MBBR工艺在农村水污染治理中的运用探究

赵思睿，廖德旺，林晓晖，詹 勇，邹睿馨

（1.中国冶金地质总局第二地质勘查院，福建 福州 350000；2.中国检验认证集团福建有限公司，福建 福州 350000；3.中国冶金地质总局二局，福建 福州 350000）

0 引言

随着农村经济发展水平逐渐提高以及农业产业规模不断扩大，农村水污染问题日渐严重，相关部门、当地企业及村民需要尽快开展农村水污染治理。相比于城镇水污染治理，农村水污染治理难度较大，这是因为农村污水水质水量不够稳定、村民环境保护意识较差、治理主体缺乏足够资金及技术，为了解决农村水污染治理问题，相关部门可以选择应用MBBR工艺。

1 农村水污染成因

1.1 生活污水随意排放

农村生活污水包括洗浴污水、衣物清洗污水、厨房污水、厕所污水等，据统计，我国农村地区每天产生的生活污水约为2300万t，如果未对生活污水进行科学处理，必然会产生严重的农村水污染问题[1]。洗浴污水、衣物清洗污水中磷、硫含量较高，如果直接排放到当地河流中会导致水体富营养化，并且还会提高藻类的生长和繁殖效率，降低水体质量。厨房污水中糖类物质、淀粉、纤维素等有机物含量较高，如果直接排放到当地河流中便会增加水体的有机物含量，并且还会提高好氧细菌的生长和繁殖效率，降低水体含氧量，导致水中生物由于缺氧死亡。厕所污水中病原菌、病毒等有害微生物含量较高，如果直接排放到当地河流中会导致水体污染，若村民或牲畜饮用污染水源会引发各种疾病。

1.2 家禽养殖污水排放

家禽规模化养殖逐渐成为主要的农村经济发展项目及农民收入来源，但是建设大型家禽养殖场必然会导致农村水污染问题。大部分养殖场由农民建设，导致养殖场存在污染防治技术应用不到位、污水处理和排放装置不健全等问题，无法获得理想的家禽养殖污水处理效果。部分养殖场会直接将家禽排泄物排放到当地河流中，导致出现农村水污染问题。部分养殖场会将家禽屠宰产生的血液和污水排放到当地河流中，增加水资源有机物含量、导致水体富营养化，引发农村水污染问题。

1.3 企业污水随意排放

在城镇化建设进程持续推进、城镇经济水平快速提高、工业产业结构转型及调整不断深入的背景下，越来越多的企业选择将工厂建立在农村地区，同时农村地区也出现了较多中小型企业[2]。这些企业普遍具有能耗较大、污染排放物质较多、污染问题较为严重等特点，如果这些企业未对污水进行科学处理，或者将未达标污水直接排放到当地河流中，便会导致农村出现水污染问题。农村地区企业领导者和管理者很多都是农民，缺乏足够的水污染治理意识和环境保护意识，这会在一定程度上增加企业污水随意排放导致的农村水污染问题。很多农村地区企业从事的是农作物种植、生产、加工业务，如果农药及化肥用量不合理也会导致农村出现水污染问题，例如，增加水资源重金属物质含量、导致水体富营养化。

2 MBBR工艺农村水污染治理原理及设备

2.1 农村水污染治理原理

2.1.1 除磷原理

MBBR工艺农村水污染治理除磷原理如下：聚磷菌在厌氧环境下会将多聚磷酸盐分解成三磷酸腺苷（ATP），ATP可以将细胞外的链脂肪酸吸收到细胞内部生成PHB和PO43-，PO43-会被排放到大气环境。聚磷菌在好氧环境下会快速生长和繁殖，以PHB、外源基质为质子驱动力，将细胞外的PO43-吸收到细胞内部生成ATP、核酸，将过剩的PO43-生成多聚磷酸盐。聚磷菌在好氧环境下吸收的磷超过了在厌氧环境下释放的磷，从而完成对污水的除磷处理。

MBBR工艺在污水除磷处理中的应用优势如下：悬浮生物载体生物膜能够同时为聚磷菌提供厌氧环境和好氧环境。当聚磷菌位于生物膜内层时，表示聚磷菌在厌氧环境下；当生物膜脱落时，表示聚磷菌在好氧环境下[3]。

2.1.2 脱氮原理

MBBR工艺农村水污染治理脱氮原理如下：在好氧区内，硝化细菌、亚硝化细菌与NH3发生硝化反应，生成NO2-N、NO3-N。在缺氧区内，反硝化细菌与NO2-N发生反亚硝化反应，与NO3-N发生反硝化反应，还原为氮气。氮气排放到大气环境中，从而完成对污水的脱氮处理。

MBBR工艺在污水脱氮处理中的应用优势如下：硝化反应生成物质能够在后续反亚硝化反应、反硝化反应中得到有效应用，有利于降解硝化反应生成的硝酸盐，提高脱氮处理效率。硝化反应会消耗污水中的碱，反硝化反应会生成碱，实现了对碱的中和处理，不需要额外去除或添加碱，从而节省脱氮处理时间和成本。硝化反应、反亚硝化反应、反硝化反应均能够在同一反应池内完成，不需要设置专门的回流设备和厌氧池，从而降低脱氮处理成本，缩短处理时间。

2.2 农村水污染治理设备

MBBR工艺农村水污染治理设备包括反应器主体、悬浮生物载体、旋切式微泡曝气机。

2.2.1 悬浮生物载体

悬浮生物载体生物膜外表面处于不断生长的状态，生物膜能够吸附污水中的有机物，在消耗和降解有机物的同时，实现生长和繁殖[4]。在挂膜之后，悬浮生物载体密度接近水的密度，能够在污水中保持悬浮姿态，不随意移动。在曝气和搅拌操作下，悬浮生物载体会碰撞、回转、流动、翻转等，从而更新生物膜。

现选择HY-MC1悬浮生物载体、HY-MC2悬浮生物载体展开具体的填料及制备分析。

HY-MC1悬浮生物载体填料主要材料如表1所示。制备流程如下：首先，通过干法、湿法对凹凸棒石进行提纯处理，去除其中的蛋白石、石英、白云石、重金属、方解石等，提纯标准为60%；其次，按照表1所示含量混合凹凸棒石、聚醚、三乙胺、硅油、水、催化剂、表面活性剂，在混合搅拌过程中加入表1所示含量的己二异氰酸酯；最后，将混合材料放置在模具中成型。通过上述流程可以增加悬浮生物载体填料表面的粗糙程度和比表面积，因此能够改善载体的生物相容性。

表1 HY-MC1悬浮生物载体填料主要材料

HY-MC2悬浮生物载体填料主要材料如表2所示。制备流程如下：首先，在电热塑料熔化器内熔融聚丁二酸丁二醇酯，在混合搅拌过程中加入表2所示含量的淀粉、甘油，得到混合物；其次，在电热塑料熔化器内熔融脂肪酸，在混合搅拌过程中加入表2所示含量的羟基磷灰石，得到混合液；再次，混合上述混合物和混合液，得到塑性共混液；最后，将塑性共混液放置在模具中成型，随后进行切割。通过上述流程可以增加悬浮生物载体填料微生物易利用营养物含量，因此能够改善载体的水污染治理缓释功效，增强污水脱氮效果和有机物去除效果[5]。

表2 HY-MC2悬浮生物载体填料主要材料

2.2.2 旋切式微泡曝气机

旋切式微泡曝气机在MBBR工艺农村水污染治理中应用了流体力学原理，具体如下：水下叶轮在高速旋转状态下会形成负压区，将设备中的空气吸收进来。吸收的空气在离心力作用下会被乳化、粉碎，气泡直径会不断缩小，最终成为溶氧。气液混合在叶轮离心力作用下会向反应器周边扩散，污水底部的活性污垢便会被翻动到上层位置，进而混合到污水中，污水在反应区内能够完成氧分子扩散，达到二次冲氧效果。由于污水底部活性污垢始终处于被翻动和悬浮状态，因此能够完成均匀充分的曝气，为好氧区设备运行提供了足够的推动力，降低了设备内部出现活性污垢粘连、堵塞、聚集等问题的概率，不但能够提高水污染治理效率和质量，而且减少了对于设备清洗的需求，避免了操作人员反复清洗设备。

3 MBBR工艺在农村水污染治理中的运用分析

3.1 MBBR工艺应用特点

与传统水污染治理技术相比，MBBR工艺具有以下应用特点。

（1）MBBR工艺可以改造和应用原有曝气池，不需要建立专门的反应池。尽管治理设备占地面积较小，却能够保障足够的污水处理量。

（2）悬浮生物载体填料密度接近水的密度，表示悬浮生物载体能够以曝气的形式在水中流动，气泡剪切操作还会强化气泡与填料的作用，能够降低水污染治理的能源消耗。

（3）与其他生物膜相比，MBBR工艺生物膜的适应性和抗冲击负荷能力较强，能够适应有毒、低温等极端环境。

3.2 MBBR工艺应用流程

（1）将污水排入粗格栅池（设置2个阀门、2台水泵），去除大块悬浮物。

（2）将污水排入调节池（设置2个阀门、2台水泵），实现均值均量调节。

（3）将污水排入一体化厌氧设备（厌氧区），此时污水与回流污泥实现了充分混合，在厌氧分解作用下去除了部分生化需氧量，释放了回流污泥中的聚磷微生物，满足了细菌对于磷的需求量[6]。

（4）将污水排放到缺氧区，以污水中的含碳有机物和反硝化细菌为碳源，以氨氮、亚硝酸盐为氮源，通过内循环回流将硝酸根还原为氮气，并且释放。经过厌氧处理和缺氧处理，充分去除污水与回流污泥中的氧气和硝酸盐，不但可以提高厌氧区和缺氧区的除磷效率，还能够为好氧区除磷效率提供保障。将硝化液回流至缺氧区，能够提高缺氧区的脱氮效率。

（5）将污水排入好氧区，污水与回流污泥中的氨氮通过硝化反应生成硝酸根，有机物在厌氧分解作用下能够生成吸磷微生物，吸磷微生物能够吸收污水与回流污泥中的磷元素，并且将磷元素聚集在细胞组织中，形成富磷污泥，通过MC分离池将富磷污泥排出MBBR工艺系统。处理后的清水经过砂滤紫外线消毒，就近排放到河流或中水系统中。

（6）将剩余污泥排入污泥池，转入其他站点进行统一处理。

（7）MBBR工艺系统设置了化学加药除磷设备，如果经过上述处理的污水未能达到排放标准，可以通过化学加药除磷设备、PAC化学除磷药剂进行再次处理，直到达到污水排放标准。

3.3 MBBR工艺发展趋势

MBBR工艺具有显著的污水治理效果，可见MBBR工艺在未来必将成为主流农村水污染治理技术，具有广阔的发展空间。但是我国现阶段关于MBBR工艺在农村水污染治理中的应用实例较少，要想加强对MBBR工艺的运用，还需要做好如下工作：①持续开发生物膜载体、培养微生物、改善生物膜运行环境，从而优化反应器的曝气、布水方式；②MBBR工艺的应用局限在印染企业污水、生活污水治理上，需要扩展工艺应用范围，并且联合其他水污染治理技术共同应用；③加强对于微生物附着和膜肌理的研究，提高MBBR工艺应用技术含量。

4 结语

综上所述，农村水污染成因包括生活污水随意排放、家禽养殖污水排放、农村企业污水随意排放等。MBBR工艺水污染治理设备包括反应器主体、悬浮生物载体、旋切式微泡曝气机，在农村水污染治理中能够获得理想的除磷脱氮效果。相关部门要加强MBBR工艺在农村水污染治理中的运用，尽快解决农村水污染问题，同时深入对相关技术流程及应用设备的研发，扩展MBBR工艺应用范围。