移動床生物膜反應器（MBBR）因具有處理負荷高、抗沖擊能力強、占地面積少等優(yōu)點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度來維持填料流化狀態(tài)，導致其運行能耗相對較高。因此，在滿足污染物處理負荷的前提下，通過優(yōu)化MBBR的曝氣量分配方式和填料填充率，進而優(yōu)化MBBR內填料的流化狀態(tài)，在降低MBBR曝氣強度的同時，提高MBBR的氧轉移能力，對實現(xiàn)污水處理廠的節(jié)能降耗具有重要意義。
MBBR氧轉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，國內外學者針對曝氣器種類和填料填充率對MBBR氧轉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)（單獨穿孔曝氣或者單獨微孔曝氣）工況下進行，但在實際生產性系統(tǒng)中，尤其是在污水處理廠改擴建項目中，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致MBBR內填料流化狀態(tài)的差異，進而影響在此基礎上所開展試驗的結果。因此，有必要首先探明實際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；在此基礎上，進一步研究填料填充率對MBBR系統(tǒng)標準氧轉移效率（αSOTE）的影響，最終揭示在實際生產性系統(tǒng)復雜多相流態(tài)條件下MBBR系統(tǒng)的αSOTE變化規(guī)律。鑒于此，筆者首先以αSOTE作為評價指標，通過正交試驗優(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，測試當填料填充率分別為28%、33%、38%、43%時MBBR沿程3個測點處72h的αSOTE變化；最后通過整池平均αSOTE評估填料填充率對MBBR氧轉移能力的影響，以期為MBBR的設計與優(yōu)化運行提供數(shù)據(jù)支持和技術參考。
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，出水水質執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準。試驗期間污水廠進出水水質如下：進水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。
試驗在該污水處理廠二期某MBBR單元進行，反應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技術對好氧池進行提標升級改造，因此保留了原推流式反應器的長窄池型。試驗單元的尺寸為27.5m×10.5m×6.0m（長×寬×高），長寬比為2.6∶1，其結構如圖1所示。MBBR試驗單元的曝氣系統(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。試驗期間MBBR的平均進水流量為811m3/h，內、外回流比均為100%，反應器內的水流行進流速約為36m/h，該流速在安全范圍內，但高于該長寬比條件下的MBBR設計推薦值（<15m/h）。
1.2 曝氣系統(tǒng)氧轉移效率測試裝置與方法
試驗采用的曝氣系統(tǒng)氧轉移效率測試方法為美國ASCE標準推薦的尾氣法，如圖2所示。尾氣法測試點位和MBBR池曝氣管道閥門分布見圖3。
試驗采用的集氣罩為不銹鋼結構，尺寸為1.1m×1.1m；集氣罩收集的氣體經(jīng)鋼絲軟管進入氣體分析儀測定氣體成分；曝氣池內的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的進水端、中部區(qū)域和出水端，測試相應區(qū)域曝氣系統(tǒng)的αSOTE。
測試期間，在MBBR池面等距布設3套測試裝置，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，持續(xù)72h，分別計算各測點處的αSOTE，最終以3個測點的αSOTE平均值代表MBBR整池的αSOTE。在對數(shù)據(jù)進行處理時，首先計算測點處的氧轉移效率（αOTE），見式（1）；再對αOTE進行修正，計算得到測點處的αSOTE，見式（2）。
式中：αOTE為實際污水條件下曝氣器的氧轉移效率，%；O2in為空氣中氧氣相對于氮氣的物質的量分數(shù)比值，%；O2out為尾氣中氧氣相對于氮氣的物質的量分數(shù)比值，%。
式中：αSOTE為實際污水標準狀態(tài)條件下曝氣器的氧轉移效率，%；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為試驗溫度下混合液的飽和溶解氧濃度，mg/L；Patm為試驗溫度下的大氣壓，kPa；C為試驗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
在初始填料填充率（43%）條件下，采用正交試驗對MBBR曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度進行了優(yōu)化。正交試驗的因素和水平（工況一~三）設置見表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果，在滿足反應器硝化能力需要的前提下，最終確定將填料填充率降至33%。
采用打撈方式來調控MBBR的填料填充率。采用吊機懸掛網(wǎng)兜的方式對MBBR中的填料進行打撈，打撈出的填料裝車運走。在填料打撈過程中，首先將MBBR試驗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試驗單元中，最終使得MBBR試驗單元的填料填充率維持在33%左右。在MBBR試驗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試驗單元的整池平均αSOTE。
2、試驗結果與分析
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)化的正交試驗結果如表2所示。采用直觀分析法對結果進行分析，采用極差大小表征各因素水平對試驗結果的影響。由表2可知，各類型曝氣管道閥門開啟度對MBBR整池αSOTE影響程度的排序為：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。結合曝氣系統(tǒng)在MBBR的分布情況來看，MBBR進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MBBR進水端的1#穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟后（開啟度為0~25.0°），該測點處的αSOTE由19.7%顯著降至12.1%。因此，為保證進水端能保持較高的氧轉移效率，1#穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門建議關閉。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，因此當穿孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度較大時，MBBR系統(tǒng)的氧轉移效率較低；同時，由于試驗反應器呈推流流態(tài)，水流帶動填料向出水端移動，在進水端較強沖擊力的條件下，使得進水區(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移效率提高的效果不明顯，因此推流式MBBR系統(tǒng)的進水端不宜采用穿孔曝氣。而當1#微孔曝氣閥門的開啟度增大至50.0°后，該測點的αSOTE相對較高（16.9%），因此1#微孔曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度應適當增大。
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，對比極差結果可知，1#穿孔曝氣管道閥門建議關閉，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的影響相對較小；對比均值結果可知，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°。可知，MBBR反應器進水端、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反應器中以及高水流行進流速試驗條件下，當采用正交試驗推薦的曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度時，通過優(yōu)化MBBR的曝氣量分配方式，在反應器中會形成兩個循環(huán)，即進水端向中部區(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器內呈現(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水端方向的肉眼可見的強大反推力，將出水端的活性污泥混合液連同填料一起反推向進水端，使得反應器的流態(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)化了填料在反應器內的分布，同時避免了高長寬比MBBR反應器在高水流行進流速條件下填料在出水端堆積的問題。
因此當MBBR填料填充率為43%時，本試驗采用表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起負面影響，試驗中關閉了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)的氧轉移能力測試結果
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)，進行了連續(xù)72h的測試，結果如圖5所示。可知，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)律應當與污水處理廠進水水質波動相關。Jiang等在實際污水處理廠建立了αSOTE和COD的關聯(lián)式，證明αSOTE和進水COD具有良好的相關性。在不同填料填充率下，MBBR的αSOTE變化范圍不同，當填料填充率為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，同時反應器內DO濃度也較高。當填料填充率為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，相應的DO濃度升至2.5~5.0mg/L，這導致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)，當進水量增大時，填料容易在出水端篩網(wǎng)處堆積堵塞，給運行帶來不便；而當開啟穿孔曝氣系統(tǒng)后，則會導致反應器內曝氣量的大幅增高以及氧轉移效率的大幅下降。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器的αSOTE較低。而當填料填充率為28%、33%、38%時，由于反應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反應器和高水流行進流速條件下，當填料填充率分別為43%、38%、33%和28%時，MBBR的αSOTE平均值分別為19.3%、23.9%、29.5%、30.2%。當填料填充率為28%和33%時，MBBR的αSOTE較為接近；當填料填充率為33%時，整池αSOTE波動幅度相對較小；當填料填充率為43%時，整池αSOTE波動幅度相對較大。同時，當填料填充率由38%逐漸降至28%時，反應器內的DO平均濃度由1.3mg/L升至2.0mg/L左右；而當填料填充率為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反應器在高水流行進流速條件下填料在出水端堆積的風險。
3、結論
①在高長寬比（2.6∶1）MBBR反應器和高水流行進流速（36m/h）試驗條件下，通過正交試驗得到曝氣系統(tǒng)管道閥門開啟度對MBBR整池αSOTE的影響大小排序為：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進水端、中部區(qū)域、出水端的曝氣強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)化填料在反應器內的分布，解決高水流行進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反應器在高水流行進流速條件下填料在出水端堆積的風險。（來源：青島水務集團，青島理工大學環(huán)境與市政工程學院城鎮(zhèn)污水處理與資源化國家地方聯(lián)合工程中心，青島市排水運營服務中心）
