二级MBBR处理城市污水高品质水再生过程产生的反渗透浓水填料最佳填充率研究

程子芮，姜云超，王海燕，李培显，杭前宇，李莉，杨艳艳，钟震,5

1.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 3.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012 4.山东工业陶瓷研究设计院有限公司，山东 淄博 255031 5.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050



二级MBBR处理城市污水高品质水再生过程产生的反渗透浓水填料最佳填充率研究

程子芮1,2,3，姜云超1，王海燕2,3*，李培显4，杭前宇2,3，李莉2,3，杨艳艳1,2,3，钟震2,3,5

1.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 3.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012 4.山东工业陶瓷研究设计院有限公司，山东 淄博 255031 5.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050

城市污水高品质水再生；反渗透浓水；亚硝化MBBR；反硝化MBBR；填料最佳填充率

移动床生物膜反应器(moving bed biofilm reactor，MBBR)是20世纪90年代中期开发和应用的一种新型反应器[1-2]，其核心部分是向反应器中投加一定数量密度略小于水的悬浮填料作为微生物生长的载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升使填料处于流动状态，以增加生物膜与氧的接触，从而提高传氧效率，它是活性污泥法与生物膜法相结合的一种工艺[3-4]，具有耐冲击负荷能力强、无需反冲洗、水头损失小、运行简单等特点[5]，已被广泛应用于生活污水[6-7]、工业废水[8]等的处理中，并且已有反硝化MBBR深度脱氮的报道[5,7]，其具有较好的反硝化能力。

填料填充率(filling ratio，FR)是MBBR操作中的重要工艺参数之一，不仅影响反应器的处理能力和流态，而且对反应器中生物膜的形成、脱落及结构特征也有重要影响。对于MBBR来说，反应器处于完全混合状态，填充率减小时，单位容积内填料的数目降低，由碰撞引起的生物膜脱落减少，生物膜增厚。填料FR增大时，填料碰撞机会增大，导致单位质量填料上附着的生物膜减少，但系统内总生物膜量是增加的，每个填料上生物膜较薄，利于基质交换，使得单位量的生物膜有较高的活性。但是，高FR会增加运行成本，为了达到经济性和处理效果的平衡，工程上MBBR填料FR一般为30%～50%。采用MBBR处理制革废水中的氨氮[9]，当填料FR分别为13.3%、26.7%和40.0%时，FR为40.0%时氨氮去除率最高，达85%以上。采用A/O-MBBR处理制革废水时[10]，CODCr去除率随MBBR填料FR的增加呈上升趋势，当FR为55%时去除率达到92.4%，此后继续增加填料FR，CODCr去除率增长缓慢。采用反硝化MBBR进行城市污水厂尾水深度脱氮，比较填料FR为20%、30%、40%和50%时的脱氮效果，优选30%[11]。

1 材料及方法

1.1 试验装置

二级MBBR中试装置采用铸铁材料制成，由亚硝化MBBR与反硝化MBBR组成，二者均为长方体结构，体积比为2/3。亚硝化MBBR规格为1.5 m×1.15 m×1.0 m，有效体积为1.8 m3，底部设有曝气盘和支撑架，采用鼓风机(T10101，世晃机电工业有限公司)曝气，利用定时开关实现间歇曝气；反硝化MBBR规格为1.5 m×1.8 m×1.0 m，有效体积为2.7 m3，2个MBBR中部均设有搅拌机(2BJ-350，南京澳特蓝环保设备有限公司)。2个MBBR串联运行，其工艺流程如图1所示。二级MBBR中填充聚乙烯(PE)填料，填料性能参数如表1所示。

图1 二级MBBR工艺流程Fig.1 Two-stage MBBR process flow chart

表1 填料的性能参数

1.2 试验设计和污泥接种

亚硝化MBBR的HRT为8 h，稳定运行阶段，MLSS为3 500 mgL左右，pH为7.37～8.12；反硝化MBBR的HRT为12 h，稳定运行阶段，MLSS为3 500 mgL左右，pH为7.16～7.79。亚硝化MBBR溶解氧(DO)浓度控制在1.0 mgL以下，试验按照PE填料FR分别为51%、42%和32%分3个阶段进行。

亚硝化MBBR接种来自北京某污水处理厂A2O工艺好氧池中的污泥，接种污泥MLSS为7 351 mgL，MLVSS为3 561 mgL，MLVSSMLSS为0.48，SVI为89 mLg；反硝化MBBR接种来自北京某污水处理厂A2O工艺缺氧池中的污泥，接种污泥MLSS为6 707 mgL，MLVSS为3 534 mgL，MLVSSMLSS为0.53，SVI为92 mLg。

1.3 进水水质

表2 进水水质

1.4 分析方法

2 结果与讨论

图2 亚硝化MBBR不同FR下的去除效果Fig.-N removal rate of nitrosation MBBR at different FR

图3 反硝化MBBR不同FR下的去除效果Fig.-N removal rate of denitrification MBBR at different FR

图4 亚硝化MBBR中的积累Fig.-N accumulation of nitrosation MBBR

图5 反硝化MBBR不同FR条件下-N的去除效果Fig.-N removal rate of denitrification MBBR at different FR

图6 亚硝化MBBR不同FR下的去除效果Fig.-N removal rate of nitrosation MBBR at different FR

图7 反硝化MBBR不同FR下的去除效果Fig.-N removal rate of denitrification MBBR at different FR

2.4 TN的去除

亚硝化MBBR中填料FR分别为51%、42%和32%时，TN的去除率分别为56.1%±4.8%、56.8%±6.2%和60.1%±5.3%(图8)。曾有研究采用缺氧好氧MBBR进行模拟农村生活污水脱氮[21]，当进水TN平均浓度为35.41 mgL，DO浓度为2、3、4和5 mgL时，TN平均去除率为44.7%、60.49%、73.43%和56.05%，而本研究的DO浓度为1.0 mgL，能达到与报道接近的TN去除效果，相比更加节省电能。3种FR条件下，TN去除率差别不大，FR为32%稍优于42%和51%。

图8 亚硝化MBBR不同FR下的TN去除效果Fig.8 TN removal rate of nitrosation MBBR at different FR

图9 反硝化MBBR不同FR下的TN去除效果Fig.9 TN removal rate of denitrification MBBR at different FR

反硝化MBBR中填料FR分别为51%、42%和32%时，反硝化MBBR的TN去除率分别为48.8%±7.2%、47.2%±6.4%和44.2%±8.4%(图9)。曾有报道用反硝化MBBR进行脱氮，TN平均去除率为46.9%[20]，与本研究的TN去除率相近。3种FR条件下，TN去除率差别不大，FR为51%稍优于FR为42%和32%。

二级MBBR在填料FR分别为51%、42%和32%条件下，TN总去除率分别为77.7%±3.3%、77.2%±5.6%和78.6%±4.5%。可见FR对整个二级MBBR的TN去除率影响不大。

2.5 CODCr的去除

由于DFRO膜回收率的不同导致反渗透浓水的CODCr波动较大(35.6～70.9 mgL)。当填料FR为51%、42%和32%时，亚硝化MBBR的CODCr去除率分别为5.8%±2.8%、5.4%±1.8%和5.1%±1.4%(图10)。CODCr的去除率随着填料FR的降低而下降，这可能是因为随着填料FR的降低，反应器内的总生物量降低，消耗的有机物相应降低。总体上CODCr的去除率较低，一方面因为亚硝化反应器主要进行的是亚硝化反应，亚硝化过程属于自养过程，不消耗有机物[22]；另一方面可能是因为反渗透浓水中的CODCr主要是生活污水中的难降解有机物[23]，很难被微生物降解利用。

图10 亚硝化MBBR不同FR下的CODCr去除效果Fig.10 CODCr removal rate of nitrosation MBBR at different FR

反硝化MBBR中填料FR分别为51%、42%和32%时，反硝化MBBR的CODCr去除率分别为27.3%±13.7%、36.2%±11.1%和52.2%±31.4%(图11)。采用MBBR处理生活污水，在厌氧缺氧条件下，CODCr去除率保持在60%以上[24]，而本研究相对较低，这是因为反渗透浓水中的CODCr主要是生活污水中的难降解有机物，很难被微生物降解利用[23]。

图11 反硝化MBBR不同FR条件下的CODCr去除效果Fig.11 CODCr removal rate of denitrification MBBR at different FR

2.6 生物量

从表3可以看出，二级MBBR中填料FR为32%时，填料上的生物量较多，亚硝化和反硝化MBBR生物量分别为4.54和2.63 mgg，表明随着FR的减少，填料上的生物量增加。这是因为FR减小引起载体之间碰撞频率减小，导致生物膜脱附量减少，因此生物量增加。郭天赐等[25]发现，随着填料FR的降低，MBBR填料上的生物膜厚度逐渐增加，与本研究结果一致。Kwok等[26]在气提式反应器中研究发现，载体浓度增大则生物膜脱附增大。从表3还看出，反硝化MBBR中的生物量比亚硝化MBBR中的生物量少，这可能因为一定量的DO有利于亚硝化MBBR反应器生物量的增加[27]。

表3 不同填料FR条件下MBBR生物量

3 结论

(1)采用亚硝化-反硝化二级MBBR处理城市污水处理厂尾水生产高品质再生水过程中产生的反渗透浓水时，在亚硝化MBBR的HRT为8 h、MLSS为3 500 mgL左右，反硝化MBBR的HRT为12 h、MLSS为3 500 mgL左右，亚硝化MBBR的DO浓度控制在1.0 mgL以下，反硝化MBBR外加甲醇投加量为50 mgL(碳氮比是3.5～5)条件下，当填料FR分别为32%、42%和51%时，和TN的去除率均为FR 32%时最佳(分别为73.2%±6.1%、71.1%±7.5%和60.1%±5.3%)。反硝化MBBR中考虑到经济性，优选填料FR为32%，此时和TN的去除率分别为64.9%±10.4%、58.2%±9.1%和44.2%±8.4%。

(2)当填料FR分别为32%、42%和51%时，二级MBBR中FR为32%时填料上的生物量比较多，而且反硝化MBBR中相对应的生物量比亚硝化MBBR中的少，这可能因为一定量的DO有利于生物量的增加。

[1] 郑育毅,廖满琼,林金画.生物膜-活性污泥联合工艺在高浓度工业废水处理中的应用[J].给水排水,2001,27(10):61-62.

[2] 夏四清,高廷耀,周增炎.多级悬浮填料生物反应器处理石化废水[J].中国给水排水,2002,18(1):9-12.

[3] McQUARRIE J P,BOLTZ J P.Moving bed biofilm reactor technology:process applications,design,and performance[J].Water Environment Research,2011,83:56-75.

[4] RUSTEN B,EIKEBROKK B,ULGENES Y,et al.Design and operations of the Kaldnes moving bed biofilm reactors[J].Aquacultural Engineering,2006,34(3):322-331.

[5] 苑泉,王海燕,刘凯,等.HRT对城市污水厂尾水MBBR反硝化深度脱氮影响[J].环境科学研究,2015,28(6):987-993. YUAN Q,WANG H Y,LIU K,et al.Effects of HRT on denitrification for advanced nitrogen removal of wastewater treatment plant effluent[J].Research of Environmental Sciences,2015,28(6):987-993.

[6] MASES M,DIMTTROVA I,NYBERG U,et al.Design and operating considerations for a post denitrification MBBR[J].Nutrient Removal,2009,30:1225-1254.

[7] YUAN Q,WANG H Y,HANG Q Y,et al.Comparison of the MBBRs denitrification carriers for advanced nitrogen removal of wastewater treatment plant effluent[J].Environmental Science and Pollution Research,2015,22(18):13970-13979.

[8] 王光,丁原红,任洪强.应用MBBR进行PU合成革废水的脱氮研究[J].工业用水与废水,2016,47(1):17-20.

[9] 李光,吉宏.MBBR反应器处理制革废水的氨氮去除机理[J].科技信息,2010(3):729-731.

[10] 吴巍,张洪林.A/O-MBBR工艺处理制革废水的研究[J].河北科技大学学报,2010,31(3):274-277.

[11] 苑泉.城市污水厂尾水MBBR深度脱氮技术及微生物群落特征[D].北京:中国环境科学研究院,2015.

[12] ASANO T.Water from (waste) water- the dependable water resource[J].Water Science & Technology,2002,43(1):24-33.

[13] BIXIOA D,THOEYEA C,de KONING J,et al.Wastewater reuse in Europe[J].Desalination,2006,187(1/2/3):89-101.

[14] JOSS A,BAENNINGER C,FOA P,et al.Water reuse:>90% water yield in MBR/RO through concentrate recycling and CO2addition as scaling control[J].Water Research,2011,45(18):6141-6151.

[15] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[16] 王海燕,刘海涛,田华菡,等.全自养生物脱氮新工艺研究发展[J].环境污染治理技术与设备,2006,7(4):1-6. WANG H Y,LIU H T,TIAN H H,et al.Development of complete autotrophic ammonium removal processes[J].Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control,2006,7(4):1-6.

[17] 王学江,夏四清,张全兴,等.悬浮填料生物膜A/O法处理石化废水试验研究[J].工业水处理,2001,21(6):26-31. WANG X J,XIA S Q,ZHANG Q X,et al.Study on the treatment of petrochemical wastewater by using suspended filler biofilm A/O process[J].Industrial Water Treatment,2001,21(6):26-31.

[18] 黄孝肖,陈重军,张蕊,等.厌氧氨氧化与反硝化耦合反应研究进展[J].应用生态学报,2012,23(3):849-856. HUANG X X,CHEN C J,ZHANG R,et al.Research progress in anammox-denitrification coupling process[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23(3):849-856.

[19] YANG S,YANG F L.Nitrogen removal via short-cut simultaneous nitrification and denitrification in an intermittently aerated moving bed membrane bioreactor[J].Journal of Hazardous Materials,2011,195:318-323.

[20] 苑泉,王海燕,刘凯,等.污水厂尾水MBBR反硝化深度脱氮填料比较[J].环境科学学报,2015,35(3):713-721. YUAN Q,WANG H Y,LIU K,et al.Comparison of the MBBR denitrification carriers for advanced nitrogen removal of wastewater treatment plant effluent[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2015,35(3):713-721.

[21] 陈月芳,王岩,安丹凤,等.组合移动床生物膜(MBBR)中溶解氧浓度和进水流量变化对除碳脱氮的影响[J].科学技术与工程,2016,16(4):130-134. CHEN Y F,WANG Y,AN D F,et al.Effect of dissolved oxygen mass concentration and influent flow rate on removal of carbon and nitrogen incombined moving bed biofilm reactor[J].Science Technology and Engineering,2016,16(4):130-134.

[22] 赵旭涛,顾国维.硝化作用特性分析及讨论[J].环境科学研究,1995,8(1):45-47. ZHAO X T,GU G W.Analysis and discussion on the characteristics of nitrification[J].Research of Environmental Sciences,1995,8(1):45-47.

[23] 郭瑞丽,石玉,王增长.反渗透浓水中有机物去除的研究进展[J].水处理技术,2013,39(4):1-4. GUO R L,SHI Y,WANG Z Z.Research development on organics removal in reverse osmosis concentrates[J].Technology of Water Treatment,2013,39(4):1-4.

[24] 张永祥,姚伟涛,肖社明,等.序批式MBBR中反硝化聚磷菌的选择与富集[J].北京工业大学学报,2013,39(1):92-97. ZHANG Y X,YAO W T,XIAO S M,et al.Selection and enrichment of denitrifying phosphate removing bacteria in moving-bed biofilm reactor[J].Journal of Beijing University of Technology,2013,39(1):92-97.

[25] 郭天赐,王怡,张引中,等.不同填充率对移动床生物膜反应器的产泥性能影响研究[J].环境工程学报,2009,3(2):249-252. GUO T C,WANG Y,ZHANG Y Z,et al.Study of producting sludge characterizations of moving bed biofilm reactor with different filling proportions[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2009,3(2):249-252.

[26] KWOK W K,PICIOREANU C,ONG S L,et al.Influence of biomass production and detachment force on biofilm structures in a biofilm airlift suspension reactor[J].Biotechnology & Bioengineering,1998,58:400-407.

[27] 张忠华,汤兵,赵一宁,等.移动床生物膜反应器的启动及影响因素的研究[J].水处理技术,2012,38(11):84-89. ZHANG Z H,TANG B,ZHAO Y N,et al. Start-up and its influence factors in moving bed biofilm reactor[J].Technology of Water Treatment,2012,38(11):84-89. ▷

Study on carrier optimum filling ratio of two-stage MBBR for treatment of reverse osmosis concentrate from high-quality water reclamation of WWTP effluent

CHENG Zirui1,2,3, JIANG Yunchao1, WANG Haiyan2,3, LI Peixian4, HANG Qianyu2,3,LI Li2,3, YANG Yanyan1,2,3, ZHONG Zhen2,3,5

1.College of Earth Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 3.Research Center for Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 4.Shandong Industrial Ceramics Research & Design institute Co., Ltd, Zibo 255031, China 5.Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

high-quality water reclamation of WWTP effluent; reverse osmosis concentrate; nitrosation MBBR; denitrification MBBR; carrier optimum filing ratio

2017-01-15

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07216-001)

程子芮(1990—)，女，硕士研究生，主要从事水污染控制技术研究，ch_zirui@163.com

*责任作者：王海燕(1976—)，女，研究员，博士，主要从事水污染控制原理与技术研究，wanghy@craes.org.cn

X703

1674-991X(2017)03-0285-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.041

程子芮，姜云超，王海燕，等.二级MBBR处理城市污水高品质水再生过程产生的反渗透浓水填料最佳填充率研究[J].环境工程技术学报,2017,7(3):285-292.

CHENG Z R, JIANG Y C, WANG H Y, et al.Study on carrier optimum filling ratio of two-stage MBBR for treatment of reverse osmosis concentrate from high-quality water reclamation of WWTP effluent[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):285-292.