摘要：采用两级纯膜MBBR工艺处理低基质河道水，研究了启动过程中生物膜的硝化性能，并同步分析了生物膜厚度、生物量及微生物种群变化情况。结果显示，在冬季最不利水温条件下不接种污泥直接原水启动，经过10d系统调试成功，出水氨氮稳定达标，一、二级MBBR区出水氨氮分别为（1.35±0.38）、（0.43±0.15）mg/L，硝化负荷分别为（0.182±0.026）、（0.066±0.020）kg/（m3·d），系统氨氮去除率达到（88.98±3.03）%，同时，系统具有一定的COD去除能力；启动过程中，负荷增长至第14天达到稳定，生物膜的生物量于第28天达到稳定，一、二级MBBR区的生物量分别为（2.66±0.36）、（2.14±0.19）g/m2，生物膜厚度分别达到（197±23）、（157±17）μm；生物膜负荷具有一定余量，能够抵抗进水负荷冲击。启动阶段，生物膜物种丰富度于第21天基本达到稳定，一级生物膜的物种丰富度、物种分布均匀程度高于二级生物膜，具有更高的物种多样性；生物膜中优势微生物主要有Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium、Pedobacter等，其中硝化菌属Nitrospira在一、二级生物膜中的相对丰度分别达到8.48%～13.60%、6.48%～9.27%，Nitrosomonas的相对丰度分别达到2.89%～5.64%、0.00%～3.48%，而Hyphomicrobium和Pedomicrobium等菌属的存在可能与进水中芳香烃类DOM的转化有关。

微污染水，即受到轻度污染的自然水体，其物理、化学和微生物指标已不能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的要求，多数情况涉及氨氮和CODMn的微量污染。由于其污染浓度不高，水质指标一般低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级B或一级A标准限值，若采用传统方法处理难以有效富集活性污泥，因此多采用生物膜法处理。移动床生物膜反应器（MBBR）在污水处理领域应用广泛，其在微污染水领域的应用亦受到关注。与市政污水应用的MBBR形式不同，微污染水处理基于生物膜，称之为纯膜MBBR工艺。笔者针对MBBR工艺应用于河道水脱氨的工程效果，研究了启动和运行阶段悬浮载体的硝化性能及其生物膜生物量和微生物组成的变化，以弥补MBBR工艺处理微污染水启动过程研究的缺失，为MBBR应用于微污染水处理提供理论和调试依据。

1 应用工程简介

广东某水质净化厂，设计水量为260×104m3/d，处理对象为微污染河道水，共分为两期，水量均为130×104m3/d。水厂原处理工艺为单级混凝工艺，对进水中的TP、SS、COD去除效果较好，但对氨氮几乎没有处理能力；为响应政府治理河道水的号召，强化水厂对氨氮的处理能力，采用纯膜MBBR对水厂进行改造，切割39%的混凝沉淀区并镶嵌MBBR工艺包形成MBBR区，MBBR区设置两级工艺，池体中间设置拦截筛网，将悬浮载体固定于各池体内。MBBR区的悬浮载体填充率为40%，投加的悬浮载体类型为SPR-Ⅲ型，材质为高密度聚乙烯（HDPE），载体直径为（25±0.5）mm，高为（10±1）mm，有效比表面积>800m2/m3，附着生物膜后密度与水接近，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体填料》（CJ/T 461—2014）行业标准的要求。MBBR区设置穿孔和微孔曝气，穿孔曝气保证悬浮载体的流化，微孔曝气保证MBBR系统供氧。MBBR区的设计气水比最大为2.0。

改造前后水厂的主要工艺流程见图1。设计进水COD、BOD5、TP、SS分别为40、15、1.5、60mg/L，设计出水浓度分别为30、7、1、50mg/L。对氨氮的处理要求与进水水质相关，当进水氨氮≥6mg/L时，系统对氨氮的去除量需大于5mg/L；当进水氨氮为3～6mg/L时，系统对氨氮的去除率不得低于84%；当进水氨氮<3mg/L时，要求出水氨氮<0.5mg/L。

系统采用原水启动，于2020年11月5日完成悬浮载体的投加，以一期工程（130×104m3/d）为研究对象，系统运行至12月21日时，其间日处理水量均值为（135.89±9.06）×104m3/d，其中处理水量超过设计值的天数为34d，占比超过70%，最大日处理水量达到了149×104m3/d。实际运行的气水比为1.0～1.7，MBBR区水温维持在18～24℃；一、二级MBBR区溶解氧自启动开始至出水水质达标，分别由8.5、9.3mg/L降至5.6、7.6mg/L，并在后续稳定运行期维持在（5.30±0.68）mg/L和（8.07±0.79）mg/L。

系统采用原水启动，于2020年11月5日完成悬浮载体的投加，以一期工程（130×104m3/d）为研究对象，系统运行至12月21日时，其间日处理水量均值为（135.89±9.06）×104m3/d，其中处理水量超过设计值的天数为34d，占比超过70%，最大日处理水量达到了149×104m3/d。实际运行的气水比为1.0～1.7，MBBR区水温维持在18～24℃；一、二级MBBR区溶解氧自启动开始至出水水质达标，分别由8.5、9.3mg/L降至5.6、7.6mg/L，并在后续稳定运行期维持在（5.30±0.68）mg/L和（8.07±0.79）mg/L。

2 结果与讨论

2.1 纯膜MBBR对微污染水的处理效果

研究期间MBBR系统对氨氮的去除效果如图2所示。以单一断面所采集水样的混合样品数据进行分析。进水氨氮浓度为（3.85±0.44）mg/L，悬浮载体投加后的2d内，一、二级MBBR区的氨氮去除率均在3%以下，系统的氨氮平均去除率仅为1.9%；随着悬浮载体挂膜时间的延长，MBBR区对氨氮的去除率迅速升高，并且在悬浮载体投加完成后的第10天达到了84%，出水氨氮浓度达到了设计标准；之后，一、二级MBBR区出水氨氮分别为（1.35±0.38）、（0.43±0.15）mg/L，系统对氨氮的去除率达到（88.98±3.03）%。尽管系统长期处于超负荷运行状态，但出水氨氮浓度依旧能够稳定达标，反映出MBBR系统对水量冲击有较强的抵抗能力。

根据一、二级MBBR池进出水水质核算其实际的硝化负荷，结果如图3所示。悬浮载体投加后的2d内，两级MBBR区的硝化负荷（以N计，下同）均低于0.01kg/（m3·d），系统的总硝化负荷不足0.005kg/（m3·d）；随着悬浮载体挂膜效果的改善，两级MBBR区的硝化负荷呈现快速上升趋势，并于悬浮载体投加后的第10天分别达到了0.226、0.031kg/（m3·d），总硝化负荷为0.129kg/（m3·d）；此后，一、二级MBBR区的硝化负荷分别为（0.182±0.026）、（0.066±0.020）kg/（m3·d），总硝化负荷达到了（0.124±0.017）kg/（m3·d），整体运行较为稳定。

系统运行期间，一级MBBR的硝化负荷始终高于二级MBBR。该现象与周正兴等人的研究结果较为类似，其在六级MBBR处理微污染河道水的工程应用中，核算得到沿程各级悬浮载体的硝化负荷呈现逐级递减的趋势。对比发现，在两个项目二级MBBR区硝化负荷相差较小[0.005 kg/（m3·d）]的情况下，本项目的一级MBBR的硝化负荷更高且较二级MBBR高出了近5倍，分析原因，相对较高的进水基质浓度和流量使得本项目中一级MBBR区的进水负荷较高，进而强化了其硝化能力。另外，本项目中一、二级MBBR的硝化负荷均高于徐斌等人研究中的硝化负荷[0.057 kg/（m3·d）]。一方面，本项目中所用的悬浮载体有效比表面积高达800m2/m3，远超过徐斌等人研究中的100 m2/m3；另一方面，本项目的进水氨氮浓度更高，悬浮载体附着的微生物生长所需基质更加充足，致使硝化性能更强。水远敏等人利用MBBR工艺深度处理大连某石化企业二级处理出水，发现在进水氨氮<1mg/L条件下，当运行水量由原先的1.44×104m3/d提升至3×104m3/d时，系统的氨氮去除容积负荷由0.046 kg/（m3·d）提升至0.144 kg/（m3·d），可以看出，实际工程应用中由于处理水量和水质的差异而导致的进水负荷变化能够明显影响系统的硝化负荷。

TP和SS在改造前即可通过原混凝沉淀池去除，改造后，沉淀池停留时间虽有所降低，但仍可满足对TP及SS的去除要求。研究期间，在进水SS和TP分别为（34.35±12.33）、（0.23±0.07）mg/L的条件下，出水SS和TP分别为（10.06±5.90）、（0.08±0.04） mg/L，稳定优于设计出水水质标准，其中，MBBR区进水SS为（7.82±1.64）mg/L，结合出水SS核算MBBR区的污泥产量（以干泥计）为（0.020±0.007）t/104 m3。

本项目的实际进水COD浓度较低，并非重点控制指标，但为研究MBBR系统对低浓度COD的降解效果，测定了沿程COD浓度变化。结果显示，自出水氨氮达标后，MBBR区进水、一级出水、二级出水COD浓度分别为（7.36±1.20）、（7.04±1.21）、（6.87±1.17）mg/L， COD去除率为（6.80±1.68）%。DOM荧光数据的分峰结果如图4所示。

进水中仅出现2个荧光峰，其中组分A的峰位置为λEx/λEm=240nm/370nm，为类芳香烃蛋白类物质，而组分B的峰位置为λEx/λEm=280nm/320nm，为高激发波长色氨酸，属于类蛋白物质；出水中出现5个荧光峰，其中组分C（λEx/λEm=230nm/370nm）和组分D（λEx/λEm=240nm/380nm）均为类芳香烃蛋白类物质，组分E（λEx/λEm=340nm/420nm）和组分F（λEx/λEm=340nm/425nm）为可见光区富里酸，而组分G（λEx/λEm=300nm/360nm）则属于生化过程中产生的色氨酸。可见，过低的进水COD浓度导致系统COD去除率不高，但进出水中的DOM组分却存在一定差异，且出水DOM类型更加丰富；另外，进水中主要为类芳香烃蛋白类与色氨酸类物质，而出水相比进水增加了类富里酸类物质，可能是因为进水中的DOM参与了生化反应，导致了组分的变化。