移动床生物膜反应器-生物滤池脱氮除磷中试研究

关键词： 脱氮除磷； 污水处理设备； 曝气量； 环境温度

中图法分类号： U664.9+2 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）01-0131-06

农村生活污水治理是实施乡村振兴战略和持续打好农业农村污染治理攻坚战的重要举措，是农村人居环境整治提升的突出短板。当前农村生活污水处理缺乏完善的处理设施，对生活、生态环境、农业生产等产生巨大影响，而且缺乏足够的资金和技术支持，难以保障污水处理设施的建设和运营。移动床反应器（MBBR）兼具传统生物流化床和生物接触氧化法两种工艺的优点，具有良好的脱氮除磷效果，已成功应用于生活污水和工业废水处理[1]。在MBBR 中生物膜微生物与菌胶团双重作用下，污染物的处理效率得以大幅提升。生物滤池（BF）基于土壤自净原理，表层填料对污水中悬浮物或较大杂质进行拦截，污水与填料表面生物膜接触，依靠吸附作用将悬浮物或胶体物质吸附至填料表面，进而生物膜去除污水中污染物。一体化MBBR-BF组合工艺可自适应不同负荷，可调节性强，在处理不同水质和水量的污水时，能够根据负荷变化自动调节生物膜厚度和数量[2]。组合工艺既有MBBR的高处理效率，又有BF的过滤吸附作用，增强了处理农村生活污水的适用性。

本研究结合MBBR和BF 工艺优势，构建以MBBR-BF组合工艺为核心的光伏直驱农村生活污水一体化处理设备（以下简称“一体化设备”）。通过处理实际农村生活污水的中试试验研究，考察了不同曝气量对一体化设备挂膜启动的影响，探讨了温度变化对污染物去除效果的影响，验证一体化设备低温环境下的应用性能，旨在优化一体化设备处理农村生活污水条件。

1 材料与方法

1.1 试验装置

一体化设备采用光伏直驱的方式为曝气泵供电，利用太阳能发电替代传统的电网供电，具有低碳、低耗、经济适用等特点，其工艺流程如图1 所示。农村生活污水具有每日早、中、晚污水排放量大的排放特征，因而采用间歇进水的运行方式，每日进水3 次，每隔5 h 1 次，分别对应早、中、晚3个时段，每次进水水量为当日进水总量的1/3，水力停留时间为24 h，未设置污泥回流，出水方式为无动力自流。

1.2 试验实际生活污水

实际生活污水采集自某村污水处理站进水口，化学需氧量（COD）、氨氮（NH₃-N）、总氮（TN）和总磷（TP）浓度范围分别为63～318、18.6～38.2、29.4～50.1 和2.48～5.33 mg·L^-1，水温在10.9～20.5 ℃范围，pH 值在7.5～8.2 间波动，其水质符合农村生活污水的特点。

1.3 试验运行工况

本试验通过对一体化设备曝气量和环境温度进行调控，工况Ⅰ和Ⅱ曝气量分别为2.0 L·min-1和1.2 L·min^-1，常温和低温条件下，水温分别控制在20～23 ℃和1～5 ℃范围，考察不同条件下对污染物去除效果的影响，期间运行工况参数调控情况如表1所示。

1.4 水质指标分析方法

试验采集水样酸化后4 ℃保存，24 h 内完成COD（快速消解分光光度法）、NH₃-N（纳氏试剂分光光度法）、TN（碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）和总磷（钼酸铵分光光度法）测定。依据山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3963-2019）（以下简称为“排放标准”）对出水水质进行评价。

2 结果与讨论

2.1 曝气量对挂膜启动阶段污染物去除效果的影响

曝气量可改变设备中污水和生物膜内的氧传质效率[3]，然而曝气量过大会增加生物膜表面剪切力，抑制厌氧微生物的生长代谢活动，对附着在填料上形成生物膜产生抑制作用，同时过高的溶解氧浓度还会促进有机物分解，从而加速生物膜老化甚至脱落[4]。因此进行了2.0 L·min^-1（工况Ⅰ）和1.2 L·min^-1（ 工况Ⅱ）曝气量条件下对污染物去除的试验，其结果如图2（a-d）所示。

2.1.1 曝气量对COD去除的影响 曝气量对挂膜启动阶段COD 去除效果的影响如图2（a）所示，进、出水COD浓度波动均较小。前6 日运行过程中，出水COD 浓度波动趋势于进水相似。运行至第7 日，曝气量减小，COD几乎全部去除，主要由于此次进水COD浓度较低。当运行至第8 日时，曝气量减少导致出水COD浓度上升，其去除率明显下降，之后的运行时间，出水COD浓度和去除率均无较大变化。运行过程中COD去除率平均值为（85.05±9.11）%，张小姗等[5]研究结果也观察到不同曝气量条件下的生物滤池出水COD去除率均在83%以上。由此可得，改变曝气量对COD的去除无明显影响，表明一体化设备具有良好且稳定的有机物处理能力，主要原因为反应器内填料表面生物膜生长良好[5]，且在挂膜启动阶段有一定的抗冲击负荷能力。

2.1.2 曝气量对NH₃-N 去除的影响 曝气量对挂膜启动阶段NH₃-N 去除效果的影响如图2（b）所示，整体上，进水NH3-N 浓度呈上升趋势，在18.6～26.7 mg·L^-1范围，在工况（Ⅰ 2.0 L·min^-1）条件下，出水平均NH3-N 浓度为（2.93±0.89） mg·L^-1。运行前7 日，NH3-N 去除率平均值为（87.46±4.68）%，而随着曝气量降至1.2 L·min^-1（工况Ⅱ），出水NH₃-N浓度骤然上升，第10日出水NH₃-N浓度高达15.50 mg·L^-1，其去除率仅为41.96%，表明生物膜的自我调控能力未完全展现。由图2（b）可得，曝气量降低对NH₃-N去除的影响较大，硝化作用对溶解氧的要求大于等于2 mg·L^-1。曝气量较小时，体系中溶解氧浓度较低，尚不能满足好氧微生物硝化反应对溶解氧的需要，异养菌会抑制硝化菌产生硝化反应，生物膜外部好氧层中的硝化菌代谢活性和生长速率均降低[6]，生物膜生长增殖缓慢，导致一体化设备的好氧硝化速率降低，进而引起NH₃-N 去除效果变差。综上所述，曝气量变化对NH₃-N的去除有明显影响，且影响一体化设备挂膜启动速度。

2.1.3 曝气量对TN去除的影响 曝气量对挂膜启动阶段TN去除效果的影响如图2（c）所示，进水的TN浓度在29.4～32.28 mg·L^-1范围，出水TN浓度平均值为（23.85±1.72） mg·L^-1，平均去除率相对较低，仅为（25.98±5.67）%。反硝化菌为兼性厌氧菌，在有溶解氧的条件下，能以游离氧作为电子受体进行反应[7]。当溶解氧低于一定水平时，生物膜中的好氧微生物的代谢和生长随之受到影响，一些厌氧微生物的代谢和生长得到促进，从而影响生物膜的健康生长。曝气量降低后，TN去除率略有提升，可能因为好氧菌和厌氧菌比例发生改变，厌氧菌生长得以促进，从而有利于污水中氮的去除。由图2 可得，总体上TN的去除率与碳氮比呈负相关，和Jin R等[8]研究结果相似，适宜的碳氮比对于一体化设备反硝化脱氮的影响仍需进一步探究。

2.1.4 曝气量对TP去除的影响 曝气量对挂膜启动阶段TP 去除效果的影响如图2（d）所示，TP去除效果收到曝气量的影响显著，进水TP浓度在2.48～3.15 mg·L^-1范围，随着曝气量由2.0 L·min^-1（工况Ⅰ）降至1.2 L·min^-1（工况Ⅱ），其去除率由（72.41±7.62）%降至（54.66±5.27）%。值得注意的是，一体化设备运行过程中，TP的去除率呈现先下降随后持续上升的趋势。前7 日，较高的曝气量有利于微生物进行吸磷反应，但硝化反应所生成的硝态氮会影响聚磷菌厌氧条件下的释磷反应[9]，进而引起TP去除率不断下降；第8 日后，随着曝气量的降低，TP的去除率有所上升，表明聚磷菌等除磷菌群在不断适应当前溶解氧环境。

2.2 环境温度对一体化设备污染物去除效果的影响

为评估一体化设备在不同温度环境下的处理效果和稳定性，在常温（20～23 ℃）与冬季低温（1～5 ℃）环境下进行试验，阐明不同温度下微生物的生长和代谢特性，以及它们对不同种类污染物的去除能力，实验结果如图3（a-d）所示。

2.2.1 环境温度对COD去除的影响 常温与冬季低温环境对COD去除效果的影响如图3（a）所示，常温状态下，进水的COD 浓度在124～208 mg·L^-1 范围，平均去除率为（91.84±7.41）%。运行前3 日，出水COD浓度及去除率波动较大，随着生物膜不断生长繁殖，第4日至第10日，其去除率均维持在93%以上。运行第10 日由于温度骤降，出水COD浓度由第9 日的3.54 mg·L^-1升至24 mg·L^-1，随后两日COD去除率仅为80%。当运行至第13日时，出水COD浓度降低，其去除率均值为（97.17±1.89）%，表明低温环境对一体化设备对COD 去除效果的影响较小。王丹丹和罗清威[9]通过移动床-微滤膜处理工艺考察了对餐饮废水的处理，试验结果也表明温度变化对COD去除效果的影响不明显。总体上，常温环境下，一体化设备中微生物活性较高，COD去除效果较为稳定，而在冬季低温环境下，微生物活性得以抑制，COD去除效果受到一定程度的影响。

2.2.2 环境温度对NH3-N去除的影响 常温与冬季低温环境对NH3-N去除效果的影响如图3（b）所示，常温环境条件下一体化设备运行稳定，进水NH₃-N 浓度在26.20～38.20 mg·L^-1 范围，出水NH₃-N 浓度在1.21～2.35 mg·L^-1范围，NH₃-N 去除效果良好且稳定，平均去除率为（94.13±1.58）%。温度降至1～5 ℃后，运行第11 日NH₃-N 去除率随之骤降至仅35.61%，可能由于部分微生物对温度变化适应性较强，保持其对NH₃-N一定的去除能力。低温环境下NH₃-N 平均去除率降至（51.60±9.96）%，微生物进行硝化反应的适宜温度在25～30 ℃，低温环境下生物膜上硝化菌活性受到抑制[10]，从而使得NH3-N的去除更加困难。

2.2.3 环境温度对TN去除的影响 常温与冬季低温环境对TN去除效果的影响如图3（c）所示，常温环境下，进水TN浓度在36.30～46.30 mg·L^-1范围，均值为（40.93±3.33） mg·L^-1，出水TN浓度在12.49～26.84 mg·L^-1范围，均值为（20.78±4.45） mg·L^-1，平均TN去除率为（49.39±9.60）%。温度降低后，TN去除率迅速降低，表明较高的温度有利于TN的去除[1]。运行至第11 日，其去除率仅为7.92%，出水TN浓度高达36.56 mg·L^-1，Liu T等[11]通过生物膜反应器实验结果也发现，温度由20 ℃降至10 ℃时，体系脱氮率降低幅度高于50%。之后几日TN去除率缓慢回升至30%左右，表明低温环境下，微生物具有一定的自我调节能力，保证了生物膜的动态稳定[12]。

2.2.4 环境温度对TP去除的影响 常温与冬季低温环境对TP 去除效果的影响如图3（d）所示，常温环境下一体化设备运行稳定，TP 的去除效果较为稳定，进水TP 浓度在3.20～4.42 mg·L^-1范围，TP 出水平均浓度为（1.50±0.30） mg·L^-1，平均TP 去除率为（61.63±6.65）%。温度降至1～5 ℃后，TP去除率持续下降，运行至第11 日，TP去除率仅为32.95%。而运行至第12 日，TP 去除率突增至80.68%，可能为耐低温除磷菌的作用[13-14]。随后运行时间TP 去除率趋于平稳，运行第12～16 日的平均TP去除率为（68.11±8.78）%。低温对聚磷菌生长速率的影响不大，有学者研究发现生物强化除磷系统中，水温由20 ℃降至10 ℃，除磷效果降低，而进一步降至5 ℃时，生物除磷效果有所提升[15]。总体上，常温与低温环境对TP的去除效果均较好，温度变化对一体化设备除磷的影响较小。

3 结论

（1）一体化设备在工况（Ⅰ 2.0 L·min^-1）条件下可有效地去除污染物，出水指标符合山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3693—2019）一级标准，运行工况Ⅱ（1.2 L·min^-1）条件下，出水NH₃-N 和TP浓度较工况Ⅰ明显升高，出水COD和TP 指标符合“排放标准”一级标准，NH₃-N 指标符合“排放标准”二级标准，可通过水肥以及村庄生态景观建设等资源化利用方式实现污水就地回用；

（2）一体化设备在水温20～23 ℃工况下运行时，对COD、NH₃-N、TN、TP 的平均去除率分别为92.48%、94.41%、49.39%和61.63%，适宜的温度有利于组合工艺体现其处理优势，且处理实际生活污水的效果较为优秀，出水的COD、NH₃-N、和TP浓度指标符合“排放标准”的一级标准。一体化设备在低温运行状态下，设备对污染物的去除效果变差，但出水COD和NH₃-N 指标仍可满足“排放标准”一级标准，一体化设备可应用于冬季低温环境，且运行状况良好，对COD和NH₃-N有较强的处理能力。