移動床生物膜反應器-生物濾池脫氮除磷中試研究

關鍵詞： 脫氮除磷； 污水處理設備； 曝氣量； 環境溫度

中圖法分類號： U664.9+2 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）01-0131-06

農村生活污水治理是實施鄉村振興戰略和持續打好農業農村污染治理攻堅戰的重要舉措，是農村人居環境整治提升的突出短板。當前農村生活污水處理缺乏完善的處理設施，對生活、生態環境、農業生產等產生巨大影響，而且缺乏足夠的資金和技術支持，難以保障污水處理設施的建設和運營。移動床反應器（MBBR）兼具傳統生物流化床和生物接觸氧化法兩種工藝的優點，具有良好的脫氮除磷效果，已成功應用于生活污水和工業廢水處理[1]。在MBBR 中生物膜微生物與菌膠團雙重作用下，污染物的處理效率得以大幅提升。生物濾池（BF）基于土壤自凈原理，表層填料對污水中懸浮物或較大雜質進行攔截，污水與填料表面生物膜接觸，依靠吸附作用將懸浮物或膠體物質吸附至填料表面，進而生物膜去除污水中污染物。一體化MBBR-BF組合工藝可自適應不同負荷，可調節性強，在處理不同水質和水量的污水時，能夠根據負荷變化自動調節生物膜厚度和數量[2]。組合工藝既有MBBR的高處理效率，又有BF的過濾吸附作用，增強了處理農村生活污水的適用性。

本研究結合MBBR和BF 工藝優勢，構建以MBBR-BF組合工藝為核心的光伏直驅農村生活污水一體化處理設備（以下簡稱“一體化設備”）。通過處理實際農村生活污水的中試試驗研究，考察了不同曝氣量對一體化設備掛膜啟動的影響，探討了溫度變化對污染物去除效果的影響，驗證一體化設備低溫環境下的應用性能，旨在優化一體化設備處理農村生活污水條件。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

一體化設備采用光伏直驅的方式為曝氣泵供電，利用太陽能發電替代傳統的電網供電，具有低碳、低耗、經濟適用等特點，其工藝流程如圖1 所示。農村生活污水具有每日早、中、晚污水排放量大的排放特征，因而采用間歇進水的運行方式，每日進水3 次，每隔5 h 1 次，分別對應早、中、晚3個時段，每次進水水量為當日進水總量的1/3，水力停留時間為24 h，未設置污泥回流，出水方式為無動力自流。

1.2 試驗實際生活污水

實際生活污水采集自某村污水處理站進水口，化學需氧量（COD）、氨氮（NH₃-N）、總氮（TN）和總磷（TP）濃度范圍分別為63～318、18.6～38.2、29.4～50.1 和2.48～5.33 mg·L^-1，水溫在10.9～20.5 ℃范圍，pH 值在7.5～8.2 間波動，其水質符合農村生活污水的特點。

1.3 試驗運行工況

本試驗通過對一體化設備曝氣量和環境溫度進行調控，工況Ⅰ和Ⅱ曝氣量分別為2.0 L·min-1和1.2 L·min^-1，常溫和低溫條件下，水溫分別控制在20～23 ℃和1～5 ℃范圍，考察不同條件下對污染物去除效果的影響，期間運行工況參數調控情況如表1所示。

1.4 水質指標分析方法

試驗采集水樣酸化后4 ℃保存，24 h 內完成COD（快速消解分光光度法）、NH₃-N（納氏試劑分光光度法）、TN（堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）和總磷（鉬酸銨分光光度法）測定。依據山東省《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3963-2019）（以下簡稱為“排放標準”）對出水水質進行評價。

2 結果與討論

2.1 曝氣量對掛膜啟動階段污染物去除效果的影響

曝氣量可改變設備中污水和生物膜內的氧傳質效率[3]，然而曝氣量過大會增加生物膜表面剪切力，抑制厭氧微生物的生長代謝活動，對附著在填料上形成生物膜產生抑制作用，同時過高的溶解氧濃度還會促進有機物分解，從而加速生物膜老化甚至脫落[4]。因此進行了2.0 L·min^-1（工況Ⅰ）和1.2 L·min^-1（ 工況Ⅱ）曝氣量條件下對污染物去除的試驗，其結果如圖2（a-d）所示。

2.1.1 曝氣量對COD去除的影響 曝氣量對掛膜啟動階段COD 去除效果的影響如圖2（a）所示，進、出水COD濃度波動均較小。前6 日運行過程中，出水COD 濃度波動趨勢于進水相似。運行至第7 日，曝氣量減小，COD幾乎全部去除，主要由于此次進水COD濃度較低。當運行至第8 日時，曝氣量減少導致出水COD濃度上升，其去除率明顯下降，之后的運行時間，出水COD濃度和去除率均無較大變化。運行過程中COD去除率平均值為（85.05±9.11）%，張小姍等[5]研究結果也觀察到不同曝氣量條件下的生物濾池出水COD去除率均在83%以上。由此可得，改變曝氣量對COD的去除無明顯影響，表明一體化設備具有良好且穩定的有機物處理能力，主要原因為反應器內填料表面生物膜生長良好[5]，且在掛膜啟動階段有一定的抗沖擊負荷能力。

2.1.2 曝氣量對NH₃-N 去除的影響 曝氣量對掛膜啟動階段NH₃-N 去除效果的影響如圖2（b）所示，整體上，進水NH3-N 濃度呈上升趨勢，在18.6～26.7 mg·L^-1范圍，在工況（Ⅰ 2.0 L·min^-1）條件下，出水平均NH3-N 濃度為（2.93±0.89） mg·L^-1。運行前7 日，NH3-N 去除率平均值為（87.46±4.68）%，而隨著曝氣量降至1.2 L·min^-1（工況Ⅱ），出水NH₃-N濃度驟然上升，第10日出水NH₃-N濃度高達15.50 mg·L^-1，其去除率僅為41.96%，表明生物膜的自我調控能力未完全展現。由圖2（b）可得，曝氣量降低對NH₃-N去除的影響較大，硝化作用對溶解氧的要求大于等于2 mg·L^-1。曝氣量較小時，體系中溶解氧濃度較低，尚不能滿足好氧微生物硝化反應對溶解氧的需要，異養菌會抑制硝化菌產生硝化反應，生物膜外部好氧層中的硝化菌代謝活性和生長速率均降低[6]，生物膜生長增殖緩慢，導致一體化設備的好氧硝化速率降低，進而引起NH₃-N 去除效果變差。綜上所述，曝氣量變化對NH₃-N的去除有明顯影響，且影響一體化設備掛膜啟動速度。

2.1.3 曝氣量對TN去除的影響 曝氣量對掛膜啟動階段TN去除效果的影響如圖2（c）所示，進水的TN濃度在29.4～32.28 mg·L^-1范圍，出水TN濃度平均值為（23.85±1.72） mg·L^-1，平均去除率相對較低，僅為（25.98±5.67）%。反硝化菌為兼性厭氧菌，在有溶解氧的條件下，能以游離氧作為電子受體進行反應[7]。當溶解氧低于一定水平時，生物膜中的好氧微生物的代謝和生長隨之受到影響，一些厭氧微生物的代謝和生長得到促進，從而影響生物膜的健康生長。曝氣量降低后，TN去除率略有提升，可能因為好氧菌和厭氧菌比例發生改變，厭氧菌生長得以促進，從而有利于污水中氮的去除。由圖2 可得，總體上TN的去除率與碳氮比呈負相關，和Jin R等[8]研究結果相似，適宜的碳氮比對于一體化設備反硝化脫氮的影響仍需進一步探究。

2.1.4 曝氣量對TP去除的影響 曝氣量對掛膜啟動階段TP 去除效果的影響如圖2（d）所示，TP去除效果收到曝氣量的影響顯著，進水TP濃度在2.48～3.15 mg·L^-1范圍，隨著曝氣量由2.0 L·min^-1（工況Ⅰ）降至1.2 L·min^-1（工況Ⅱ），其去除率由（72.41±7.62）%降至（54.66±5.27）%。值得注意的是，一體化設備運行過程中，TP的去除率呈現先下降隨后持續上升的趨勢。前7 日，較高的曝氣量有利于微生物進行吸磷反應，但硝化反應所生成的硝態氮會影響聚磷菌厭氧條件下的釋磷反應[9]，進而引起TP去除率不斷下降；第8 日后，隨著曝氣量的降低，TP的去除率有所上升，表明聚磷菌等除磷菌群在不斷適應當前溶解氧環境。

2.2 環境溫度對一體化設備污染物去除效果的影響

為評估一體化設備在不同溫度環境下的處理效果和穩定性，在常溫（20～23 ℃）與冬季低溫（1～5 ℃）環境下進行試驗，闡明不同溫度下微生物的生長和代謝特性，以及它們對不同種類污染物的去除能力，實驗結果如圖3（a-d）所示。

2.2.1 環境溫度對COD去除的影響 常溫與冬季低溫環境對COD去除效果的影響如圖3（a）所示，常溫狀態下，進水的COD 濃度在124～208 mg·L^-1 范圍，平均去除率為（91.84±7.41）%。運行前3 日，出水COD濃度及去除率波動較大，隨著生物膜不斷生長繁殖，第4日至第10日，其去除率均維持在93%以上。運行第10 日由于溫度驟降，出水COD濃度由第9 日的3.54 mg·L^-1升至24 mg·L^-1，隨后兩日COD去除率僅為80%。當運行至第13日時，出水COD濃度降低，其去除率均值為（97.17±1.89）%，表明低溫環境對一體化設備對COD 去除效果的影響較小。王丹丹和羅清威[9]通過移動床-微濾膜處理工藝考察了對餐飲廢水的處理，試驗結果也表明溫度變化對COD去除效果的影響不明顯。總體上，常溫環境下，一體化設備中微生物活性較高，COD去除效果較為穩定，而在冬季低溫環境下，微生物活性得以抑制，COD去除效果受到一定程度的影響。

2.2.2 環境溫度對NH3-N去除的影響 常溫與冬季低溫環境對NH3-N去除效果的影響如圖3（b）所示，常溫環境條件下一體化設備運行穩定，進水NH₃-N 濃度在26.20～38.20 mg·L^-1 范圍，出水NH₃-N 濃度在1.21～2.35 mg·L^-1范圍，NH₃-N 去除效果良好且穩定，平均去除率為（94.13±1.58）%。溫度降至1～5 ℃后，運行第11 日NH₃-N 去除率隨之驟降至僅35.61%，可能由于部分微生物對溫度變化適應性較強，保持其對NH₃-N一定的去除能力。低溫環境下NH₃-N 平均去除率降至（51.60±9.96）%，微生物進行硝化反應的適宜溫度在25～30 ℃，低溫環境下生物膜上硝化菌活性受到抑制[10]，從而使得NH3-N的去除更加困難。

2.2.3 環境溫度對TN去除的影響 常溫與冬季低溫環境對TN去除效果的影響如圖3（c）所示，常溫環境下，進水TN濃度在36.30～46.30 mg·L^-1范圍，均值為（40.93±3.33） mg·L^-1，出水TN濃度在12.49～26.84 mg·L^-1范圍，均值為（20.78±4.45） mg·L^-1，平均TN去除率為（49.39±9.60）%。溫度降低后，TN去除率迅速降低，表明較高的溫度有利于TN的去除[1]。運行至第11 日，其去除率僅為7.92%，出水TN濃度高達36.56 mg·L^-1，Liu T等[11]通過生物膜反應器實驗結果也發現，溫度由20 ℃降至10 ℃時，體系脫氮率降低幅度高于50%。之后幾日TN去除率緩慢回升至30%左右，表明低溫環境下，微生物具有一定的自我調節能力，保證了生物膜的動態穩定[12]。

2.2.4 環境溫度對TP去除的影響 常溫與冬季低溫環境對TP 去除效果的影響如圖3（d）所示，常溫環境下一體化設備運行穩定，TP 的去除效果較為穩定，進水TP 濃度在3.20～4.42 mg·L^-1范圍，TP 出水平均濃度為（1.50±0.30） mg·L^-1，平均TP 去除率為（61.63±6.65）%。溫度降至1～5 ℃后，TP去除率持續下降，運行至第11 日，TP去除率僅為32.95%。而運行至第12 日，TP 去除率突增至80.68%，可能為耐低溫除磷菌的作用[13-14]。隨后運行時間TP 去除率趨于平穩，運行第12～16 日的平均TP去除率為（68.11±8.78）%。低溫對聚磷菌生長速率的影響不大，有學者研究發現生物強化除磷系統中，水溫由20 ℃降至10 ℃，除磷效果降低，而進一步降至5 ℃時，生物除磷效果有所提升[15]。總體上，常溫與低溫環境對TP的去除效果均較好，溫度變化對一體化設備除磷的影響較小。

3 結論

（1）一體化設備在工況（Ⅰ 2.0 L·min^-1）條件下可有效地去除污染物，出水指標符合山東省《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3693—2019）一級標準，運行工況Ⅱ（1.2 L·min^-1）條件下，出水NH₃-N 和TP濃度較工況Ⅰ明顯升高，出水COD和TP 指標符合“排放標準”一級標準，NH₃-N 指標符合“排放標準”二級標準，可通過水肥以及村莊生態景觀建設等資源化利用方式實現污水就地回用；

（2）一體化設備在水溫20～23 ℃工況下運行時，對COD、NH₃-N、TN、TP 的平均去除率分別為92.48%、94.41%、49.39%和61.63%，適宜的溫度有利于組合工藝體現其處理優勢，且處理實際生活污水的效果較為優秀，出水的COD、NH₃-N、和TP濃度指標符合“排放標準”的一級標準。一體化設備在低溫運行狀態下，設備對污染物的去除效果變差，但出水COD和NH₃-N 指標仍可滿足“排放標準”一級標準，一體化設備可應用于冬季低溫環境，且運行狀況良好，對COD和NH₃-N有較強的處理能力。