MBBR工艺的应用研究及发展前景

龚文静，潘伟亮，2 ，曹云鹏，吴齐叶

(1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

移动床生物膜反应器(MBBR)至今已有30多年发展史。是在固定床反应器、流化床反应器和生物滤池的基础上发展起来的新型高效的复合污水处理工艺[1]，国内从2015年以前就开始将其与活性污泥法和生物膜法等处理方法结合，用于污水厂提标改造中。

根据近年学者们对MBBR组合工艺相关研究增长趋势图(图1)可知：①自2005年起MBBR组合工艺进入稳定发展，于2015年MBBR组合工艺的研究最为密集；②2005～2015年这十年间MBBR组合工艺得到了快速的发展；③十五年数据显示MBBR组合工艺年份与研究量呈正相关比例增长；④未来组合工艺的发展仍会是MBBR工艺发展的一大热点。

图1 近年MBBR组合工艺相关研究增长趋势Fig.1 The increasing trend of MBBR technology in recent years

1 MBBR工艺特点

MBBR工艺中以填料为载体，可以为细菌提供附着点，从而使菌群更丰富多样，生物量增加[2]。在好氧反应阶段，由于空气的进入使悬浮填料在曝气的过程均匀分布在系统中，整个系统就会产生由空气、填料和水组成的一个三项环境。悬浮填料在曝气过程会受气体推动从而进行不规则运动，整个三项环境固液气相互混合，外界进入的气体可更好地均匀分布于系统中，整个过程都给好氧反应提供了最好的条件[3]。一个MBBR一体化设备由多个系统共同组成如悬浮载体、进出水等。从设计上出发悬浮载体即填料的选择，以及投加量的确定，将影响填料上的生物膜有效面积，另外关于搅拌器选型、曝气量风机选型、滤池方案的设计等都需要酌情考虑。现实相关工程更需要对各项环境要素进行考虑，对生物膜附着生物稳定生长和稳定运行都有相关影响，曝气量的控制、pH的调节，以及溶解氧的浓度都和微生物长成有着极大影响，进而直接影响填料的挂膜和填料是否均匀分布于空间使好氧反应过程得到保证[4]。不断对 MBBR 系统进行优化以及对MBBR相关组合工艺进行探索创新将是一个极具价值的方向。

2 MBBR工艺影响因素

2.1 填料

在MBBR工艺中填料的填充率决定系统微生物量的数量，控制了生物膜系统的运行。在MBBR系统中前期填料挂膜时，填充率将直接影响挂膜是否成功[5]。填料少填充率低，好氧反应器中填料的流化态便于形成，但却会导致填料的无序运动，运动状态紊乱，填料会累积在部分区域[6]，不利于微生物的附着生长下部活性污泥中营养富集，滋生大量异氧菌，掠夺填料上自养硝化细菌的生存空间和生存资源，导致菌种需求不达标。同时过高的填充率会造成反应器中物质的拥挤，填料的运动缓慢，不能使气体分布均匀，造成反应器中溶解氧分布差异，填料上的微生物菌群没有营养物质，活性不够，处理污水效果差[7]。

表1为MBBR工艺中常用填料类型，在实际研究和实际工程中挂膜阶段应时刻观察，选取合适的填充率，广大研究学者的结论中都曾得出30%为填料投加比的最佳选择。

表1 常见填料种类Table 1 Types of common fillers

2.2 温度

温度对MBBR的影响是通过细菌活性的生长环境受温度影响，造成对硝化菌和反硝化菌的干扰从而对硝化和反硝化过程造成影响。温度为20～30 ℃和20～40 ℃对硝化菌和反硝化菌的生长更为有利[8]，相关实验研究可得出结论MBBR系统的脱氮效率为98.4%时的温度为24 ℃，比14 ℃时高10%左右[9]。在冬日低温情况下，为了保证活性污泥-生物膜共生复合式生物反应器的正常启动加入抗冷菌群的活性污泥是可行的[10]。但现今实际工程中有条件的适当的升温将更有利于硝化作用的进行。

2.3 曝气强度

曝气强度将控制反应器中的水力剪切力，过低无法使填料在反应器中达到最好的运动状态，过高运动状态混乱，填料堆积，挂膜过程都无法正常进行[11]。生物膜在受到外力冲刷时，由于胞外聚合物产生的粘结力小于剪切力[12]，微生物的脱落速度比生长速度更快，直接导致生物量的减少生物膜变薄甚至将不存在，而在污泥中将会含有絮体影响出水水质[13]。

2.4 溶解氧

水中的溶解氧同样被曝气强度影响，曝气强度太大，溶解氧会进入存在于生物膜内，这个过程将损耗能源，使反硝化作用无法实现。但溶解氧低会出现丝状菌大量滋生，影响出水水质的同时抑制硝化过程。

溶解氧的含量影响好氧反应器中微生物菌群的生长，对硝化和反硝化产生一定影响。相关研究表明，溶解氧浓度为(4.5±0.25)mg/L时，氨氮和有机物的去除率分别为95.8%，96.7%；氨氮和有机物的去除率分别为57.9%和80.1%时浓度为(2.0±0.25)mg/L[14]。

2.5 碳源

碳源利于MBBR中微生物生长代谢，针对悬浮微生物有研究显示，硝化菌的积累程度会随着C/N的增加逐渐减缓，COD/ρ(TN)在一定条件下将导致产生饱和状态下的异养菌[15]。低C/N情况下碳源受直接影响，催化氨转换成其他物质影响氨氮的去除[16]。低C/N也极易引发丝状菌膨胀，它的持续生长影响絮凝过程，从而导致污泥膨胀让填料挂膜受阻[17]。能否成功挂膜 C/N的调控尤为重要，必要时需投入葡萄糖、淀粉或PAC等营养物质。

2.6 HRT

HRT影响系统中微生物菌群的含量[18]。HRT过短，会造成反应过程剧烈，在含有很大部分有机物质水没有被全部吸收就排除，效率低耗能大水质不能满足标准。但HRT不是越长越好，较长的HRT不能满足实际情况，在反应器的反应中后期营养物质已所剩无几，没有营养物质的吸收摄入微生物将会降低自身活性来保证生命活动，对污水去除作用不明显还会使污泥出现其它情况[19]。

2.7 pH

MBBR工艺中pH值的变化情况将影响氨氮的去除效果[20]。张鹏等的研究表明，在pH=8的情况下NH3-N和TN除去情况与pH=6和7相比，除去效果能达到最好；pH<5和pH>9时，NH3-N 和TN 的去除率呈下降趋势，在pH<5的情况下NH3-N和TN的去除率明显下降[21]。

关于其他影响因素，填料刚投入时，前期反应器中悬浮污泥的含量对菌种和填料的融合速度有一定影响。另外容积、接种污泥等都影响填料微生物的生长。

3 MBBR与组合工艺

组合工艺的提出让MBBR工艺的经济效益和运用价值得到了更进一步的提升，近年MBBR与组合工艺广泛应用于处理城镇生活污水、工业污水、高负荷有机废水以及垃圾渗滤液。例如厌氧生物滤池-好氧移动床工艺对垃圾填埋场渗滤液进行处理，取得较优的氨氮去除效果[22]；通过对化学法与移动床生物反应器组合工艺的脱氮除磷效果优化分析，以及活性污泥组合工艺在废水处理中有着占地省 、运作稳 、同时处理效率高可取之处。

针对较典型的三种组合工艺，其特点比较见表2。

表2 MBBR与其组合工艺比较Table 2 Comparison between MBBR and its combination process

对组合工艺相关部分进行对比可知：

组合工艺在日处理能力上及进水量变化差异较大的实际工程处理中都在MBBR基础上明显提高，耐低温性和抗冲击能力也更强。

投资费用在实际工程运用中虽高于MBBR，但其出水效果在提标改造的过程中都有很强的可操作性和适用性，运转方式简单，运作费用及保障与MBBR相比也有相应差别。

组合工艺适用性更强，可控性高，对污水处理效果在MBBR基础上会有更大的价值体现，运行前景广阔。

3.1 A/O+MBBR组合工艺

A/O+MBBR组合工艺不仅存在抗冲击负荷的能力，也能同时提高污水日处理量[26]。

组合工艺中MBBR工艺能确保整体生物量的增长，加强整体耐低温性能。和A/O工艺进行对比，相同工况前提下组合工艺可以增加每天的处理量，抗冲击负荷能力强。在节能减排的前提下保证出水水质。相同工况运行下COD、NH3-N和TN的平均除去效果比A/O工艺好。

国内现将其运用于城镇污水处理、黑臭水处理、工业污水处理以及特水废水处理等，提标改造也让各学者积极展开研究运用中。宁波某污水厂的提标改造工程中，把原有的MBBR工艺改建成复合式 A/O+MBBR 组合工艺，可满足不扩建也可以使好氧区进行同硝化和反硝化反应。

3.2 在A2/O+MBBR组合工艺

MBBR+A2/O 组合工艺，可提高生化单元微生物总量，对 COD、氨氮、TN、TP 等污染指标的去除效果显著。值得一提的是相关研究表明在整个组合工艺中厌氧区生物量最大，其次是缺氧区，最后是好氧区[27]，实际设计中，相关容积比也应进行考虑。

2019年四川某新建污水处理厂(近期 6×104m3/d) 因用地限制，在原有工艺上加入MBBR工艺，改建时间短，运行效果佳。在设计中采用了基于A2/O的MBBR工艺，按25%的填充率在好氧区投加悬浮载体，深度处理运用D型滤池和紫外线杀菌消毒[28]，吨水占地仅为0.31 m2/(m3·d) 。建成至今运作效果稳定，出水相关指标均按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 中的一级A排出[29]。

3.3 MBR+MBBR组合工艺

国内外关于MBBR+MBR组合工艺的研究从填料填充率、MBBR与MBR的容积比等方面进行研究。

王维斌等对某垃圾填埋场渗滤液处理工程进行改造升级通过用“水解-厌氧MBBR-好氧MBBR-MBR”为主体的工艺。从新工程正常运行相关数据发现，当垃圾渗滤液中的COD、NH3-N、全盐量处在2 000～15 000 mg/L、50～1 000 mg/L、2 000～20 000 mg/L 阶段时，最后通过设备相关生化处理可以达到渗滤液一级出水标准[30]。

4 结束语

(1)MBBR组合工艺能否推广使用，不仅要考虑其技术可行性，还要考虑经济可行性，要想切实实现水资源循环利用，更应加强污水的深度处理和回用方法的推进。

(2)多级MBBR、MBBR和A/O、MBBR和A2/O、MBBR和MBR法联合工艺等都具有各自的可取之处，组合工艺的选取和应用需要结合实际进行考量，让效益最大化，让经济最优化。

(3)组合工艺的脱氮效果和除磷效果更强，运行更稳定，污染物处理效率更高，可大幅度使生物污泥产量减少，出水营养物质含量降低在未来很长一段时间里都具有研究价值和应用价值 。