蒙小俊

（安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 安康 725000）

基于活性污泥法的A2／O、 氧化溝和SBR 以及變形工藝因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 工藝技術(shù)成熟、 工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富， 運(yùn)行控制容易， 以及具有同步脫氮除磷等特點(diǎn)成為當(dāng)前廢水處理的主體［1］， 排放標(biāo)準(zhǔn)能滿(mǎn)足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 或一級(jí)B 要求［2］。 考慮到自然水體幾乎喪失自?xún)裟芰Γ?各地區(qū)相繼推出更加嚴(yán)格的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)， 如太湖流域標(biāo)準(zhǔn)、 北京地標(biāo)、 浙江地標(biāo)等地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)， 甚至更加嚴(yán)格的滇池“雙五”標(biāo)準(zhǔn)等［3］，“碳達(dá)峰、 碳中和”政策以及相關(guān)法規(guī)的出臺(tái)， 傳統(tǒng)處理工藝無(wú)法滿(mǎn)足廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求， 廢水處理工程升級(jí)改造、 提質(zhì)增效刻不容緩。 升級(jí)改造應(yīng)因地制宜， 充分利用現(xiàn)有處理設(shè)施， 盡量減少新增設(shè)施， 工藝的選取應(yīng)力求運(yùn)行安全可靠、 技術(shù)先進(jìn)成熟、 出水達(dá)標(biāo)且穩(wěn)定、 抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、 有成功運(yùn)行案例、 易于維護(hù)管理、 操作方便、 高效節(jié)能，且宜減少工程投資及運(yùn)行成本［4-5］。 生物單元中添加填料形成的MBBR 可提高生物量， 提高處理負(fù)荷， 強(qiáng)化處理效果， 滿(mǎn)足升級(jí)改造的條件要求。 通過(guò)泥膜復(fù)合MBBR 工藝的實(shí)施， MBBR 可與A2／O、SBR、 氧化溝、 BIOLAK 以及各種變形工藝相結(jié)合，微生物生長(zhǎng)方式為懸浮+附著， 實(shí)現(xiàn)鑲嵌式改造提質(zhì)增效， 廢水處理實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗， 出水水質(zhì)可執(zhí)行一級(jí)A 或準(zhǔn)地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)［2］。 MBBR 已廣泛應(yīng)用于處理城鎮(zhèn)污水、 工業(yè)廢水、 醫(yī)療廢水、 高氨氮有機(jī)廢水和垃圾滲濾液等領(lǐng)域， 也可以與其他工藝聯(lián)合以滿(mǎn)足不同廢水處理的要求， 具有廣泛的應(yīng)用前景［6-7］。

對(duì)近年來(lái)MBBR 研究領(lǐng)域進(jìn)行梳理和分析， 總結(jié)了MBBR 工藝原理、 工藝特征、 影響因素、 工藝改造路線(xiàn)和工程應(yīng)用案例， 對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望， 以期為MBBR 工藝升級(jí)改造提質(zhì)增效，以及推廣其在廢水處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供支持。

1 MBBR 工藝原理

MBBR 是一種將傳統(tǒng)活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的新型廢水處理工藝， 屬典型的生物膜法［7］。工藝原理為投加密度與水相近的懸浮填料作為接種微生物生長(zhǎng)的載體， 在曝氣或機(jī)械攪拌和水流的作用下使載體成流化態(tài)與廢水多次接觸， 微生物附著生長(zhǎng)形成具有一定功能的生物膜， 懸浮載體填料與原有活性污泥形成更為復(fù)雜的復(fù)合式生態(tài)系統(tǒng)， 附著生長(zhǎng)在填料上的生物膜使生物池中的生物量大大增加， 廢水流經(jīng)活性污泥和生物膜表面， COD、NH3-N 和TP 等污染物被生物膜和活性污泥中的微生物吸附和降解， 從而使廢水實(shí)現(xiàn)凈化。 西安市第四污水處理廠的MBBR 工藝投加了懸浮填料， 實(shí)現(xiàn)了懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法和附著生長(zhǎng)的生物膜法的優(yōu)勢(shì)疊加， 改造后生物池出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 其中NH3-N 質(zhì)量濃度下降0.44 ～1.29 mg／L，TN 質(zhì)量濃度下降4.93 ～5.60 mg／L， COD 去除率達(dá)到92%以上［8］。

MBBR 生物膜的形成多采用快速排泥法［9］和接種法［10］進(jìn)行掛膜， 掛膜的實(shí)質(zhì)就是依據(jù)生態(tài)學(xué)的“選擇與適應(yīng)”原理馴化篩選和專(zhuān)性富集微生物， 增加生物池內(nèi)的菌群數(shù)量， 載體上附著生長(zhǎng)的微生物濃度是懸浮生長(zhǎng)活性污泥的2 ～4 倍， 可達(dá)8 ～12 g／L［11］， 生物膜相比較活性污泥具有更高豐度的功能微生物。 文獻(xiàn)［12］研究表明， 添加載體用于CAST 改造后， 硝化菌群在懸浮載體上的相對(duì)豐度達(dá)到8.71%， 高于活性污泥中的4.85%； 投加懸浮載體對(duì)氧化溝進(jìn)行改造， 改造后好氧區(qū)懸浮載體上硝化螺旋菌是活性污泥的3 倍， 缺氧區(qū)懸浮載體上反硝化菌是活性污泥中的2.5 倍［5］。

添加填料形成的好氧MBBR 主要以強(qiáng)化硝化為主， 隨著懸浮載體上生物膜逐漸成熟， 存在特定的生物膜分層結(jié)構(gòu)， 外層為好氧區(qū)， 內(nèi)層為缺氧區(qū)， 生物膜上會(huì)發(fā)生同步硝化反硝化（SND）， SND能增強(qiáng)系統(tǒng)的脫氮能力［12］； 添加填料形成的缺氧MBBR 主要以強(qiáng)化反硝化為主， 可有效去除TN，在反硝化的同時(shí)， 去除廢水中部分COD； 缺氧MBBR 可對(duì)厭氧氨氧化菌（AAOB）進(jìn)行富集， 實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化（Anammox）， 并結(jié)合短程硝化形成自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）［13］和短程硝化-厭氧氨氧化-反硝化（SNAD）工藝［14］等； 對(duì)反硝化聚磷菌（DPB）進(jìn)行富集以實(shí)現(xiàn)反硝化除磷（DPR）， 將缺氧吸磷代替好氧吸磷［15］； 厭氧MBBR 中可實(shí)現(xiàn)一體式短程反硝化-厭氧氨氧化工藝（PD-Anammox）［16］， 同時(shí)可提高釋磷和難降解有機(jī)物質(zhì)的去除效果。

MBBR 掛膜過(guò)程中， 生物膜厚度不斷增加， 營(yíng)養(yǎng)物輸入阻力加大， 粘附力變差， 生物膜出現(xiàn)老化， 為加速生物膜更新， 防止生物膜在回流水、 曝氣以及填料之間的相互碰撞下集中脫落， 應(yīng)針對(duì)改善傳質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。

2 MBBR 工藝特征

2.1 微生物多樣性更高

當(dāng)生物膜達(dá)到一定厚度時(shí)， 從生物膜外到內(nèi)DO 濃度有明顯差異， 依次形成好氧、 缺氧或者厭氧環(huán)境， 有效滿(mǎn)足了不同微生物的生長(zhǎng)條件需求，使生物鏈變長(zhǎng)， 微生物多樣性更豐富， 存活世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物， 有利于不同功能的優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)揮作用。 文獻(xiàn)［17］研究表明， 利用MBBR 對(duì)CAST 進(jìn)行改造后， 微生物菌屬數(shù)量分析表明： 填料上有519 個(gè)， 污泥中有528 個(gè)， 改造后填料和污泥共652 個(gè)， 其中共有菌屬394 個(gè)， 改造前污泥476個(gè)， 改造后系統(tǒng)的微生物菌落多樣性更高， 填料的加入帶來(lái)了更豐富的微生物菌落結(jié)構(gòu)； 氨氧化菌（AOB）與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）填料上合計(jì)為14.60%， 而污泥中僅為6.98%； 主要的反硝化菌群填料中占比11.44%， 改造后污泥中占比31.14%，改造前污泥中占比為18.12%； AAOB Ca.Brocadia在填料和改造后的污泥中占比分別為0.82% 和0.61%。

2.2 易原位操作管理， 持續(xù)升級(jí)

MBBR 所用的懸浮填料具有較大的比表面積，可附著較多的生物量， 提高反應(yīng)器單位體積的處理效率， 從而縮小池體體積， 在原有工藝基礎(chǔ)上通過(guò)懸浮載體換代或投加量的增加實(shí)現(xiàn)污水廠的升級(jí)改造， 填充率可在10%～67%［2，17］。 從運(yùn)行能耗及運(yùn)行維護(hù)管理角度考慮， 一般要求填充率大于15%，過(guò)低會(huì)降低處理效果， 實(shí)際工程中， 好氧池懸浮載體填充率一般為25%～60%［18］。 從設(shè)計(jì)角度考慮，懸浮載體填充率最大填充至67%， 當(dāng)填料填充率過(guò)大時(shí)會(huì)影響其在水中的流化程度， 降低氧的傳遞和利用， 從而影響處理效果。 低溫下SPR-1 懸浮填料硝化速率表明， 與不投加懸浮填料相比， 當(dāng)填料填充率為16%和40%時(shí)， 硝化速率可分別提高28%和71%， 硝化效率可分別提高22%和53%［19］。當(dāng)實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)或水量與設(shè)計(jì)值有較大出入， 或出水水質(zhì)再次提高時(shí)， 可以考慮增加懸浮載體填充率， 進(jìn)一步強(qiáng)化處理效果。

2.3 抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)

MBBR 中微生物以附著態(tài)存在， 能夠抵抗較強(qiáng)的沖擊， 且在超設(shè)計(jì)負(fù)荷沖擊后， 能夠快速恢復(fù)效果。 采用MBBR 對(duì)CAST 進(jìn)行改造， 在進(jìn)水水質(zhì)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值的情況下， 各主要指標(biāo)的最大沖擊負(fù)荷超過(guò)設(shè)計(jì)值200%， 其處理出水水質(zhì)依然能夠達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 具有較好的處理效果［17］。 采用MBBR對(duì)氧化溝進(jìn)行改造， 在進(jìn)水COD 超標(biāo)率為81%、BOD5超標(biāo)率為37% 的條件下， 改造后出水COD、BOD5、 TN、 NH3-N、 TP 和SS 穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)［5］。采用改良A2／O-MBBR 工藝處理高鹽廢水， 發(fā)現(xiàn)懸浮載體具有較好的抗沖擊能力， 氯離子波動(dòng)沖擊對(duì)于懸浮載體的硝化效果無(wú)明顯影響， 但對(duì)活性污泥的硝化過(guò)程具有明顯的抑制作用［20］。

2.4 適應(yīng)性強(qiáng)， 運(yùn)行穩(wěn)定

MBBR 工藝綜合了傳統(tǒng)流化床以及生物接觸氧化法的優(yōu)點(diǎn)， 適應(yīng)性強(qiáng)并運(yùn)行穩(wěn)定。 李新利等［10］結(jié)合中試及實(shí)際運(yùn)行對(duì)比了MBBR 及活性污泥法對(duì)皮革廢水的處理效果， 發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)COD 的去除能力接近， 但MBBR 出水NH3-N 的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在7 mg／L 以下， 遠(yuǎn)優(yōu)于活性污泥法的處理效果（出水ρ（NH3-N） ＞200 mg／L）， MBBR 的NH3-N 容積負(fù)荷為活性污泥法的2.36 倍， 懸浮載體能較快適應(yīng)水質(zhì)， 異常運(yùn)行后能快速恢復(fù)。 天津某污水廠生化段采用MBBR 工藝將A2O 改為Bardenpho 工藝，在9 ～11 ℃的低溫條件下， 硝化速率是活性污泥法的10 倍， 幾乎承擔(dān)了全部的硝化作用， 懸浮載體在低溫條件下優(yōu)勢(shì)突出［21］。

2.5 節(jié)能降耗， 運(yùn)行成本低

MBBR 剩余污泥產(chǎn)生量小， 多級(jí)MBBR 污泥產(chǎn)率為0.12， 為A2／O 工藝的1／4 ～1／5［22］， 且好氧條件下可實(shí)現(xiàn)SND， 缺氧條件下可發(fā)生DPR 和Anammox， 剩余污泥產(chǎn)量小， 處理成本低， SND 縮短反應(yīng)時(shí)間， 曝氣量低， 降低回流比， DPR 以及Anammox 均為自養(yǎng)脫氮， 無(wú)需耗氧且污泥產(chǎn)率低，MBBR 在節(jié)能降耗方面具有優(yōu)勢(shì)。 周禎領(lǐng)等［23］在好氧段設(shè)置MBBR 對(duì)氧化溝進(jìn)行一級(jí)A 提標(biāo)改造，好氧區(qū)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的SND， TN 去除量約占進(jìn)水的12.05%， 降低了運(yùn)行能耗和藥耗， 改造后電耗降至0.256 kW·h／m3， 較改造前節(jié)約17%。 路暉等［24］將好氧區(qū)采用兩級(jí)MBBR 對(duì)A2／O 進(jìn)行工藝改造后，生化系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)SND 及DPB， 通過(guò)SND 途徑TN 去除貢獻(xiàn)率為13.20%， 通過(guò)DPB 途徑TP 去除貢獻(xiàn)率為88%， 實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

3 MBBR 工藝影響因素

3.1 填料

填料是MBBR 工藝的核心， 按材質(zhì)分主要有塑料、 聚氨酯、 陶粒和其他新型材質(zhì)填料； 按構(gòu)型分主要有圓柱體、 立方體、 球狀、 短管狀填料等，填料的材質(zhì)、 結(jié)構(gòu)和數(shù)量直接關(guān)系到整個(gè)生物膜的形成和厚度， 進(jìn)而影響氣液傳質(zhì)和處理效能［25］。文獻(xiàn)［9］研究表明， 當(dāng)活性污泥中的好氧氨氧化菌菌屬為Nitrosomonas 時(shí)， MBBR 中聚氨酯立方體填料最適合其掛膜； 而更適合AAOB Ca.Kuenenia 掛膜的生物填料為K3 環(huán)形填料， 材質(zhì)為聚乙烯或者聚丙烯。

影響MBBR 填料運(yùn)行效果的主要因素為有效比表面積， 其典型值為450 ～1 200 m2／m3［18］， 具有更大內(nèi)部表面積的填料掛膜啟動(dòng)更快。 對(duì)比分析比表面積為500、 500 和600 m2／m3的塑料P1、 聚乙烯K1 和K2 填料的MBBR 處理養(yǎng)殖廢水的掛膜效果， 發(fā)現(xiàn)單位體積的K2 填料生物膜質(zhì)量（11.9 g）與P1（6.0 g）和K1（9.1 g）相比， K2 含有更多的生物膜， 具有更好的掛膜效果［26］。 污水處理廠常用填料參數(shù)如表1 所示。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)污水處理廠升級(jí)應(yīng)用MBBR 較多的填料為SPR 系列， 材質(zhì)為聚乙烯，理化參數(shù)符合CJ／T 461—2014《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》要求。

表1 污水處理廠常用填料參數(shù)Tab. 1 Parameters of fillers commonly used in sewage treatment plant

3.2 溫度

溫度影響微生物代謝活性， 過(guò)低或過(guò)高均不利于廢水中污染物的去除。 溫度對(duì)脫氮的影響比除磷顯著， 當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)硝化細(xì)菌的活性大幅度降低， 硝化速率也明顯下降； 當(dāng)溫度低于5 ℃時(shí)，硝化細(xì)菌的生命活動(dòng)幾乎停止［27］； 當(dāng)溫度為8 ～10℃時(shí)有較好的除磷效果［1］； 當(dāng)溫度為20 ～30 ℃和20 ～40 ℃更有利于硝化菌和反硝化菌的生長(zhǎng)。MBBR 懸浮填料可固定并富集優(yōu)勢(shì)細(xì)菌， 保證其較好地持留在填料上， 大大增加菌株濃度， 進(jìn)而強(qiáng)化去除效果， 且填料表面存在多層水流可以維持微觀溫度， 即使冬季低溫（8 ～10 ℃）時(shí)， 出水NH3-N、TN 和TP 也能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)［28］， 受溫度影響較小。 城鎮(zhèn)污水運(yùn)行溫度冬季為10 ～16 ℃， 夏季為24 ～30℃， AAOB 適宜的溫度為30 ～35 ℃， 西安市第四污水處理廠提標(biāo)工藝采用A2／O-MBBR， 在水溫為10 ～20 ℃的條件下成功實(shí)現(xiàn)了Anammox 啟動(dòng)且長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行， 有效填補(bǔ)了常溫生產(chǎn)性應(yīng)用的空白。

3.3 曝氣

為防止MBBR 中懸浮載體堆積， 利用曝氣產(chǎn)生的剪切力實(shí)現(xiàn)懸浮載體流化， 水流對(duì)生物膜也產(chǎn)生一定的剪切力， 促進(jìn)衰老、 死亡的生物膜脫落，使得生物膜保持一定的厚度， 以及好氧、 缺氧和厭氧反應(yīng)區(qū)域均衡。 曝氣強(qiáng)度過(guò)低無(wú)法使生物載體呈現(xiàn)出良好的流化狀態(tài)； 曝氣強(qiáng)度過(guò)大， 強(qiáng)烈的流化作用會(huì)使懸浮填料上附著的微生物易脫落導(dǎo)致生物數(shù)量減少， 進(jìn)而影響廢水處理效果。 DO 質(zhì)量濃度在5.0 mg／L 時(shí)， 紊流劇烈， 不利于MBBR 掛膜［29］，掛膜穩(wěn)定后可維持DO 的質(zhì)量濃度在5.0 mg／L。 活性污泥法中， 一般實(shí)現(xiàn)SND 需控制DO 的質(zhì)量濃度在1.5 mg／L 以下， 實(shí)現(xiàn)微氧條件， 但MBBR 懸浮填料屬于生物膜工藝， 表觀DO 與生物膜界面實(shí)際DO有較大差別， 一般生物膜上DO 穿透損失為1.5 ～2.5 mg／L［30］。 在實(shí)際生活污水體系中， 為維持高效的NH3-N 硝化效率和SND， 應(yīng)維持DO 的質(zhì)量濃度在3 ～4 mg／L 之間， 缺氧區(qū)控制DO 的質(zhì)量濃度為0.3 ～0.5 mg／L， 可防止磷的釋放并進(jìn)行反硝化除磷［31］。 采用基于MBBR 的CANON 工藝處理消化液，啟動(dòng)時(shí)DO 的質(zhì)量濃度需低于0.5 mg／L， 穩(wěn)定運(yùn)行階段可控制在1.5 ～3.5 mg／L［13］。 采用SNADMBBR 處理垃圾滲濾液厭氧出水時(shí)應(yīng)控制DO 的質(zhì)量濃度為0.03 ～0.1 mg／L［14］。

3.4 HRT

HRT 要與污染物的去除和功能微生物的世代周期相適應(yīng)， 過(guò)短會(huì)造成反應(yīng)器流態(tài)激烈， 水力負(fù)荷增大， 水力剪切力強(qiáng)度加大， 水中大量污染物質(zhì)未被完全降解， 無(wú)法使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)， 且生物膜形成初期不易掛膜； HRT 過(guò)長(zhǎng)反應(yīng)器的容積負(fù)荷降低， 無(wú)法滿(mǎn)足處理的現(xiàn)實(shí)需求， 生物膜很難獲得能源物質(zhì)而進(jìn)入內(nèi)源呼吸期， 生物膜得不到更新甚至發(fā)生老化脫落。 MBBR 掛膜初期應(yīng)該保持適宜的HRT， 生物膜穩(wěn)定后適當(dāng)縮短HRT 以提高系統(tǒng)的處理負(fù)荷。 張杏等［32］采用快速排泥法對(duì)小試規(guī)模的MBBR 進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行， 研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水HRT 不超過(guò)10 h 時(shí)， COD 去除率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)； 當(dāng)HRT 超過(guò)10 h 時(shí)， 隨著HRT 的增加， COD 去除率呈下降趨勢(shì)， 原因可能為生物膜內(nèi)源呼吸現(xiàn)象出現(xiàn)， 微生物群解體引起出水COD 濃度升高； 出水NH3-N 濃度受HRT 延長(zhǎng)先減小后趨于穩(wěn)定； 出水TP 濃度隨HRT 的延長(zhǎng)而先減小后增加， 呈現(xiàn)與COD 去除相類(lèi)似的規(guī)律。 MBBR 在氧化溝改造中，缺氧池HRT 從3.07 h 延長(zhǎng)到11.34 h， 反硝化時(shí)間延長(zhǎng)可以充分利用廢水中的碳源， 保證出水NH3-N 和TN 達(dá)標(biāo)［31］。 不利環(huán)境條件下可通過(guò)延長(zhǎng)HRT 提高廢水處理效率。

3.5 碳氮比

有機(jī)物和氮是維持微生物生長(zhǎng)和繁殖的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 適宜的碳氮比有助于維持生物膜的穩(wěn)定性。 碳氮比過(guò)高使異養(yǎng)硝化成為主要承擔(dān)者， 自養(yǎng)硝化細(xì)菌的活性受到抑制， 加之異養(yǎng)硝化效率過(guò)低導(dǎo)致系統(tǒng)硝化效果降低。 周家中等［33］分析MBBR泥膜復(fù)合系統(tǒng)泥膜競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響因素表明， 進(jìn)水碳氮比與MBBR 泥膜復(fù)合系統(tǒng)硝化負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)，且活性污泥在應(yīng)對(duì)進(jìn)水碳氮比過(guò)高時(shí)較MBBR 生物膜更具優(yōu)勢(shì)。 傳統(tǒng)硝化反硝化中， 一般要求進(jìn)水BOD5與TKN 的濃度比大于4， 才能保證碳源充足以利于脫氮， 而MBBR 載體上往往富集大量的自養(yǎng)菌，相對(duì)較低的碳氮比有利于自養(yǎng)脫氮。 研究表明， 以乙酸鈉為外加碳源時(shí)， 隨著碳氮比（0～5）的增加，SNAD 生物膜的Anammox 活性總體呈逐漸減小的趨勢(shì)， 反硝化活性逐漸增加［34］； 碳氮比在MBBR生物膜系統(tǒng)中對(duì)短程反硝化（PD）的影響與活性污泥系統(tǒng)類(lèi)似， 當(dāng)碳氮比為2.5～3.0 時(shí)， 能夠較好地實(shí)現(xiàn)PD［16］。 TP 的去除從理論上講， 厭氧段能否充分釋磷很大程度上影響了好氧段的吸磷， 厭氧段滿(mǎn)足BOD5與TP 濃度比大于17 時(shí)可釋磷； 若存在硝態(tài)氮， 反硝化菌會(huì)與DPB 形成對(duì)有機(jī)底物的競(jìng)爭(zhēng)，影響釋磷效果； 在缺氧段若存在有機(jī)物， 反硝化菌會(huì)與DPB 形成對(duì)硝態(tài)氮的競(jìng)爭(zhēng)， 影響吸磷效果。

此外， pH 值、 SRT、 回流比和水質(zhì)成分等均對(duì)MBBR 工藝造成不同程度的影響， 例如適宜的硝化和反硝化pH 值應(yīng)分別維持在7 ～ 8 和6 ～ 9，而MBBR 用于處理垃圾滲濾液、 污泥消化液等時(shí)pH 值需維持在7.5 以下， 當(dāng)pH 值為8 時(shí)將促進(jìn)碳酸鈣生成并附著于懸浮載體上造成結(jié)垢， 降低了處理效率［35］； SRT 從18～21 d 降至12～14 d， 縮短SRT 有利于提高活性污泥的活性［31］， 而MBBR生物膜SRT 長(zhǎng)達(dá)30 d 以上。

4 MBBR 工藝提標(biāo)改造路線(xiàn)

我國(guó)大多數(shù)污水處理廠沒(méi)有達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)， 瓶頸問(wèn)題是TN 沒(méi)有達(dá)標(biāo)。 對(duì)于污水處理廠的升級(jí)改造， 不論是一級(jí)A 還是準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)， 生化單元是污水處理廠的核心單元， 充分發(fā)揮生化脫氮除磷功能是最佳選擇。 國(guó)內(nèi)污水處理廠MBBR 升級(jí)改造， 主要形成了3 種改造路線(xiàn)， 如圖1 所示： 技術(shù)路線(xiàn)①切割部分好氧池容擴(kuò)大缺氧池用于反硝化， 好氧池容不足部分投加懸浮載體進(jìn)行彌補(bǔ)， 適用于大多數(shù)污水處理廠一級(jí)A、 準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水升級(jí)改造； 技術(shù)路線(xiàn)②適用于好氧池不便于改造或全池投加懸浮載體超過(guò)填充要求， 一般不作為首選； 技術(shù)路線(xiàn)③維持厭氧池和缺氧池不變， 將好氧池容劃分形成五段Bardenpho 結(jié)構(gòu)， 可滿(mǎn)足準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水對(duì)TN 嚴(yán)格的出水要求， TN 去除率達(dá)到90%以上。 總之， 應(yīng)依據(jù)TN去除要求， 選擇合適的MBBR 升級(jí)改造技術(shù)路線(xiàn)［2］。

圖1 MBBR 升級(jí)改造路線(xiàn)Fig. 1 MBBR upgrading and reconstruction route

5MBBR 工程案例

5.1 城鎮(zhèn)污水一級(jí)A 提標(biāo)改造

沈陽(yáng)市沈水灣污水處理廠原采用FLOOBED 工藝技術(shù)， 處理規(guī)模為20×104m3／d， 出水水質(zhì)執(zhí)行GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［36］。 考慮該污水處理廠接收垃圾滲濾液500 m3／d， 重新設(shè)計(jì)進(jìn)水COD、 BOD5、 SS、 NH3-N、 TN和TP 的質(zhì)量濃度分別為300、 105、 140、 28、 35和4 mg／L， 出水水質(zhì)要求執(zhí)行GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 盡管進(jìn)水易生物降解， 適宜生物除磷，但原工藝NH3-N 和TN 去除率低， 達(dá)不到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。 經(jīng)方案比選， 升級(jí)改造工藝選擇占地較省、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的A2／O-MBBR， 將現(xiàn)狀生化池改造為好氧MBBR 池， 在生化池內(nèi)投加填料， 選擇有效比表面積不小于620 m2／m3的填料來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)狀生化池的立體擴(kuò)容， 新建厭氧池、 缺氧池， 并改造了鼓風(fēng)機(jī)房及曝氣系統(tǒng)等。 改造后出水各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 運(yùn)營(yíng)成本僅0.373 元／m3。

臺(tái)州黃巖江口污水處理廠一期工程主體處理工藝為Carrousel 2000 型氧化溝， 規(guī)模為8 × 104m3／d， 出水水質(zhì)執(zhí)行GB 8978—1996 中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［37］，要求出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)， 難點(diǎn)為該污水處理廠進(jìn)水中含有以醫(yī)化、 食品加工、 印染、 塑料制品等為主的重污染工業(yè)廢水， 比例為20%～30%，部分醫(yī)化企業(yè)、 印染企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大， 原工藝脫氮能力不足， 工業(yè)廢水的沖擊負(fù)荷抑制了生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 綜合考慮設(shè)計(jì)進(jìn)水COD、 BOD5、 SS、NH3-N、 TN 和TP 的質(zhì)量濃度分別為600、 250、200、 40、 60 和5 mg／L， 改造工藝采用MBBR， 改造后出水水質(zhì)大幅提升， 穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行成本降低約0.06 元／m3， 年均節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用175 萬(wàn)元。

呼和浩特市某污水處理廠原采用CAST 工藝，規(guī)模為5×104m3／d， 出水水質(zhì)均劣于一級(jí)B 排放標(biāo)準(zhǔn)， 需提標(biāo)至一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)［17］。 現(xiàn)況CAST 出水NH3-N 不理想， 且設(shè)計(jì)未考慮TN。 選取95%涵蓋率的進(jìn)水水質(zhì)作為設(shè)計(jì)水質(zhì)， COD、 BOD5、 NH3-N、TN 和TP 的質(zhì)量濃度分別為1 136.06、 507.83、59.10、 98.64 和17.59 mg／L。 因該污水處理廠廠區(qū)用地緊張， 綜合考慮工程投資等因素， 在保證出水水質(zhì)的前提下， 利用現(xiàn)有設(shè)施， 減少新增工程量， 降低造價(jià)， 節(jié)約成本， 采用MBBR 在CAST 主反應(yīng)區(qū)好氧區(qū)和缺氧區(qū)均投加SPR-1 型懸浮載體填料， 以增強(qiáng)硝化及反硝化功能。 改造后在進(jìn)水水質(zhì)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值的情況下， 以及該市冬季平均水溫為8～12 ℃時(shí)， 處理后出水水質(zhì)依然能夠達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 城鎮(zhèn)污水地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)提標(biāo)改造

北方某污水處理廠原采用A2／O 工藝， 設(shè)計(jì)規(guī)模為9×104m3／d， 進(jìn)水為生活污水和工業(yè)廢水的混合廢水， 其中工業(yè)廢水占30%［38］。 2010 年采用SPR-Ⅰ型懸浮載體填料對(duì)A2／O 工藝進(jìn)行提標(biāo)改造， 出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)要求設(shè)計(jì)水量增至11×104m3／d， 設(shè)計(jì)進(jìn)水COD、 BOD5、 NH3-N、 TN 和TP 的質(zhì)量濃度分別為950、 500、 58、 80和10 mg／L， 出水水質(zhì)要求達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。 改造難點(diǎn)為提量、 提標(biāo)、 提質(zhì)、 提去除率和無(wú)多余用地等。 將A2／O-MBBR 工藝改造升級(jí)為Bardenpho-MBBR 泥膜復(fù)合工藝， 保持原厭氧、 缺氧區(qū)不變， 擴(kuò)大現(xiàn)有MBBR 區(qū)容積， 將原MBBR區(qū)后的好氧區(qū)分隔為后置缺氧區(qū)和后置好氧區(qū)。改造后出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)， 節(jié)能降耗作用顯著， 可節(jié)約10% 的電耗， SND 及內(nèi)源反硝化的存在使得藥劑費(fèi)用節(jié)約1 440 萬(wàn)元／a。

綜上所述， 當(dāng)前MBBR 多用于城鎮(zhèn)生活污水的升級(jí)改造， A2／O-MBBR、 氧化溝-MBBR 和SBR-MBBR 等主要適用于出水水質(zhì)一級(jí)A 達(dá)標(biāo)的污水處理廠， 而B(niǎo)ardenpho-MBBR 工藝適用于水質(zhì)達(dá)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)及以上標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠。 此外， MBBR 在石化廢水、 制革園區(qū)廢水、 醫(yī)藥廢水和味精廢水等的改造或處理中均得到工程化應(yīng)用。某味精企業(yè)廢水站原有生化系統(tǒng)HRT 短， 出水COD、 NH3-N 時(shí)有超標(biāo)， 在原廢水處理設(shè)施基礎(chǔ)上將好氧池改造成MBBR， 改造后出水COD、NH3-N 濃度能穩(wěn)定達(dá)到GB 8978—1996 的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)［39］。 浙江某工業(yè)廢水處理廠提標(biāo)提量升級(jí)改造項(xiàng)目采用MBBR 工藝， 通過(guò)在好氧池原池投加懸浮載體， 在處理水量由3×104m3／d 提高至4×104m3／d 的情況下， 出水NH3-N、 TN 平均濃度穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)［40］。

6 結(jié)論與展望

MBBR 泥膜復(fù)合可實(shí)現(xiàn)活性污泥短泥齡與懸浮填料生物膜長(zhǎng)泥齡分離， 形成好氧和缺氧功能分區(qū)， 提高生物多樣性， 以及生物菌群數(shù)量， 適用于基于活性污泥法的A2／O、 氧化溝和SBR 等傳統(tǒng)脫氮除磷工藝的提質(zhì)增效。 同時(shí)， 提質(zhì)增效應(yīng)明確目標(biāo)和改造路線(xiàn)， 結(jié)合原工藝特征， 借鑒成功工藝案例， 因地制宜， 在合理控制影響因素條件下進(jìn)行。

盡管MBBR 工藝具有顯著優(yōu)勢(shì)， 在廢水處理提質(zhì)增效中具有應(yīng)用前景， 但因廢水種類(lèi)繁多， 水質(zhì)成分復(fù)雜， 懸浮填料針對(duì)性不強(qiáng)， 污染物去除機(jī)理不明晰和模擬分析缺乏等， 當(dāng)前MBBR 大多用于城鎮(zhèn)污水處理的提質(zhì)， 增效不明顯， 精細(xì)化和智能化欠缺， 有成功將其應(yīng)用于其他廢水處理的案例但卻相對(duì)較少， 其工業(yè)化推廣應(yīng)用依然存在問(wèn)題和挑戰(zhàn)。 建議未來(lái)從以下方面重點(diǎn)開(kāi)展研究： ①針對(duì)性MBBR 懸浮載體的研發(fā)和應(yīng)用； ②提質(zhì)上的同步節(jié)能降耗； ③污染物去除機(jī)理分析； ④水處理數(shù)學(xué)模型在MBBR 中的應(yīng)用； ⑤基于MBBR 廢水處理工藝的精細(xì)化和智能化設(shè)計(jì)； ⑥不同廢水MBBR中試研究和工程應(yīng)用。