A/MBBR污水处理工艺中PPC悬浮填料的性能研究

李红艳，刘浩杰，薛文洁

(1 西安工程大学环境与化学工程学院，陕西 西安 710048；2 陕西省渭河生态区保护中心，陕西 西安 710004)

采取A/O+MBBR组合工艺处理陕西某景区的生活污水，为兼顾工程投资、管理和两者优点，将A/O工艺中好氧池替换为MBBR池，其原理是向反应器内加入一定量密度与水接近的悬浮颗粒作为载体，在内部厌氧外部好氧的特殊微生物环境，使固相生物膜和液相的活性污泥充分结合，发挥各自生物降解优势[1-2]，深度进行硝化与反硝化反应。该工艺的核心组成即为悬浮填料，填料作为微生物赖以栖息和繁殖的重要场所，选择一个合适的悬浮载体至关重要，其填充率、形状、比表面积、材料构造等性能对工艺运行性能、微生物被吸附和附着的数量以及系统的挂膜速度会产生直接影响。因此悬浮填料应具备的最主要优点是适合生物膜生长、挂膜周期短、亲水性好且有适当的水气通道利于挂膜脱膜。挂膜后比重适当流化效果好、氧利用效率高、使用寿命长、一次性投加流程简单方便、运行费用较低、后期维护运行方便等[3-5]。但目前MBBR工艺中悬浮载体种类繁多，普遍存在吸水性能不佳，抗磨损能力弱的问题[6]，通过对比后，本工艺选用了吸水性能极佳的聚氨酯及其他高分子材料复合而成的新型凝胶型多孔体PPC好氧悬浮填料，对其运行后的微生物种类、孔结构、元素等性能进行检测，以便更深入地掌握PPC填料对A/MBBR水处理工艺的作用和影响。

1 实 验

1.1 水处理工艺流程

根据陕西某景区的生活污水排放量和水质特点，项目采用的工艺流程为：格栅+调节池+缺氧池+MBBR池+二沉池+消毒池，工艺处理参数为：pH为7，温度为20 ℃，容积负荷为0.5 kg/(m3·d)，溶解氧浓度为2.0～2.5 mg/L，回流比为130%，经过15天的调试后一体化水处理设备启动成功，进入稳定运行阶段，通过不同功能池处理后的COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS出水水质达到了要求的城镇污水处理一级B标准。

1.2 A/MBBR工艺悬浮填料的选择

对市场出售和工程使用较多的悬浮填料的形状和性能对比如表1和图1所示。

表1 不同悬浮填料性能对比

图1 悬浮填料

由表1和图1可以看出，PPC好氧载体性能较其他载体更为优质，其与一般的聚氨酯海绵载体的最大不同在于聚氨酯海绵活性生物填料是肋状结构，而PPC活性生物填料则是墙体结构。这种“墙体结构具有吸水作用以及凝胶状体所具有的极高的亲水性”是PPC多孔活性生物载体的一大特征和优势[7-8]。

根据对比，本次工艺最终选用的悬浮载体是由邦皓环保所提供的为好氧微生物提供生长空间的聚氨酯生物载体，由聚氨酯及其他高分子材料复合而成，简称为PPC好氧填料，全称为Polyurethane Polymer Composite，该填料具有极佳吸水性能并且是凝胶状的多孔体，填充率为25%。

1.3 PPC填料理化特性表征方法

采用Quanta-450-FEG场发射扫描电子显微镜，对切割成0.5 cm的样品小块进行真空喷金涂层后，在不同放大倍数下观察不同部位样品的表面显微结构；利用显微镜放大原理对样品进行生物相镜检；采用Quanta-450-FEG扫描电镜配套能谱仪的X射线对样品所含元素种类进行测定。

2 结果与讨论

2.1 运行前后PPC填料的外观变化

对A/MBBR水处理工艺运行前后的PPC填料进行观察，结果如图2所示。

由图2可见，未经过反应的原始PPC填料为白色块状结构，孔隙较大，体积较小，而经过运行的PPC填料体积吸水变大，约为原始样的1.7倍，颜色变为深棕色，整个填料形状未有明显改变，说明抗磨损能力强。体积变化的原因一是PPC填料内本身所含有的亲水凝胶成分，使得PPC生物载体遇到水后凝胶吸水膨胀载体体积变大；二是PPC填料在运行过程中污水中的微生物以及池内有机污染物附着在填料表面及内部，使其体积变大。颜色由浅变深的原因可能是污水以及活性污泥的微生物附着在其填料表面，填料进一步吸附污染物进入其内部，导致填料颜色加深。

图2 运行前后PPC填料的外观变化

2.2 运行后PPC填料内部生物相镜检

对A/MBBR水处理工艺运行后PPC的生物相进行显微镜检，结果如图3所示。

图3 运行后的PPC填料内部显微镜检

由图3可见，在显微镜下运行后的PPC填料内部具有菌胶团以及多种微生物，其中较为明显的微生物有：钟虫、轮虫、板壳虫、累枝虫、楯纤虫等。钟虫以细菌和有机颗粒为食，可作为废水处理效果较好的指示生物之一；轮虫以细菌、霉菌及污泥碎屑为食，适量轮虫的出现表明水质澄清，污水处理效果较好；板壳虫能捕食藻类、小型鞭毛虫以及小的纤毛虫，吸食已经死亡的轮虫，有利于污泥减量，经常出现在处理水质BOD5低的时候；累枝虫以细菌表明食物来源，当累枝虫出现在生物处理系统中，表明处理后水质良好，水质BOD5低，常在处理水质良好下出现；楯纤虫以细菌为食物，生态范围较广，可作为水质处理良好的指示生物[9]。故可判断PPC填料有助于活性污泥维持良好的性能，从而得到良好的出水水质。

2.3 运行前后PPC填料表面形貌分析

对未经过运行的PPC填料原样以及经过运行的PPC填料实验样进行表面形貌观察，结果如图4、图5、图6所示。

图4 PPC填料运行前样品SEM

从图4可知，未经运行的PPC填料整体为有空隙的织网状结构，整个结构平整光滑，每根条状结构内部均具有无数个微小孔洞，孔洞大小基本均匀，位置交错纵横遍布整个结构，孔洞内部深而干净，未见有细菌微生物附着。

图5 PPC填料运行后样品表面SEM

从图5可知，在MBBR池中经过运行的PPC填料样品表面附着了微生物和有机物质，在2000倍电镜观察下，可见样品表面出现裂缝，裂缝中附着有游离态物质，较大倍数观察下，整个样品墙体结构中的孔结构变得模糊，出现类似球菌、丝状菌等微生物附着的情况，孔洞深浅不一。

图6 PPC填料运行后样品剖面SEM

从图6可知，经过运行后PPC填料剖面情况较为直观，可见其内部反应十分丰富，2000倍下填料的孔结构已经几乎被覆盖堵塞，无明显孔状特性，5000倍及10000倍情况下可以看出结构表面凹凸不平，丝状菌球菌均有出现，孔洞被侵蚀已相当严重，几乎被微生物完全覆盖，仅存孔洞小且较浅。

经过PPC原样与实验样的对比，可以清楚直观的看到孔结构的变化过程，由开始的密集均匀分布的孔洞，变为结构模糊孔洞几乎被完全覆盖的结构，可见在整个工艺运行中，在MBBR池中的PPC填料与活性污泥共同对景区生活污水进行生化处理，有效的吸附了微生物及有机污染物，使大量物质附着在填料内外部，内部厌氧环境使得厌氧微生物聚集，外部好氧环境使得好氧微生物聚集，好氧微生物和厌氧微生物共同附着在载体上，使得每个PPC填料都可以形成一个独立的反应系统，有效处理了生活污水。

2.4 运行前后PPC填料EDS分析

对A/MBBR水处理工艺运行前后的PPC填料的元素进行分析，结果如图7所示。

图7 PPC填料运行前后EDS谱图

由图7可知，运行后填料出现了Na、Si两种新元素，这是因为污水经过次氯酸钠消毒池导致出现Na的信号，SEM-EDS扫描时使用玻璃基底，在样品薄的区域扫谱会表现基底Si信号。运行前和运行后C元素、O元素以及N元素数量减少，比重有所变化，C元素由原来的65.31%变为52.88%，O元素由26.01%变为24.33%，N元素由8.63%变为7.88%，均有所降低，原因可能是PPC填料外部好氧促进氧化作用、同化作用，通过消耗碳源和氧发生硝化反应，将氨氮转化为亚硝酸盐进而转化为硝酸盐，内部厌氧状态会促进反硝化作用，通过消耗部分碳源和氧，促使硝态氮和亚硝态氮发生反应生成氮气从水中逸走。因此可见，PPC填料能有效促进A/MBBR的生物反应，该填料是处理工艺具有良好运行效果的关键所在。

3 结 论

采取A/O+MBBR组合工艺处理陕西某景区的生活污水，该工艺的核心组成是悬浮填料，工艺经过比对后选用了吸水性能极佳的聚氨酯及其他高分子材料复合而成的新型凝胶型多孔体PPC好氧悬浮填料，实验对PPC填料运行后的微生物种类、表面形貌、元素等理化性能进行了分析，得到如下结论：

(1)PPC填料运行前为白色块状结构，孔隙较大，体积较小；而经过运行的PPC填料体积吸水变大，为原来的1.7倍，颜色变为深棕色。

(2)PPC填料在运行前孔洞明显，且大小基本均匀；运行后，孔洞小且较浅，可见PPC填料有效的吸附了微生物及有机污染物，使大量物质附着在填料内外部，使得填料的孔结构几乎被覆盖堵塞，无明显孔状特性，结构表面凹凸不平。

(3)在生物相镜检下，PPC填料内部具有多种微生物：钟虫、轮虫、板壳虫、累枝虫、楯纤虫等。因此可判断PPC填料有助于活性污泥维持良好的性能，从而得到良好的出水水质。

(4)经过EDS分析，在经过运行后，C、O、N元素运行后数量减少、比重下降，说明PPC有效促进了A/MBBR工艺内部的厌氧和外部好氧反应，该PPC填料在A/MBBR工艺中表现出优良的性能。