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，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，通過優化MBBR的曝氣量分配方式和填料填充率，進而優化MBBR內填料的流化狀態，在降低MBBR曝氣強度的同時，提高MBBR的氧轉移能力，對實現污水處理廠的節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（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中，尤其是在污水處理廠改擴建項目中，MBBR系統常采用聯合曝氣的形式，即多個穿孔曝氣系統和多個微孔曝氣系統同時運行，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系統中穿孔曝氣系統和微孔曝氣系統的最優曝氣量分配方式；在此基礎上，進一步研究填料填充率對MBBR系統標準氧轉移效率（αSOTE）的影響，最終揭示在實際生產性系統復雜多相流態條件下MBBR系統的αSOTE變化規律。鑒于此，筆者首先以αSOTE作為評價指標，通過正交試驗優化MBBR穿孔曝氣系統和微孔曝氣系統的曝氣量分配方式，確定每種類型曝氣系統的管道閥門開啟度；然后在最優曝氣量分配方式下，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的設計與優化運行提供數據支持和技術參考。

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、三期工程處理規模分別為9.5×104、11.0×104、4.5×104m3/d，出水水質執行《城鎮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；進水端的曝氣系統組成為1#微孔曝氣管和一部分1#穿孔曝氣管，中部區域的曝氣系統組成為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 曝氣系統氧轉移效率測試裝置與方法

試驗采用的曝氣系統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測，并通過SC1000八通道控制器采集數據。圖3中，1#、2#和3#集氣罩分別位于MBBR的進水端、中部區域和出水端，測試相應區域曝氣系統的αSOTE。

測試期間，在MBBR池面等距布設3套測試裝置，每分鐘采集一次數據，持續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。在對數據進行處理時，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比值，%；O2out為尾氣中氧氣相對于氮氣的物質的量分數比值，%。

式中：αSOTE為實際污水標準狀態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；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 曝氣系統管道閥門開啟度優化試驗

在初始填料填充率（43%）條件下，采用正交試驗對MBBR曝氣系統管道閥門開啟度進行了優化。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系統重要的控制參數，過低的填料填充率不能滿足污水處理系統生化反應的需要；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 曝氣系統管道閥門開啟度的優化

在填料填充率為43%的條件下，MBBR曝氣系統管道閥門開啟度優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。結合曝氣系統在MBBR的分布情況來看，MBBR進水端和出水端的曝氣系統管道閥門開啟度對MBBR整池αSOTE的影響程度大于中部區域。

由表2可知，當MBBR進水端的1#穿孔曝氣系統管道閥門開啟后（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管道閥門開啟度較大時，MBBR系統的氧轉移效率較低；同時，由于試驗反應器呈推流流態，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。由均值變化規律可知，3#微孔曝氣系統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曝氣系統最優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管道閥門開啟度時，通過優化MBBR的曝氣量分配方式，在反應器中會形成兩個循環，即進水端向中部區域的小循環和出水端向中部區域的大循環，使得填料可以在反應器內呈現良好的流化狀態，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，使得反應器的流態由推流流態變為介于推流式和完全混合式之間的流態，從而優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#穿孔曝氣系統管道閥門，同時加大微孔曝氣系統管道閥門的開啟度，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系統的αSOTE、DO和通氣量等參數，進行了連續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左右穩定在較低值。MBBR系統的αSOTE變化規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，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，當進水量增大時，填料容易在出水端篩網處堆積堵塞，給運行帶來不便；而當開啟穿孔曝氣系統后，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系統內會形成兩個循環流態，可提高MBBR整池的αSOTE，同時優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。優化曝氣量分配后，將填料填充率由43%降至28%，MBBR系統的曝氣量降低了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，青島理工大學環境與市政工程學院城鎮污水處理與資源化國家地方聯合工程中心，青島市排水運營服務中心）