聚乙烯填料序批式移动床生物膜反应器工艺处理低温市政污水效能研究

傅金祥 张 桐 丁 丽， 马学民

(1.沈阳建筑大学辽河流域水污染防治研究院，辽宁 沈阳 110168；2.中核抚顺环保科技有限公司，辽宁 抚顺 113000)

氮、磷是重要的营养源，但污水中高浓度的氮、磷会导致水体富营养化，不仅给人们的生活带来很大影响，而且严重影响工农业生产[1-2]。迄今为止，与物理化学处理相比，生物脱氮除磷更为有效、成本相对低廉、环保，在污水处理中得到广泛应用。温度是影响微生物活性并对污水处理有较大影响的关键参数[3-5]。低温条件下活性污泥沉降性能变差，吸附能力下降，微生物群落结构发生变化。针对这一问题，大多数污水处理厂通常采用投加化学药剂、降低污染负荷、增加污泥回流和污水停留时间的方法来保证低温污水达到出水标准[6]。这些措施会增加工程投资和运行成本，因此有必要探索一种更有效的方法来改善传统工艺在低温下性能不佳的问题。

序批式移动床生物膜反应器(SBMBBR)是在传统活性污泥法基础上[7]，在反应器中投加能悬浮在水中的填料，使微生物在填料表面更好地生长，从而实现对污染物去除的方法。本研究在低温条件下采用SBMBBR对低温污水进行处理，提出了最佳运行参数，并对不同规格的聚乙烯填料进行对比分析，为类似条件下污水处理厂改造扩建工程提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。SBMBBR内径140 mm，外径150 mm，高 1 m，每隔100 mm均匀设置取样口(出水口)，便于取样检测水质指标。在装置底部曝气盘上连接空气泵，用气体流量计控制溶解氧(DO)质量浓度(未特殊说明时，缺氧段DO≤0.5 mg/L，好氧段DO为5.0～7.0 mg/L)，装置运行采用A/O工艺，反应流程依次为进水阶段、反应阶段、沉淀阶段、出水阶段、闲置阶段。填料采用两种不同规格和颜色的聚乙烯填料，填料参数见表1。

1—进水口；2—电机；3—出水口；4—填料；5—搅拌桨；6—水泵；7—气体流量计；8—空气泵图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.2 接种污泥和水质指标

装置中的污泥采用抚顺市某污水处理厂二沉池回流污泥，污泥质量浓度为3 800～4 200 mg/L。进水为人工模拟配水，利用KH2PO4、葡萄糖、NH4Cl、NaHCO3配置，进水水质指标见表2。

1.3 实验方法和运行条件

共设3组装置，分别记为R1、R2、R3，其中R1为无填料，R2填充黑色聚乙烯填料，R3填充白色聚乙烯填料。启动阶段每天3个周期，单个周期内缺氧2 h，好氧5 h，沉淀1 h。低温实验室温度保持在4～7 ℃，实际水温为9～12 ℃。水力停留时间(HRT)为48 h，启动阶段均不投加填料，通过分析3组装置的污染物平均去除率判断是否启动成功。稳定运行阶段填料填充率为30%，通过分析污染物的去除效能对R2、R3进行对比研究。改变缺氧、好氧时间，好氧段DO浓度，HRT以确定最佳运行参数。

1.4 检测方法

COD、氨氮和TP等常规指标采用《水和废水监测分析方法(第四版)》中的分光光度法测定，仪器为WFJ2100型可见分光光度计；DO和温度采用便携式DO仪测定;pH采用便携式分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 启动研究

低温使传统的生物脱氮除磷面临巨大挑战[8]，从图2可以看出反应器在运行64 d时，COD和氨氮的平均去除率分别为73.5%和61.4%，TP的去除率为45.8%，进水COD长期保持在设定的水平，出水COD长期保持在一定范围内，可初步认为启动成功[9]。本研究中低温下污染物去除率较低，这与王振等[10]的研究结果类似(当系统温度从20 ℃降至10 ℃时，氨氮的去除率由93.7%骤降至48.0%)，说明低温显著抑制生物脱氮。分析认为低温会抑制微生物的活性，使得酶活性降低，细胞膜的流动性也会变差，营养物质吸收和代谢产物分泌受阻，从而抑制了微生物的降解能力。同时长期运行反应器有助于提高系统生物脱氮的能力[11]，即系统内微生物经过长期驯化，适应了处理环境，从而提高了脱氮效能。

2.2 稳定运行研究

启动成功后向R2、R3中投加填料，在投加填料7 d后可以观察到填料表面有明显的生物膜。图3、图4分别为R2、R3在稳定运行阶段的COD、氨氮、TP去除率。31 d后R2中COD、氨氮、TP的去除率分别为79.4%、71.2%和54.9%，相应的出水质量浓度分别为72.3、9.8、2.3 mg/L。与R1相比，R2处理效果有明显提升，表明富集生物膜可显著提高低温污水脱氮效果。31 d 后R3中COD、氨氮、TP的去除率分别为83.6%、74.4%和60.8%，相应的出水质量浓度分别为57.5、8.7、2.0 mg/L，表明白色聚乙烯填料更利于生物挂膜，可提升对低温市政污水的处理效果。分析原因为R3中白色聚乙烯填料孔隙率高，具有更好的吸附性，挂膜效果更佳，因此R3处理效果明显优于R1和R2。

表1 填料参数Table 1 Parameters of the filler

表2 进水水质指标Table 2 Influent water quality index

图2 启动期间的COD、氨氮、TP平均去除率Fig.2 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate during start-up

2.3 参数优化研究

2.3.1 缺氧、好氧时间优化

在HRT为48 h，好氧段DO为5.0～7.0 mg/L的条件下，分析缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式和缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h模式下运行27 d的出水效果，结果如图5所示，缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式下R1中COD、氨氮和TP的去除率分别为87.7%、93.5%和59.2%，较缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h的模式分别提高了14.2百分点、32.1百分点和13.4百分点，前者相应的出水质量浓度分别为44.4、1.9、2.0 mg/L，其中COD、氨氮出水浓度可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A排放标准(≤50、≤8 mg/L)。

缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h模式(HRT为48 h)运行下，R2中COD、氨氮去除率为90.5%、95.8%，相应的出水质量浓度分别为34.2、1.3 mg/L，均能达到GB 18918—2002一级A排放标准，TP出水质量浓度下降到1.8 mg/L，去除率上升到63.3%；R3中COD、氨氮、TP去除率分别可达92.7%、98.1%和67.3%，相应的出水质量浓度分别为26.5、0.6、1.6 mg/L，R3的低温污水处理效率较其他两组反应器更高。延长缺氧时间可显著提高除磷效率，当缺氧时间延长，吸收储存有机物且用于后续反应的能量增多，可提供给聚磷菌吸磷的能量也增多，从而使得TP去除率上升；当缺氧时间缩短时，大部分COD被好氧异养菌摄取，好氧异养菌过量繁殖[12]，从而抑制硝化反应，降低脱氮效率。

2.3.2 好氧段DO优化

在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，HRT为48 h的条件下，改变好氧段DO，使其依次为3.0～4.5、>4.5～6.0、>6.0～7.5 mg/L，每次稳定运行15 d后运行下一好氧段DO浓度。结果表明，COD、氨氮和TP的去除率随好氧段DO浓度的增加而提高。当好氧段DO为>6.0～7.5 mg/L时，R1中COD、氨氮和TP的出水质量浓度分别为50.5、1.9、1.9 mg/L；R2和R3中COD的出水质量浓度分别为38.1、32.2 mg/L，氨氮的出水质量浓度分别为1.0、0.8 mg/L，TP的出水质量浓度分别为1.8、1.7 mg/L。低温环境下，需要更高的好氧段DO，以保证反应器内部污泥的需求和实现微生物的降解作用[13]。当DO浓度低时，硝化作用受到限制，反硝化无充足的底物浓度，这会明显影响脱氮效果。随着好氧段DO浓度的提高，好氧吸磷的作用更加明显，因而TP的出水浓度有所降低。综合考虑，好氧段DO保持在>6.0～7.5 mg/L是处理低温污水最佳的运行条件。

图3 R2在稳定运行期间的COD、氨氮、TP去除率Fig.3 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate of R2 during stable operation

2.3.3 HRT优化

在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，好氧段DO为>6.0～7.5 mg/L的条件下，改变HRT，使其分别为18、20、21、24、28、34、42、56、82 h，每个HRT稳定运行7 d后分析相应的污染物去除率和出水浓度。结果表明，HRT与COD、氨氮、TP去除率呈正相关，即HRT越小，COD的去除率越低，出水浓度越高。当HRT为82 h时，R1中COD的去除率为88.1%，相应的COD出水质量浓度为41.8 mg/L；当HRT为42 h时，R2和R3中COD的去除率分别为85.5%和87.6%，相应的COD出水质量浓度分别为48.3、41.3 mg/L；此时COD可以达到GB 18918—2002一级A排放标准(≤50 mg/L)。当HRT为28 h时，R1中氨氮的去除率为78.2%，氨氮出水质量浓度为7.4 mg/L；当HRT为24 h时，R2和R3中氨氮的去除率分别为77.6%和84.4%，相应出水质量浓度为7.6、5.3 mg/L；此时氨氮可以达到GB 18918—2002一级A排放标准(≤8 mg/L)。

图4 R3在稳定运行期间的COD、氨氮、TP去除率Fig.4 COD,ammonia nitrogen and TP removal rate of R3 during stable operation

图5 不同缺氧、好氧时间的处理效果Fig.5 Treatment effect under different anoxic and aerobic time

HRT的变化对去除效率影响较大，脱氮作用随着HRT的下降而减弱，究其原因：(1)低HRT意味着氮高负荷，会抑制硝化作用，从而影响硝化效果；(2)在低HRT下，利用有机物为碳源进行脱氮的效率较低[14-16]。综合分析可知，为使反应器在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h，好氧段DO为>6.0～7.5 mg/L的条件下低温脱氮效果最佳，应取R1中HRT为82 h，R2和R3中HRT为42 h，此时COD、氨氮出水浓度可达到GB 18918-2002一级A排放标准。

3 结 论

(1) 黑色聚乙烯与白色聚乙烯填料可显著提高低温污水脱氮效率，稳定运行期间，投加黑色聚乙烯填料的R2中COD、氨氮、TP的去除率分别为79.4%、71.2%和54.9%，污染物去除率较无填料的反应器有所提高。投加白色聚乙烯填料的R3中COD、氨氮、TP的去除率分别为83.6%、74.4%和60.8%，投加白色聚乙烯填料处理效果最佳。

(2) 参数优化研究发现，缺氧3 h、好氧7 h、沉淀1 h被确定为首选的操作模式。好氧段DO浓度和HRT对低温脱氮有一定影响。在缺氧2 h、好氧5 h、沉淀1 h的条件下，好氧段DO保持在>6.0～7.5 mg/L，R1中HRT为82 h时最佳，R2和R3中HRT为42 h时最佳，此时COD、氨氮出水浓度可达到GB 18918—2002一级A排放标准。