MBBR工艺在农村生活污水处理中的应用

姚宁波 周 凯 李 东 於胜洪 黄青飞 徐玉璐 骆靖宇

(1.安徽舜禹水务股份有限公司,合肥 231131;2.苏州首创嘉净环保科技股份有限公司,江苏 苏州 215126)

随着村镇经济发展和居民生活水平提高,农村生活污水排放量不断增加,我国农村人口众多且分散,加之污水处理技术匮乏及设施建设滞后,未经有效处理过的污水直接排入生活环境中,对农村的生态环境造成了极大破坏。“十三五”以来,国家高度重视农村地区的环境整治提升工作,先后颁布了《全国农村环境综合整治“十三五”规划》《农村人居环境整治提升五年行动方案(2021-2025年)》等政策文件。为推进农村人居环境改善,2018年江苏省质量和标准化研究院牵头制定了《农村生活污水处理导则》(GB/T 37071-2018),从农村生活污水的收集、处理、排放等方面给出了指导性意见。2019年住建部制定了《农村生活污水处理工程技术标准》(GB/T 51347-2019),规范了农村生活污水处理工程的建设、运行、维护及管理。

我国地域辽阔,居民生活习惯、区域环境容量、经济发展状况差异较大,目前主管部门尚未在国家层面对农村生活污水排放制定统一的国家标准,各地区根据污水处理设施处理规模、污染物性质、排入水域的环境功能等逐步制定了适宜自身环境保护目标的地方标准。不同地域的农村污水水质特点及排放标准不同,各地采取的污水处理工艺不尽相同。当前我国农村地区污水处理的主要工艺和设施有:化粪池[1]、人工湿地[2]、稳定塘[2]、生物滤池[3]、生物接触氧化池[4]、移动床生物膜反应器(MBBR)[5-7]、序批式生物反应池(SBR)[8]、膜生物反应器(MBR)[9]等,每种工艺技术都有其特点和适用性。MBBR工艺因具有活性污泥法的高效性和灵活性,同时具有生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的优点,目前MBBR工艺在分散型的农村生活污水治理中被广泛应用[5-7]。

1 MBBR工艺

移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)工艺开发于20世纪80年代中期,是一种集悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜法的特点于一体的新型污水处理工艺,其原理为将密度接近于水、可悬浮载体填料投加到反应器中作为微生物生长载体(填料填充率35%～60%之间)[10],填料通过曝气或者机械扰动处于流化状态后与污水充分接触,从而使污水中的有机污染物得到降解,反应器的出水端设置过水滤网,将悬浮填料截留在反应器内,处理后的水进入下一单元。

1.1 结构组成[10-12]

MBBR工艺分为好氧和缺氧两种类型,其中好氧MBBR池由反应池体、悬浮填料、曝气装置、出水滤网等部分组成;缺氧MBBR池不设曝气装置只设搅拌混合装置。

(1)反应池体:可设计成圆形或矩形,好氧MBBR池采用鼓风底部曝气,缺氧MBBR池安装搅拌器或者采用粗泡曝气进行混合。

(2)悬浮填料:悬浮填料是MBBR工艺的重要组成部分,填料的表面性能(表面粗糙度、表面电位、亲水性)、水力学性能(孔隙率、形状尺寸)及流化性能直接关系到系统的应用和处理效果。悬浮填料多由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫体等制成,耐腐蚀和耐磨性较好,密度接近于水(0.95～0.98 g/cm3)[10]。

(3)截留滤网:常用的出水截留滤网包括垂直固定的不锈钢平板网和水平放置的楔形不锈钢丝网。网面底部设置曝气扰动装置或搅拌器,避免填料和杂物在网面堆积,影响正常过水。

1.2 工艺特点[13-16]

(1)硝化速率高。附着生长在悬浮载体中的长泥龄生物膜为硝化菌提供了有利的生存环境,污泥负荷远低于单纯的活性污泥工艺,处理效率更高。

(2)有机物去除率高。附着在载体表面及内部的微生物数量大、种类多,一般情况下反应器内污泥浓度为普通活性污泥法的5～10倍,有机物去除效率高[17]。

(3)脱氮效果好。填料由外向内形成好氧、缺氧和厌氧的微环境,硝化和反硝化反应在一个反应器内发生,脱氮效果好。

(4)易于维护管理。填料易于挂膜,不结团、不堵塞、脱膜容易。无须设置填料支架,便于对填料以及池底的曝气装置的维护,节省投资。

2 MBBR在农村生活污水处理中的应用

2.1 项目概况

苏北某县乡村污水处理场站主要处理村庄居民生活污水,设计处理规模为800 m3/d,采用多组一体化污水处理设备并联组合处理,单台一体化设备设计处理能力为75 m3/d,设计进、出水水质如表1,出水相关水质指标要求达到GB18918-2002一级A标准。

表1 设计进、出水水质

2.2 工艺流程

污水经格栅后进入调节池,经格栅拦截去除较大的悬浮物或漂浮物,并在调节池内均质均量后,由提升泵提升至一体化污水处理设备内进行处理,出水经紫外消毒后达标外排。一体化污水处理设备主体工艺采用两段AO工艺,工艺流程如图1。

图1 一体化污水处理设备工艺流程

污水由提升泵泵入设备后,分别经过两段AO生物处理段、生化沉淀段、除磷反应区及物化沉淀段,在缺氧区及好氧区均填充缺氧填料和好氧填料,丰富微生物的种类、保障生物量;在生化处理段后设置了除磷反应区,由加药泵泵入的PAC药剂在此充分与污水中的正磷酸盐混合反应后进入物化沉淀区,物化沉淀区设置斜管强化对物化污泥的沉淀分离。

2.3 设备设计参数

一体化污水处理设备的设计处理能力为75 m3/d,总有效容积80.38 m3,其中生化段停留时间为19.34 h。缺氧池1和缺氧池2投加聚氨酯悬浮球填料,填充率为40%;好氧池1投加PE填料,好氧池2投加聚氨酯填料,填充率均为45%。污水在缺氧池1和缺氧池2中的总停留时间为8.55h,在好氧池1和好氧池2中的总停留时间为10.79 h,BOD5填料容积负荷为0.6 kg/(m3·d)。混合液回流比控制在180%～280%,设备共有9台气泵(200 L/min,20 kPa,210 W)作为曝气、搅动及回流等动力来源,混合液回流和剩余污泥排放均采用气提方式。

2.4 调试运行

一体化污水处理设备独立进水,调试、运行,以其中一台设备为例,介绍单台一体化设备对污染物的去除效果。设备采用接种市政污泥的方法启动,自6月28日、6月30日两次投加附近城镇污水处理厂脱水污泥(含水率约83%)合计约1吨,换算成污泥浓度约为2800 g/m3,设备连续进水,曝气常开。

设备运行20天后随机取悬浮填料,用水洗脱、静置,取底部泥样镜检,填料挂膜及微生物生长情况如图2。污泥絮体中黄褐色的菌胶团可见,菌胶团结构紧密,边缘清晰,呈封闭状。原生动物中钟虫、累枝虫等固着型纤毛虫较多,楯纤虫、表壳虫可见,钟虫为优势生物,后生动物轮虫也有观察到,系统填料挂膜良好,生物量丰富,污水净化效果好。

图2 设备填料挂膜及镜检

2.4.1 COD去除效果分析

7月9日至8月31日对设备进、出水COD取样检测了20次,期间设备平均进水量为68.1 t/d,进水COD平均值144.1 mg/L,最高218.2 mg/L,最低60.2 mg/L,出水COD平均值34.19 mg/L,最高46.7 mg/L,最低15.1 mg/L,平均去除率72%,出水COD稳定达标,见图3。生物池投加填料后,在曝气搅动下,填料呈流化状态,气流通过填料的特征流动通道空间时被切割成更小的气泡,延长了气泡在水中的停留时间,提高了传氧效率,在与污水和气泡的充分接触过程中,填料表面形成一层稳定的生物膜,从而有机物被高效去除[18]。

图3 设备COD去除效果

2.4.2 NH3-N去除效果分析

7月9日至8月31日对设备进、出水NH3-N取样检测20次,期间设备平均进水量为67.5 t/d,设备进水NH3-N平均值52.6 mg/L,最高86.8 mg/L,最低17 mg/L,出水NH3-N平均值1.5 mg/L,平均去除率97.2%,期间出水NH3-N除在7月17日、7月29日及8月1日出现超标,其数值分别为6.5 mg/L、6.3 mg/L、7.96 mg/L,其他时间出水NH3-N均达标,见图4。分析7月17日设备处理水量为70.8吨,出水NH3-N超标的原因可能是当日NH3-N进水浓度高(77.9 mg/L),且处理水量接近设备设计值,NH3-N负荷较高;7月29日、8月1日出现出水NH3-N超标的原因是期间设备好氧池1和好氧池2均有1台气泵故障,影响了设备的充氧和硝化反应的速率。

图4 设备NH3-N去除效果

MBBR法污水处理工艺中微生物大量附着在载体表面生长,某种程度上实现了污泥龄和水力停留时间的分离,有利于世代周期长的微生物如硝化菌在系统内持留[19];另外,由于氧的扩散(传递)限制,溶解氧在生物膜的不同厚度形成好氧区和厌氧区,使得短程硝化及厌氧氨氧化反应成为可能,提高了系统NH3-N的去除率[18]。

2.4.3 TP去除效果分析

7月29日至9月14日对设备进、出水TP取样检测了24次,期间设备平均进水量为71.3 t/d,设备进水TP平均值3.1 mg/L,最高5.17 mg/L,最低1.91 mg/L。7月29日至8月25日期间设备出水TP较高,出水平均值为2.83 mg/L,平均去除率22.2%,出水TP未达标;9月1日至9月14日期间设备出水TP平均值为0.14 mg/L,平均去除率94.7%,出水TP达标,见图5。

图5 设备TP去除效果

分析7月29日至8月25日期间设备出水TP较高的原因是一体化设备内部各格室容积有限,回流携带的硝态氮、溶解氧以及相邻好氧格室之间的返混,设备内基本不存在厌氧环境,难以满足生物除磷的条件且设备排泥频次低。一般微生物由于维持生命活动摄取的污水中磷的含量占污水中总磷含量的5%～20%[13],此期间出水TP的少量去除的原因主要是微生物的同化作用。

9月1日至9月14日设备在混凝加药池投加PAC,9月7日进水量为69.2吨,PAC投加量为131.1 mgPAC(30%)粉末/L污水,出水总磷为0.04 mg/L,9月14日进水量为74.2吨,PAC投加量为93.6 mgPAC(30%)粉末/L污水,出水总磷为0.46 mg/L,TP达标建议投药量为100 mgPAC(30%)粉末/L污水。

2.4.4 TN去除效果分析

7月14日至9月26日对设备进、出水TN取样检测了15次,期间设备平均进水量为74.9 t/d,设备进水TN平均值53.7 mg/L,最高76 mg/L,最低41 mg/L(图6)。其中7月14日、7月24日、8月1日、8月8日,设备进水端未投加碳源,其COD/TN分别为2.81、1.05、3.99、2.45,出水TN的去除率分别为36.84%、26.03%、32.65%、40.68%,平均去除率为34.05%;8月15日至9月26日的10次调试中,进水端投加食品级葡萄糖作为补充碳源。8月15日,COD/TN提升至11.20,出水TN去除率为80.00%;9月8日,COD/TN提升至8,出水TN去除率为68.89%;9月10日,COD/TN提升至10.69,出水TN去除率为76.60%。投加碳源后,进水的COD/TN平均值提升到9.5,出水TN的平均去除率增加到65.2%,最高去除率达到80%。TN去除受进水水质(碳氮比)、溶解氧、回流比、生物量(生物膜生长情况)等众多因素影响,此项目中进水碳氮比偏低是TN去除率低的一个重要原因。

图6 设备TN去除效果

3 结论

(1)MBBR工艺对有机物和NH3-N的去除效率高,COD的平均去除率为72%,NH3-N的平均去除率为97.2%,出水COD和NH3-N满足GB18918-2002一级A排放标准。

(2)MBBR工艺对TP的平均去除率为22.2%,去除能力有限,出水TP的稳定达标需辅以化学除磷手段,建议的除磷药剂投加量为100mg/L。

(3)MBBR工艺对TN的去除率最高可达80%,碳源不足是TN去除效果差的重要限制因素。