A/A/O-MBBR系统在水处理中的研究进展

秦娟娟，李广，董晓航，白岩，周铁

开发与应用

A/A/O-MBBR系统在水处理中的研究进展

秦娟娟，李广，董晓航，白岩，周铁

（吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

A/A/O-MBBR 系统集 A/A/O和 MBBR 优势于一体，通过缩短SRT，将A/A/O中的部分硝化过程转移到MBBR中；A/A/O在较短的SRT条件下运行，充分发挥了其除磷和反硝化特性；MBBR在较长的SRT条件下运行，有利于硝化效果的稳定和氨氮的彻底去除。将一定的填料投加到MBBR池里与A/A/O共同组成复合性的生物处理系统，该处理系统兼具了活性污泥法和生物接触氧化法两者的优点，是一种新型高效的复合工艺。A/A/O-MBBR系统能够同时存在悬浮态和附着态微生物，使得系统总的微生物量增加，加强了净化污水的能力，使得脱氮除磷效率得以提高。

A/A/O-MBBR工艺；去除率；水质标准

1 国内外发展状况与研究进展

几十年以来，在我国经济的迅猛发展之下，各地区用水量飞速增长，水资源短缺这个问题也变得越来越突出。对于人类社会和环境来说，可持续的废水的管理是非常重要的[1]。经过处理后的废水（也称为再生废水或再生水）有着各种用途，在各个部门，再生水的使用可以为人类提供经济、社会以及环境方面的效益[2]。目前, 国内污水处理厂多以厌氧、缺氧、好氧交替连续运行的传统生物除磷脱氮工艺为主要的处理手段。在A/A/O传统生物脱氮除磷工艺中，有机氮在氨化菌的氨化作用下转化为氨氮，氨氮在曝气池中被氧化为亚硝酸氮和硝酸氮，硝态氮回流到缺氧池中，反硝化菌在缺氧条件下参与反硝化作用将硝态氮还原为氮气排出；在厌氧条件下聚磷菌从环境中摄取一定的挥发性脂肪酸将其同化为细胞内的碳源储存物质，同时在厌氧环境中释放出磷酸盐。聚磷菌在好氧环境中氧化分解碳源储存物质（PHAs）释放能量，这部分能量用于溶解性磷酸盐的吸收以及聚磷酸盐的合成，通过这种方式，磷酸盐从液相中去除，通过排放富磷污泥将磷从系统中去除。然而，不同的反应过程中硝化菌、聚磷菌以及反硝化菌对环境和基质的要求也不同，导致在实际运行过程中面临着各种矛盾。比如，聚磷菌和反硝化菌之间对碳源的竞争、硝化菌和聚磷菌在污泥龄上存在不同需求的矛盾及反硝化菌和聚磷菌竞争有机物，导致聚磷菌厌氧释磷效果变差。A/A/O工艺无法同时满足不同处理过程的需求，所以导致整个系统的处理效果也受到一定程度的影响。用循环经济模型取代线性经济模型，是一种新型的发展模式[3]。

移动床生物膜反应器是一种把悬浮填料作为微生物载体的生物接触氧化法，该工艺具有新型和高效的显著特点。既吸取了传统活性污泥法的优点，又吸取了生物接触氧化法的优点。有研究者已证明MBBR是一种通过异养反硝化过程处理氮污染水的有效生物技术[4]，MBBR系统不需要反冲洗，可以通过增加生物载体的填充百分比来提高操作能力[5]，对城镇河道污水、生活污水以及制药制革废水等的处理中经常用到MBBR和MBBR与其他工艺的组合工艺。A/A/O-MBBR 装置流程图（图1）。

2 A/A/O-MBBR在水处理中的应用

2.1 微电解-A/A/O-MBBR主体工艺处理某皮革厂废水

在20世纪80年代，随着改革开放的深入，人们穿衣风格有了很大的变化，社会上慢慢流行起人造革皮衣，它是仿造天然皮革制成的，这些人造革没有天然革那么昂贵，并且耐磨，质地柔软很快被应用于服装，箱包等的制作中。并且在市场上，有很多合成革和人造革制成的家具和车辆等，其数量丰富、品种极其多，这些优点都是天然皮革没办法满足的。

图 1 A/A/O-MBBR装置流程

50多年以来，科学家们一直致力于研究开发人造革、合成皮革，以弥补天然皮革的不足。与此同时处理合成革生产废水也存在着很大的问题，因为生产废水经过蒸馏后，仍然含有大量的二甲胺和少量一部分的DMF(二甲基甲酰胺)，而DMF进入水体后就会导致水中COD和氨氮含量增加。并且制革废水毒性大、难降解、对水体、土壤、动植物的生长均产生危害，若处理不当，将严重污染环境，影响人类生活[6]。因制革废水的组成复杂、污染物浓度较高，并且污染负荷大、水量波动大，是目前工业废水处理难度较大的废水之一。微电解是指低压直流状态下的电解，通过铁碳在废水中存在电位差形成电流，对废水进行电化学氧化还原反应，从而达到去除废水中有机污染物的目的。Lin等[7]就近取用当地城镇污水厂污泥进行驯化，历时三个月调试成功，采用的是“微电解-A/A/O-MBBR”工艺处理3种制革废水（表1），COD和氨氮的去除率基本上都可以达到90%以上，出水水质也可稳定达到《合成革与人造革工业污染物排放标准》的要求，并且这种方法设计合理、去除污染物效率高、耐冲击负荷能力也强，通过实验研究为同类型废水处理提供了一定参考价值。

表1 设计进水水质表[7]

2.2 基于改良A/A/O和三级MBBR分段供氧组合工艺技术处理小区及村镇生活污水

在水环境治理的形势和需求下，我国城市污水排放标准经历了从综合排放标准到工业排放标准、从国家标准到地方标准的快速发展过程[8]。某些地方的城镇排水管网已经越来越不能满足人们的实际需求。因此，迫切需要开发一种新型的污水处理设施。Guo等[9]研发了基于改良 A/A/O和三级MBBR分段供氧组合工艺技术处理小区及村镇生活污水，试验就分段供氧与均匀供氧污染物去除效果及系统冬季和夏季水处理效果两方面进行了对比分析，最后，通过对各参数的优化得到了最优条件，试验进水COD质量浓度范围为230～470 mg·L-1，NH4+-为17～38 mg·L-1，TN为26～46 mg·L-1。分段供氧条件下，COD和氨氮去除率分别是90.82%和98.30%，均匀供养条件下，COD和氨氮去除率分别是91.31%和96.64%(表2)，综合分析来看，在分段供氧和均匀供氧条件下，COD的去除率基本一致，相比于均匀供氧，分段供氧对氨氮的去除率更高一些。

表2 均匀供氧和分段供氧水处理效果比较[9] mg·L-1

采用分段供氧不仅可以实现有机物和氨氮的高效去除，而且还相应地减少了供氧方面能耗的损失，降低了设备的运行成本。试验期间冬季COD的平均去除率为88.37%，夏季COD的平均去除率为90.90%。因此就改良 A/A/O和三级MBBR分段供氧组合工艺[9]而言，其在冬、夏两季对有机物的去除能力无太大差别，但对NH4+-N的去除率分别是96.51%和98.11%，相比于冬季，在夏季反应器对氨氮的去除有小幅度上升，由此得知，系统在低温条件下对硝化作用的影响小于反硝化作用，因为低温不仅使DO浓度降低还使微生物活性也降低。所以，在夏季，反应设备对氨氮的去除会更好一些。

2.3 A/A/O+移动床生物膜反应器 (A/A/O-MBBR) 双污泥系统处理低碳氮比( C/N) 生活污水

对氮磷的去除仍然是我国城镇污水处理厂的主要目标，目前我国城市生活污水普遍呈现低C/N比特点。生活污水中碳源的不足，导致反硝化效率低，出水总氮高，难以达到一级A标准，要想深度脱氮，需投入外加碳源，这无疑增加了运行成本。wang等[10]采用A/A/O+移动床生物膜反应器 (A/A/ O-MBBR) 双污泥系统，其中A/A/O反应器的厌氧区、缺氧区和好氧区的容积比是1∶5∶1，MBBR反应器的填充率为45%，水力停留时间为8 h，污泥回流比是100%，消化液回流比是300%，污泥龄控制在（12±2）天，在这些条件下，控制进水COD为208.45 mg·L-1，NH4+-N为54.90 mg·L-1，TN为56.20 mg·L-1，碳氮比为3.44，以低碳氮比(C/N) 生活污水为处理对象，考察启动过程的污泥特性和反硝化除磷特性，基于脱氮除磷的代谢机理建立系统的快速启动策略，取得了良好的去除效果。研究发现COD的去除率基本稳定，平均为82%，在前12 d测得NH4+-N的去除率为 81%。刚开始运行时，系统中 TN 的出水浓度略高，去除率也只有65%，但是随着反应器的不断运行，硝化效果逐步趋于稳定，到第15天，TN去除率最高可达 75%，此时，出水 TN 浓度可稳定达到一级 A 排放标准。启动过程历时21天完成，生物量和污泥沉降性能都得到了较快的恢复，但是仍然需要进一步强化厌氧释磷。

2.4 改良A/A/O-MBBR 装置处理城镇河道污水

城镇河流作为城市经济发展的命脉，与人类的发展密切相关。随着社会经济的不断发展，河流污染问题日益突出，部分河道出现了发黑发臭现象。zheng等[11]分别采用2种不同填料的改良A/A/O- MBBR中试装置处理深圳市布吉河道污水，考察了该工艺的启动和雨季运行特征，通过间歇性的排泥将整个系统的污泥龄控制在10天左右，设计的日处理水量为 140 m3，同时硝化液回流比和污泥回流比分别为200%和100%，当进水COD为42.1～215.0 mg·L-1时，2 组系统 COD的平均去除率分别为81.8%和79.1%（图2），当进水氨氮和总氮分别为1.58 ～ 20.88 mg·L-1和5.4～26.2 mg·L-1时，对氨氮的去除率在98.0% 以上，对总氮的去除率均为23.7%，通过投加60 mg·L-1的甲醇作为外加碳源，可使出水总氮稳定在 15 mg·L-1以下，达到一级A标准，当进水总磷为0.80～6.12 mg·L-1时，2组系统平均去除率分别为63.6%和67.2%。由于该反应器在冬季启动挂膜成功，受水温低的影响出水氨氮浓度很难达到一级A标准。并且，由于沉淀池没有设置刮泥机，污泥回流受限，很大程度上限制了反应器去除污染物的能力。所以，如何使沉淀池的污泥能够顺利回流，还有待进一步加强。

图2 雨季运行期间对COD的去除效果[11]

2.5 A/A/O-MBBR组合工艺处理工业园区污水

工业园区是国民经济发展的重要组成部分，它已逐渐成为中国工业发展的主要模式之一。与城镇污水处理厂的污水相比，工业园区的污水具有产业结构复杂、水质和水量变化大、污染物浓度高、种类多、毒性大、降解困难等特点。污水处理系统往往缺乏针对性的设计和管理经验，使园区水污染治理面临着巨大的挑战。he等[12]在进水COD为500 mg·L-1，BOD5为300 mg·L-1，SS、NH4+-N和TN分别为400 mg·L-1、50 mg·L-1和70 mg·L-1条件下，采用A/A/O-MBBR工艺处理某工业园区污水，分析了该工艺的脱氮除磷效果及排放的污水是否达标，为该工艺处理工业园区废水奠定了基础，分析可知，用A/A/O-MBBR工艺处理工业污水，系统稳定运行后对COD和BOD的去除率可达到88%和93%，对氨氮和总氮的处理效果可达到84%和71%，排放的污水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。相比之下，总氮的去除率还有待进一步提高。

2.6 A/A/O移动床生物膜反应器处理纺织印染废水

纺织印染行业是工业污水中的排放大户，污水中主要含有纺织纤维上的污物、油脂、盐类以及加工过程中附加的各种染料和表面活性剂等。纺织印染废水的典型特点是COD浓度高、成分复杂、色度深且多变，pH变化大，水量水质变化大，属于难降解工业废水。Hye Ok Park等[13]研究了一种三级中试移动床生物膜反应器处理纺织染色废水。每个反应器填充20%的聚氨酯活性炭(PU-AC)载体用于生物处理。通过探讨PU-AC载体的影响、填料百分比以及pH变化对MBBRs的影响，确定了MBBRs的最佳反应条件。

在有无PU-AC载体的厌氧反应器运行8天后，COD的去除率分别是73%和63%，而好氧反应器中COD的去除率分别是86%和75%，即在好氧条件下COD的降解速率比厌氧条件下快。在填料填充率为10%、20%和30%的条件下，厌氧反应器中COD的去除率分别为46%、58%和82%，而好氧反应器中COD的去除率分别为55%、64%和60%。实验结果表明PU-AC载体在厌氧和好氧反应器中的最佳填充率分别为20%和30%；pH值对降低印染废水COD有显著影响，大多数细菌可以在中性（pH为6～8）条件下生长，但很少有细菌能在高pH条件下生长，如染色废水，因此，必须将pH值调节到中性。该实验的最适pH值为7。通过批量实验分析COD的去除率，达到了很好的去除效果，优化了该集成技术的工艺参数。

A/A/O-MBBR系统在印染废水处理中表现出了比其他常规系统更好的性能，如化学混凝活性污泥工艺和流态化生物膜工艺。并且，如果在MBBR系统中加入混凝工艺，借鉴先前的研究，该系统有可能更有效地处理印染废水。

3 结 论

采用A/A/O传统活性污泥处理工艺可以有效地去除污废水中的有机物、氮磷等物质，该工艺广泛应用于中小型生活污水和工业废水的处理，同时在处理市政污水和工业废水中的研究也比较多。A/A/O-MBBR系统能够同时存在悬浮态和附着态微生物，使得系统总的微生物量增加，加强了净化污水的能力，使得脱氮除磷效率得以提高。A/A/O- MBBR工艺是目前较成熟的水处理工艺，未来具有很大的发展和应用前景。

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Research Progress in A/A/O-MBBR Systems for Water Treatment

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（Jilin Jianzhu University, Changchun Jilin 130118, China）

A/A/O-MBBR system integrates the advantages of A/A/O and MBBR. By shortening SRT, part of the nitrification process in A/A/O is transferred to MBBR; A/A/O operates under short SRT conditions, giving full play to its phosphorus removal and denitrification characteristics; The MBBR operates under longer SRT conditions, which is conducive to the stability of nitrification effect and the complete removal of ammonia nitrogen. Certain fillers are added to the MBBR tank to form a composite biological treatment system with A/A/O. The treatment system has the advantages of both activated sludge method and biological contact oxidation method. It is a new and efficient composite process. A/A/O-MBBR system can have suspended and attached microorganisms at the same time, which increases the total microbial biomass of the system, strengthens the ability to purify sewage, and improves the efficiency of nitrogen and phosphorus removal.

A/A/O-MBBR process; Removal rate; Water quality standards

TQ085+.413

A

1004-0935（2022）02-0227-04

吉林省发展和改革委员会产业技术研究与开发项目（项目编号：2019C055-6）。

2021-10-27

秦娟娟（1995-），女，硕士学位，山西省忻州市人，2022年毕业于吉林建筑大学建筑与土木工程市政工程专业，研究方向：城镇污水处理研究。

李广（1982-），男，副教授，工学博士学位，研究方向：主要从事污水生物处理技术的研究与工业化应用以及生物电化学技术研究。