“雙碳”背景下污水處理節能降耗工藝比較探析

摘要：隨著工業化進程的加快，污水處理成為重要的環境保護手段。為了實現污水的高效處理和資源的循環利用，各種節能降耗的污水處理工藝應運而生。本文對MBBR工藝、MSBR工藝和MBR工藝比較分析，從處理效果、能耗和運行成本等方面評估，并明確其適用范圍。研究結果表明，不同工藝在不同方面具有各自的優點和缺點，應根據具體情況選擇適合的工藝。

關鍵詞：污水處理；MBBR工藝；MSBR工藝

DOI：10.12433/zgkjtz.20240348

現如今，工業化和城市化的快速發展，污水排放量不斷增加，傳統的污水處理工藝已經難以滿足對水質的要求，節能降耗成為污水處理工藝研究的重要方向。因此，研究和比較不同的“雙碳”污水處理工藝，對提高處理效率、降低能耗和運行成本具有重要意義。

一、節能降耗工藝的研究意義

污水處理工藝是實現廢水資源化和環境保護的重要手段。而節能降耗工藝的研究意義主要體現在以下四個方面：

一是提高處理效率，減少污染物排放，達到環保要求。

二是降低能耗，減少對能源的依賴，實現可持續發展。

三是降低運行成本，提高工藝的經濟性。

四是探索新的處理工藝，推動污水處理技術的創新和進步。

二、MBBR工藝

（一）工藝原理

MBBR工藝的工藝原理主要是通過在處理容器中加入一些高比表面積的填料，如塑料顆粒、陶瓷顆粒等，這些填料表面附著有大量的微生物膜。當廢水通過處理容器時，有機物質會被微生物附著膜降解，同時微生物也會通過附著在填料上的生物膜進行自身的生長和繁殖。這樣，廢水中的有機物質得以被有效去除，同時填料上的生物膜也會隨著時間的推移而增厚，提高廢水處理的效果。

（二）優點

1.高附著生物膜密度

由于填料表面具有大量的微生物膜，這些微生物能夠有效地吸附和降解廢水中的有機物質。與傳統的生物處理工藝相比，MBBR工藝在單位體積內能夠容納更多的微生物，處理效率更高。

2.良好的抗沖擊負荷能力

MBBR工藝具有良好的抗沖擊負荷能力。由于填料表面具有大量的微生物膜，這些微生物能夠快速適應廢水中的有機物質濃度變化。當廢水中有機物質濃度突然增加或減少時，微生物膜能夠迅速調整自身的代謝活動，保持穩定的廢水處理效果。這使MBBR工藝在應對廢水中有機物質濃度變化較大的情況下表現出較強的穩定性。

（三）缺點

1.需要較大的處理容器

由于MBBR工藝需要填料提供附著面積，需要較大的處理容器，這對于一些場地有限或者快速搭建的項目來說存在一定的困難。

2.對溫度和水質影響較大

MBBR工藝對溫度和水質的影響較大。較低的溫度會降低微生物的活性和降解效率，而較高的溫度則導致生物膜的脫落和污染物的釋放。水質的波動和變化也會對MBBR工藝的穩定性和處理效果產生一定的影響。

三、MSBR工藝

（一）工藝原理

“雙碳”污水處理節能降耗MSBR工藝是一種基于微生物活性污泥床反應器（Microbial Sludge Bed Reactor，MSBR）的處理工藝。該工藝利用生物膜中的微生物附著在填料表面上進行生物降解反應，從而將有機物和氨氮等污染物轉化為無害的物質。MBBR工藝主要包括填料和曝氣兩個關鍵環節。

填料是MBBR工藝中的核心組成部分，它提供大量的表面積，為微生物生長和附著提供良好的環境。常用的填料材料包括聚合物材料、陶瓷材料和復合材料等。填料的設計和選擇對MBBR工藝的效果有重要影響，合適的填料能夠提高生物膜的密度和附著量，提高污水處理效率。

曝氣是指在MBBR工藝中通過向廢水中注入氣體，提供氧氣供給微生物進行降解反應。常用的曝氣方式分為噴氣曝氣和曝氣板曝氣，曝氣不僅能夠提供氧氣，促進微生物的生長和降解反應，還能夠增加廢水的混合和攪拌，提高廢水的接觸效果。

（二）優點

1.節能

MSBR工藝相較于傳統的污水處理工藝具有明顯的節能優勢。一方面，由于采用厭氧降解過程，可以減少氧氣的供應和能量消耗。另一方面，填料的設計和運行條件的優化提高微生物降解效率，減少處理時間和能耗。

研究表明，與傳統的曝氣池工藝相比，MSBR工藝的能耗降低30%以上，這不僅降低企業的運營成本，還減少對環境的負面影響。

2.減少化學藥劑投加

在傳統的污水處理工藝中，通常需要投加大量的化學藥劑促進廢水的凈化過程。然而，化學藥劑具有一定的毒性和難以降解的特性，對環境和人體健康造成一定的危害。

3.適用于高濃度有機廢水處理

傳統的污水處理工藝在處理高濃度有機廢水時效果不佳，需要采用一系列的預處理措施，而MSBR工藝在處理高濃度有機廢水時具有優勢。

MSBR工藝中的微生物附著填料提供較大的附著面積，增加微生物的附著量和生物降解能力。此外，通過調節反應器的操作條件和控制系統，可以適應不同濃度的廢水處理需求。

（三）缺點

1.對廢水的適應性較差

MSBR工藝在適應不同種類的廢水時存在一定的挑戰。由于廢水的成分和性質的差異，反應器中的微生物可能無法適應新的環境，導致降解效率下降甚至無法有效處理。

為了解決這個問題，需要對廢水的性質詳細的分析和評估，選擇合適的操作條件和填料材料。此外，采用多級處理或聯合其他工藝進行廢水處理，提高處理效果和適應性。

2.運行和維護成本較高

MSBR工藝需要精確控制反應器的操作條件和檢測微生物的生長情況，所以其運行和維護成本較高，特別是在處理高濃度有機廢水時，需要采用更復雜的控制系統和設備，增加投資和運營成本。

此外，由于填料的使用和微生物的生長特性，需要定期更換和清洗填料，增加維護成本和工藝的復雜性。

四、MBR工藝

（一）工藝原理

MBR工藝主要基于膜生物反應器（MBR）的工作原理。MBR是一種集生物反應器和膜過濾器于一體的污水處理系統。在傳統MBR工藝中，廢水通過生物反應器進行有機物的降解和污染物的去除，通過膜過濾器進行固液分離，最終得到清澈的出水。

對傳統MBR工藝改進。一是，增加碳源供給，如添加外部碳源或回收廢水中的有機物，提高生物反應器中微生物的生長速率和活性，加快有機物的降解，提高處理效率。二是，改進膜材料，采用低能耗的新型膜材料，如超濾膜或納濾膜，以降低能耗和提高膜的通量。

（二）優點

1.高處理效率

MBR工藝通過增加碳源供給和改進膜材料，提高處理效率。碳源的增加促進微生物的生長和活性，加快有機物的降解速度。而新型膜材料的應用可以提高膜的通量，減少阻力，進一步提高處理效率，具有更高的處理能力和更短的處理時間。

2.出水水質穩定

MBR工藝采用膜過濾器進行固液分離，有效去除懸浮物、膠體和微生物等污染物，從而得到清澈透明的出水。膜過濾器的應用可以實現高效的固液分離，控制出水水質，保持水質穩定性。

（三）缺點

1.運行成本較高

相比傳統的污水處理工藝，MBR工藝需要增加碳源供給和采用新型膜材料，這增加了運行成本。碳源的供給會增加廢水處理系統的能耗和運維成本，新型膜材料的應用也會增加設備的投資和維護成本。

2.對膜的維護要求高

MBR工藝采用膜過濾器進行固液分離，對膜的維護要求較高。膜過濾器在長期運行中容易受到污染和堵塞，需要定期清洗和維護。膜材料的選擇和使用也需要考慮膜的耐久性和穩定性，以確保長期穩定運行。因此，MBR工藝需要加強對膜的維護和管理。

五、比較分析

（一）處理效果比較

1.去除COD和NH3-N的效果比較

MBBR工藝在去除COD和NH3-N方面表現出較好的效果，由于填料表面有大量的微生物膜附著，這些微生物能夠有效吸附和降解廢水中的有機物質和氨氮。研究表明，MBBR工藝在COD和NH3-N的去除率達到90%以上，能夠滿足一般工業和城市污水處理的要求。

MSBR工藝在去除COD和NH3-N方面的效果也較好，此工藝采用微生物活性污泥床反應器，微生物能夠在填料表面進行生物降解反應，有效去除有機物和氨氮。MSBR工藝在COD和NH3-N的去除率達到80%以上，相比傳統的生物處理工藝有一定的提高。

MBR工藝在去除COD和NH3-N方面也具有較好的效果，由于采用膜過濾器固液分離，有效去除懸浮物和膠體，提高出水水質。MBR工藝在COD和NH3-N的去除率達到90%以上，出水水質穩定。

綜合來看，三種工藝在去除COD和NH3-N方面的效果都較好，能夠滿足一般工業和城市污水處理的要求。

2.出水水質穩定性比較

MBBR工藝通過填料的附著微生物膜和曝氣的作用，去除廢水中的懸浮物、膠體和微生物等污染物，得到清澈透明的出水。因此，MBBR工藝的出水水質較為穩定。

MSBR工藝通過微生物在填料表面的附著進行生物降解反應，可以去除廢水中的懸浮物、膠體和微生物等污染物，得到清澈透明的出水。因此，MSBR工藝的出水水質較為穩定。

MBR工藝通過膜過濾器進行固液分離，可以有效去除廢水中的懸浮物、膠體和微生物等污染物，得到清澈透明的出水。膜過濾器的應用可以實現高效的固液分離，進一步提高出水水質的穩定性。

（二）能耗比較

1.能耗分析

MBBR工藝的能耗主要來自填料的曝氣和攪拌，其中曝氣是主要的能耗來源。填料的曝氣方式和控制策略的合理選擇減少曝氣能耗，MBBR工藝的能耗范圍為0.5～1.0kWh/m3。

MSBR工藝的能耗主要來自曝氣和攪拌，其中曝氣是主要的能耗來源。MSBR工藝通過調節曝氣量和曝氣方式，減少能耗，MSBR工藝的能耗范圍為0.3～

0.8kWh/m3。

MBR工藝的能耗主要來自曝氣和膜過濾器的清洗和維護。膜過濾器的能耗主要來自膜通量和清洗水的消耗，MBR工藝的能耗范圍為0.5～1.5kWh/m3。

2.能耗對比

MBBR工藝、MSBR工藝和MBR工藝的能耗存在一定的差距，但總體來看，MSBR工藝的能耗較低，MBBR工藝次之，MBR工藝的能耗較高。

（三）應用范圍比較

MBBR工藝適用于廢水處理量較大、處理效果要求較高的場所，如城市污水處理廠、工業廢水處理廠等。MBBR工藝對廢水中的有機物質處理效果較好，適用于有機廢水處理。

MSBR工藝適用于廢水處理量較大、處理效果要求較高的場所，如城市污水處理廠、工業廢水處理廠等。MSBR工藝對廢水中的有機物質處理效果較好，且具有較低的能耗和運行成本，因此適用于有機廢水處理。

MBR工藝適用于廢水處理量較小、處理效果要求較高的場所，如小型城市污水處理廠、高端工業廢水處理廠等。MBR工藝具有較高的處理效率和出水水質穩定性，適用于對水質要求較高的場所。

六、結語

通過對MBBR工藝、MSBR工藝和MBR工藝比較分析，不同工藝在處理效果、能耗和運行成本等方面具有各自的優點和缺點。在實際應用中，應根據具體情況選擇合適的工藝，以實現高效、節能、降耗的污水處理。對于中小型污水處理廠，MBBR工藝是較理想的選擇;對于高濃度有機廢水處理，可以考慮使用MSBR工藝;對于對出水水質要求較高的場所，MBR工藝是較好的選擇。未來的研究方向可以進一步探索工藝的優化和改進，從而提高污水處理效果和降低運行成本。

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作者簡介：祝征海（1981），男，山東省青島市人，本科，中級工程師，研究方向為市政工程工程管理。