移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）因具有處理負(fù)荷高、抗沖擊能力強(qiáng)、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于污水處理廠升級改造工程。但MBBR需要通過提高曝氣強(qiáng)度來維持填料流化狀態(tài)，導(dǎo)致其運(yùn)行能耗相對較高。因此，在滿足污染物處理負(fù)荷的前提下，通過優(yōu)化MBBR的曝氣量分配方式和填料填充率，進(jìn)而優(yōu)化MBBR內(nèi)填料的流化狀態(tài)，在降低MBBR曝氣強(qiáng)度的同時，提高MBBR的氧轉(zhuǎn)移能力，對實(shí)現(xiàn)污水處理廠的節(jié)能降耗具有重要意義。
MBBR氧轉(zhuǎn)移能力的影響因素有很多，如曝氣器種類、曝氣量、曝氣密度、填料填充率、填料流化狀態(tài)等。其中，國內(nèi)外學(xué)者針對曝氣器種類和填料填充率對MBBR氧轉(zhuǎn)移能力影響的研究較多，但這些研究多為小試和中試規(guī)模。同時，針對曝氣器類型影響的研究多為在單一類型曝氣系統(tǒng)（單獨(dú)穿孔曝氣或者單獨(dú)微孔曝氣）工況下進(jìn)行，但在實(shí)際生產(chǎn)性系統(tǒng)中，尤其是在污水處理廠改擴(kuò)建項(xiàng)目中，MBBR系統(tǒng)常采用聯(lián)合曝氣的形式，即多個穿孔曝氣系統(tǒng)和多個微孔曝氣系統(tǒng)同時運(yùn)行，而這些曝氣管道閥門的開啟度可能各不相同。曝氣量分配方式的不同會導(dǎo)致MBBR內(nèi)填料流化狀態(tài)的差異，進(jìn)而影響在此基礎(chǔ)上所開展試驗(yàn)的結(jié)果。因此，有必要首先探明實(shí)際MBBR系統(tǒng)中穿孔曝氣系統(tǒng)和微孔曝氣系統(tǒng)的最優(yōu)曝氣量分配方式；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究填料填充率對MBBR系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移效率（αSOTE）的影響，最終揭示在實(shí)際生產(chǎn)性系統(tǒng)復(fù)雜多相流態(tài)條件下MBBR系統(tǒng)的αSOTE變化規(guī)律。鑒于此，筆者首先以αSOTE作為評價(jià)指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化MBBR穿孔曝氣系統(tǒng)和微孔曝氣系統(tǒng)的曝氣量分配方式，確定每種類型曝氣系統(tǒng)的管道閥門開啟度；然后在最優(yōu)曝氣量分配方式下，測試當(dāng)填料填充率分別為28%、33%、38%、43%時MBBR沿程3個測點(diǎn)處72h的αSOTE變化；最后通過整池平均αSOTE評估填料填充率對MBBR氧轉(zhuǎn)移能力的影響，以期為MBBR的設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考。
1、材料與方法
1.1 青島某污水處理廠簡介
青島市某污水處理廠采用A/A/O+MBBR復(fù)合工藝，一期、二期、三期工程處理規(guī)模分別為9.5×104、11.0×104、4.5×104m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)期間污水廠進(jìn)出水水質(zhì)如下：進(jìn)水COD、NH4+-N、TN、TP、SS濃度分別為549~803、21.8~41.1、49.9~71.5、16.5~19.2、376~706mg/L，出水濃度分別為21~36、0.3~0.9、6.6~10.7、0.61~0.90、8~16mg/L。
試驗(yàn)在該污水處理廠二期某MBBR單元進(jìn)行，反應(yīng)器中裝載的填料類型為SPR-1，初始填料填充率為43%。二期工程原采用多模式A/A/O處理工藝，后采用MBBR技術(shù)對好氧池進(jìn)行提標(biāo)升級改造，因此保留了原推流式反應(yīng)器的長窄池型。試驗(yàn)單元的尺寸為27.5m×10.5m×6.0m（長×寬×高），長寬比為2.6∶1，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。MBBR試驗(yàn)單元的曝氣系統(tǒng)由微孔曝氣（OXYFLEX®MF650，德國）和穿孔曝氣（孔徑為5mm）組成，分別由3個微孔曝氣管道閥門、2個穿孔曝氣管道閥門和2個反沖洗管道閥門控制；進(jìn)水端的曝氣系統(tǒng)組成為1#微孔曝氣管和一部分1#穿孔曝氣管，中部區(qū)域的曝氣系統(tǒng)組成為2#微孔曝氣管、一部分1#穿孔曝氣管和一部分2#穿孔曝氣管，出水端的曝氣系統(tǒng)組成為3#微孔曝氣管、一部分2#穿孔曝氣管以及1#和2#反沖洗管。試驗(yàn)期間MBBR的平均進(jìn)水流量為811m3/h，內(nèi)、外回流比均為100%，反應(yīng)器內(nèi)的水流行進(jìn)流速約為36m/h，該流速在安全范圍內(nèi)，但高于該長寬比條件下的MBBR設(shè)計(jì)推薦值（<15m/h）。
1.2 曝氣系統(tǒng)氧轉(zhuǎn)移效率測試裝置與方法
試驗(yàn)采用的曝氣系統(tǒng)氧轉(zhuǎn)移效率測試方法為美國ASCE標(biāo)準(zhǔn)推薦的尾氣法，如圖2所示。尾氣法測試點(diǎn)位和MBBR池曝氣管道閥門分布見圖3。
試驗(yàn)采用的集氣罩為不銹鋼結(jié)構(gòu)，尺寸為1.1m×1.1m；集氣罩收集的氣體經(jīng)鋼絲軟管進(jìn)入氣體分析儀測定氣體成分；曝氣池內(nèi)的DO濃度采用哈希溶解氧探頭監(jiān)測，并通過SC1000八通道控制器采集數(shù)據(jù)。圖3中，1#、2#和3#集氣罩分別位于MBBR的進(jìn)水端、中部區(qū)域和出水端，測試相應(yīng)區(qū)域曝氣系統(tǒng)的αSOTE。
測試期間，在MBBR池面等距布設(shè)3套測試裝置，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，持續(xù)72h，分別計(jì)算各測點(diǎn)處的αSOTE，最終以3個測點(diǎn)的αSOTE平均值代表MBBR整池的αSOTE。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，首先計(jì)算測點(diǎn)處的氧轉(zhuǎn)移效率（αOTE），見式（1）；再對αOTE進(jìn)行修正，計(jì)算得到測點(diǎn)處的αSOTE，見式（2）。
式中：αOTE為實(shí)際污水條件下曝氣器的氧轉(zhuǎn)移效率，%；O2in為空氣中氧氣相對于氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)比值，%；O2out為尾氣中氧氣相對于氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù)比值，%。
式中：αSOTE為實(shí)際污水標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下曝氣器的氧轉(zhuǎn)移效率，%；Cs，20為20℃時清水的飽和溶解氧濃度，mg/L；β為鹽度修正系數(shù)；Cs，T為試驗(yàn)溫度下混合液的飽和溶解氧濃度，mg/L；Patm為試驗(yàn)溫度下的大氣壓，kPa；C為試驗(yàn)條件下混合液的溶解氧濃度，mg/L。
1.3 曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度優(yōu)化試驗(yàn)
在初始填料填充率（43%）條件下，采用正交試驗(yàn)對MBBR曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度進(jìn)行了優(yōu)化。正交試驗(yàn)的因素和水平（工況一~三）設(shè)置見表1。
1.4 MBBR填料填充率控制方法
填料填充率是MBBR系統(tǒng)重要的控制參數(shù)，過低的填料填充率不能滿足污水處理系統(tǒng)生化反應(yīng)的需要；過高的填料填充率不但會增加維持填料流化的曝氣能耗，還會增加填料在出水篩網(wǎng)處堵塞的幾率。為確定MBBR的最佳填料填充率，污水處理廠根據(jù)不同溫度下填料生物膜的硝化速率測試結(jié)果，在滿足反應(yīng)器硝化能力需要的前提下，最終確定將填料填充率降至33%。
采用打撈方式來調(diào)控MBBR的填料填充率。采用吊機(jī)懸掛網(wǎng)兜的方式對MBBR中的填料進(jìn)行打撈，打撈出的填料裝車運(yùn)走。在填料打撈過程中，首先將MBBR試驗(yàn)單元的填料填充率按照5%的遞減率由43%逐步降低到28%，然后再將其他MBBR單元中的填料采用填料泵（200m3/h）輸送到MBBR試驗(yàn)單元中，最終使得MBBR試驗(yàn)單元的填料填充率維持在33%左右。在MBBR試驗(yàn)單元的填料填充率由43%逐漸降至28%的過程中，采用尾氣法測定MBBR試驗(yàn)單元的整池平均αSOTE。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度的優(yōu)化
在填料填充率為43%的條件下，MBBR曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。采用直觀分析法對結(jié)果進(jìn)行分析，采用極差大小表征各因素水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響。由表2可知，各類型曝氣管道閥門開啟度對MBBR整池αSOTE影響程度的排序?yàn)椋?/span>1#穿孔管道>2#反沖洗管道>3#微孔管道>1#微孔管道>2#微孔管道>2#穿孔管道>1#反沖洗管道。結(jié)合曝氣系統(tǒng)在MBBR的分布情況來看，MBBR進(jìn)水端和出水端的曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度對MBBR整池αSOTE的影響程度大于中部區(qū)域。
由表2可知，當(dāng)MBBR進(jìn)水端的1#穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟后（開啟度為0~25.0°），該測點(diǎn)處的αSOTE由19.7%顯著降至12.1%。因此，為保證進(jìn)水端能保持較高的氧轉(zhuǎn)移效率，1#穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門建議關(guān)閉。分析原因，穿孔曝氣形成的氣泡較大，且比表面積較小，氣液接觸面積較小，因此當(dāng)穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度較大時，MBBR系統(tǒng)的氧轉(zhuǎn)移效率較低；同時，由于試驗(yàn)反應(yīng)器呈推流流態(tài)，水流帶動填料向出水端移動，在進(jìn)水端較強(qiáng)沖擊力的條件下，使得進(jìn)水區(qū)域的填料填充率降低。有研究表明，在低填料填充率條件下，填料對穿孔曝氣氧轉(zhuǎn)移效率提高的效果不明顯，因此推流式MBBR系統(tǒng)的進(jìn)水端不宜采用穿孔曝氣。而當(dāng)1#微孔曝氣閥門的開啟度增大至50.0°后，該測點(diǎn)的αSOTE相對較高（16.9%），因此1#微孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度應(yīng)適當(dāng)增大。
對于MBBR出水端的氣量分配，由表2可知，2#反沖洗管道和3#微孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度對整池αSOTE的影響較大，而1#反沖洗管道的影響較小。由均值變化規(guī)律可知，3#微孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度越大，整池αSOTE越高，但當(dāng)閥門開啟度為25.0°和50.0°時，整池αSOTE較為接近，為了減小曝氣量、降低能耗，確定3#微孔曝氣管道閥門開啟度為25.0°；而增大1#反沖洗管道閥門開啟度，整池αSOTE降低，增大2#反沖洗管道閥門開啟度，整池αSOTE先升高后降低，因此確定1#反沖洗管道閥門開啟度為25.0°、2#反沖洗管道閥門開啟度為37.5°。
對于MBBR中部區(qū)域的氣量分配，對比極差結(jié)果可知，1#穿孔曝氣管道閥門建議關(guān)閉，2#微孔曝氣管道閥門和2#穿孔曝氣管道閥門的開啟度對整池αSOTE的影響相對較��；對比均值結(jié)果可知，隨著曝氣管道閥門開啟度的減小，整池αSOTE增大，因此確定2#微孔曝氣管道閥門和2#穿孔曝氣管道閥門的開啟度均為12.5°。
綜上，由正交試驗(yàn)得到，在填料填充率為43%條件下，MBBR曝氣系統(tǒng)最優(yōu)曝氣閥門開啟度如下：1#微孔曝氣管道閥門為50.0°，2#微孔曝氣管道閥門為12.5°，3#微孔曝氣管道閥門為25.0°，1#穿孔曝氣管道閥門為0，2#穿孔曝氣管道閥門為12.5°，1#反沖洗管道閥門為25.0°，2#反沖洗管道閥門為37.5°�？芍�，MBBR反應(yīng)器進(jìn)水端、中部區(qū)域和出水端的曝氣量分配方式分別為中氣量、低氣量和高氣量。
在該高長寬比MBBR反應(yīng)器中以及高水流行進(jìn)流速試驗(yàn)條件下，當(dāng)采用正交試驗(yàn)推薦的曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度時，通過優(yōu)化MBBR的曝氣量分配方式，在反應(yīng)器中會形成兩個循環(huán)，即進(jìn)水端向中部區(qū)域的小循環(huán)和出水端向中部區(qū)域的大循環(huán)，使得填料可以在反應(yīng)器內(nèi)呈現(xiàn)良好的流化狀態(tài)，如圖4所示。在這種曝氣量分配方式下，由出水端的高氣量形成了向進(jìn)水端方向的肉眼可見的強(qiáng)大反推力，將出水端的活性污泥混合液連同填料一起反推向進(jìn)水端，使得反應(yīng)器的流態(tài)由推流流態(tài)變?yōu)榻橛谕屏魇胶屯耆旌鲜街g的流態(tài)，從而優(yōu)化了填料在反應(yīng)器內(nèi)的分布，同時避免了高長寬比MBBR反應(yīng)器在高水流行進(jìn)流速條件下填料在出水端堆積的問題。
因此當(dāng)MBBR填料填充率為43%時，本試驗(yàn)采用表2推薦的曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度。而在填料填充率為28%、33%、38%的條件下，考慮到填料填充率降低后出水端填料堆積的概率降低，以及穿孔曝氣管道閥門的開啟度對整池αSOTE起負(fù)面影響，試驗(yàn)中關(guān)閉了1#和2#穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門，同時加大微孔曝氣系統(tǒng)管道閥門的開啟度，具體的閥門開啟度情況如下：1#微孔曝氣管道閥門為50.0°，2#微孔曝氣管道閥門為12.5°，3#微孔曝氣管道閥門為100.0°，1#和2#穿孔曝氣管道閥門均為0，1#反沖洗管道閥門為25.0°，2#反沖洗管道閥門為37.5°。
2.2 MBBR系統(tǒng)的氧轉(zhuǎn)移能力測試結(jié)果
針對填料填充率為28%、33%、38%、43%條件下MBBR系統(tǒng)的αSOTE、DO和通氣量等參數(shù)，進(jìn)行了連續(xù)72h的測試，結(jié)果如圖5所示�？芍�，在不同填料填充率條件下，MBBR的αSOTE呈現(xiàn)周期性波動，即下午13：00—17：00時αSOTE較低，17：00以后αSOTE逐漸升高，到21：00之后αSOTE穩(wěn)定在較高值，然后從早上07：00左右αSOTE逐漸下降，至10：00左右穩(wěn)定在較低值。MBBR系統(tǒng)的αSOTE變化規(guī)律應(yīng)當(dāng)與污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)波動相關(guān)。Jiang等在實(shí)際污水處理廠建立了αSOTE和COD的關(guān)聯(lián)式，證明αSOTE和進(jìn)水COD具有良好的相關(guān)性。在不同填料填充率下，MBBR的αSOTE變化范圍不同，當(dāng)填料填充率為28%、33%、38%、43%時，αSOTE分別為25%~33%、26%~31%、21%~27%、15%~23%。
MBBR系統(tǒng)在高填料填充率下需要更大的曝氣量維持填料流化，同時反應(yīng)器內(nèi)DO濃度也較高。當(dāng)填料填充率為28%、33%、38%時，MBBR的通氣量基本維持在2000m3/h左右，DO濃度基本維持在1.0~2.5mg/L。而在填料填充率為43%條件下，為了維持良好的填料流化狀態(tài)，開啟了穿孔曝氣，使得曝氣量增至2200~3200m3/h，相應(yīng)的DO濃度升至2.5~5.0mg/L，這導(dǎo)致αSOTE降低。在填料填充率為43%條件下，若不開啟穿孔曝氣系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)水量增大時，填料容易在出水端篩網(wǎng)處堆積堵塞，給運(yùn)行帶來不便；而當(dāng)開啟穿孔曝氣系統(tǒng)后，則會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)曝氣量的大幅增高以及氧轉(zhuǎn)移效率的大幅下降。雖然有研究表明，在穿孔曝氣條件下，αSOTE隨填料填充率的增大而顯著增加，但在本試驗(yàn)中，由于總曝氣量較高，大氣泡間的并聚現(xiàn)象也很明顯，因此造成穿孔曝氣條件下反應(yīng)器的αSOTE較低。而當(dāng)填料填充率為28%、33%、38%時，由于反應(yīng)器主要采用的是微孔曝氣，降低了曝氣量，因此得到了較高的αSOTE。
2.3 填料填充率對MBBR氧轉(zhuǎn)移能力的影響
不同填料填充率條件下MBBR的αSOTE和DO濃度如圖6所示。
由圖6可知，在高長寬比MBBR反應(yīng)器和高水流行進(jìn)流速條件下，當(dāng)填料填充率分別為43%、38%、33%和28%時，MBBR的αSOTE平均值分別為19.3%、23.9%、29.5%、30.2%。當(dāng)填料填充率為28%和33%時，MBBR的αSOTE較為接近；當(dāng)填料填充率為33%時，整池αSOTE波動幅度相對較��；當(dāng)填料填充率為43%時，整池αSOTE波動幅度相對較大。同時，當(dāng)填料填充率由38%逐漸降至28%時，反應(yīng)器內(nèi)的DO平均濃度由1.3mg/L升至2.0mg/L左右；而當(dāng)填料填充率為43%時，由于MBBR的通氣量大幅增加，DO平均濃度高達(dá)3.6mg/L。因此，在優(yōu)化的曝氣工況下，隨著填料填充率由43%降至28%，曝氣量降低了33.4%，αSOTE提高了56.5%，并且大幅降低了高長寬比MBBR反應(yīng)器在高水流行進(jìn)流速條件下填料在出水端堆積的風(fēng)險(xiǎn)。
3、結(jié)論
①在高長寬比（2.6∶1）MBBR反應(yīng)器和高水流行進(jìn)流速（36m/h）試驗(yàn)條件下，通過正交試驗(yàn)得到曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度對MBBR整池αSOTE的影響大小排序?yàn)椋?/span>1#穿孔管道>2#反沖洗管道>3#微孔管道>1#微孔管道>2#微孔管道>2#穿孔管道>1#反沖洗管道。
②MBBR進(jìn)水端、中部區(qū)域、出水端的曝氣強(qiáng)度宜分別采用中氣量、低氣量、高氣量。在該曝氣量分配方式下，MBBR系統(tǒng)內(nèi)會形成兩個循環(huán)流態(tài)，可提高MBBR整池的αSOTE，同時優(yōu)化填料在反應(yīng)器內(nèi)的分布，解決高水流行進(jìn)流速條件下填料在出水端堆積的問題。
③在優(yōu)化的曝氣工況下，當(dāng)MBBR的填料填充率由43%依次降至38%、33%、28%時，αSOTE分別為19.3%、23.9%、29.5%、30.2%，DO濃度分別為3.6、1.3、1.5、2.0mg/L。優(yōu)化曝氣量分配后，將填料填充率由43%降至28%，MBBR系統(tǒng)的曝氣量降低了33.4%，αSOTE提高了56.5%，而且大幅降低了高長寬比MBBR反應(yīng)器在高水流行進(jìn)流速條件下填料在出水端堆積的風(fēng)險(xiǎn)。（來源：青島水務(wù)集團(tuán)，青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院城鎮(zhèn)污水處理與資源化國家地方聯(lián)合工程中心，青島市排水運(yùn)營服務(wù)中心）
