果經過上述處理的污水未能達到排放標準，可以通過化學加藥除磷設備、PAC化學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村水污染治理技術，具有廣闊的發展空間。但是我國現階段關于MBBR工藝在農村水污染治理中的應用實例較少，要想加強對MBBR工藝的運用，還需要做好如下工作：①持續開發生物膜載體、培養微生物、改善生物膜運行環境，從而優化反應器的曝氣、布水方式；②MBBR工藝的應用局限在印染企業污水、生活污水治理上，需要擴展工藝應用范圍，并且聯合其他水污染治理技術共同應用；③加強對于微生物附著和膜肌理的研究，提高MBBR工藝應用技術含量。

4 結語

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