低温环境是西藏自治区污水处理工作面临的重大挑战。西藏某污水处理厂原设计处理规模为 9 000 m3/d，采用 AAO 工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级 B 标准。通过升级改造和扩建，处理规模达到 15 000 m3/d，改造为 AAO+MBBR 的生化工艺，深度处理采用磁混凝工艺。改造完成后，在进水水温低于5 ℃、且加温不足 5 ℃情况下，出水依然稳定达到一级 A 标准。其中，NH4+-N 主要在 MBBR区去除，TN 主要在厌/缺氧区去除；本项目出现了反硝化除磷现象，其占生物除磷的 29.6%；载体生物膜的微生物丰富度和多样性指数高于活性污泥；1 级和 2 级悬浮载体上硝化菌属的相对丰度分别为 2.86%和 3.76%，高于活性污泥的 0.13%，这使得悬浮载体的 NH4+-N 去除能力强于活性污泥，为西藏严寒气候下 MBBR 强化 NH4+-N 去除奠定了微生物学基础。除磷菌属更加倾向于在活性污泥中富集，并表现出相对丰度高于生物膜的现象。本项目的直接运行成本为 0.473 元/m3，且运行稳定，可为 MBBR 在西藏高寒污水厂的应用提供借鉴。

［关键词］

          MBBR；悬浮载体；西藏；严寒气候；硝化菌；反硝化除磷

 

          中国土地广袤，涵盖地貌众多，不同的环境和文化导致各地的发展差异。西藏自治区位于青藏高原，平均海拔 4 000 m 以上，地势险峻，是亚洲众多大江大河的发源地，环保意义重大。近年来，西藏的城镇化进程使基础设施逐步完备，污水处理行业也蓬勃发展。据相关统计，西藏已建的典型污水厂多采用活性污泥工艺。然而，伴随着污水排放标准的提高，传统的活性污泥法污染物负荷低、占地面积大、抗冲击性差的缺点凸显。与此同时，高海拔造就了较低的水温，会对活性污泥中的微生物产生不利影响，加大了西藏地区污水治理的难度。此外，西藏地区山地遍布，居民生活区域狭窄，占地极度短缺。因此，需要采用高效紧凑型污水处理工艺，以实现低占地条件下的高效处理。

         移动床生物膜反应器（MBBR）依靠悬浮载体在池体当中的充分流动，强化污水处理系统的效能。该工艺在 2008 年首次被成功应用于国内大型市政污水厂的升级改造，为其在国内的进一步推广提供了技术支撑。MBBR 工艺的污染物负荷高，抗冲击性强，对于水质水量的波动具有极强的抵抗性。众多工程案例的成功实施，充分证实了 MBBR 工艺对于低温环境的良好耐受性，特别适用于国内外寒冷区域，为 MBBR 工艺在西藏地区的应用奠定了实践基础。此外，从实施的角度，MBBR 工艺适于原池改造，土建少，工程周期短。

        在降低建设成本的同时，MBBR 工艺与原污水处理工艺契合度高，操作灵活，运维方便。目前，MBBR 工艺已在国内得到广泛研究和应用，然而在西藏高海拔地区的研究和应用较少。

1      材料与方法

1.1    项目介绍

         某污水处理厂地处西藏澜沧江畔，2009 年下半年投入试运行。该项目原出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级 B 标准，出水排入澜沧江。原处理工艺：粗格栅—细格栅—曝气沉砂池—初沉池—AAO 工艺—二沉池。为发展当地特色旅游业，加快构建高原生态屏障，提高污水处理的水质标准势在必行。要求将出水水质提升至 GB 18918—2002 中的一级 A 甚至更严的排放标准。

         随着当地城区规模的迅速发展、人口和用水量的持续增加，污水排放量也逐步上升，目前的污水处理规模已无法满足要求，需对其进行提标改造。具体设计水质如表 1 所示。

        

        改扩建后的工艺流程：粗格栅—细格栅—曝气沉砂池—事故调节池及水温提升系统—AAO+MBBR—二沉池—磁混凝—紫外消毒。由于西藏地区地形所限，厂区占地狭长，主要的污水处理单元呈沿江分布的态势，改造后厂区布局如图 1 所示。

       
     

        本厂出水最终排放至澜沧江。一期工程生物池的处理水量由 9 000 m3/d 调整为 5 000 m3/d，新建的二期工程生物池的处理水量为 10 000 m3/d，一期和二期工程合计处理水量为 15 000 m3/d。一期生物池车间的平面尺寸 44.95 m×16.7 m，有效水深 6 m；新建二期生物池车间的平面总尺寸为 74.0 m×17.5m，有效水深 6 m。本次新建二期生物池主要设备包括厌氧区和缺氧区潜水搅拌器各 6 台、混合液回流泵 4 台和潜污泵 2 台。

         该项目地处山城，有澜沧江流过，占地面积极为紧缺，扩建用地有限；鉴于该项目海拔高，长期的低温环境也对本项目产生了挑战。经综合考量，本工程将 MBBR 技术嵌入生物池当中，既提高系统污染物的去除性能，又增强系统的耐低温性。原有二沉池的平面尺寸为42.3 m×16.7 m，深 5.3 m；此次改造，二沉池土建结构不变，拆除现状螺杆泵，更换为潜污泵，新增剩余污泥泵和污泥回流泵，使剩余污泥泵和污泥回流泵均为 2 用 1 备。新建深度处理车间包括磁混凝工艺车间、紫外消毒间及巴士计量渠，建筑尺寸 23.30 m×16.20 m×6.40 m。

          磁混凝工艺车间用于去除二沉池出水中的悬浮物，使出水清澈，包含快速混合池、絮凝反应池、沉淀池三部分，均为钢筋混凝土结构；包括混凝搅拌器 2 台、絮凝搅拌机 6 台、储泥池搅拌机 1 台、磁分离机 2 台、剩余污泥泵 2 台、回流污泥泵 4 台。紫外消毒间内设有紫外线消毒设备 1 套，自动水位控制器 1 套。鼓风机房平面尺寸为 27.6 m×9.0 m，高 7.5 m，本次改造土建结构保持不变，更换原有的罗茨鼓风机为多级离心鼓风机，并新增多级离心鼓风机1 台，形成 3 用 1 备的运行方式；鼓风机的单机风量为 2 887 m3/h，风压 75 kPa。在本项目的实施过程中，对于原有的一期工程，将原 AAO 池体的一部分好氧池改造为缺氧池，强化系统对污染物质的处理效果。二期扩建工程的生物池工艺流程与一期改造工程相一致，即 AAO+MBBR〔图 1（b）〕。在改造后各组池体的好氧区投加悬浮载体，并设置进出水拦截系统、辅助穿孔曝气系统，既不额外增加供气量，又能够使悬浮载体在固定区域充分流化并发挥作用，防止悬浮载体的流失，提高系统容积负荷。一期和二期工程中，好氧区均有 3 条廊道，悬浮载体被投加在好氧区前 2 廊道，所用悬浮载体的有效比表面积超过1200 m2/m3。悬浮载体由高密度聚乙烯制成，直径为 36 mm，池体中的填充率为 17%。由于本工程厂区建设用地较为紧张，因此拆除占地较大的现状初沉池，并在原址新建事故调节水池及水温提升装置车间。

1.2   沿程测定

        通过沿程测定反映污染物在系统中的去除过程，取样地点分别为沉砂池末端、厌氧池末端、缺氧池末端、1 级 MBBR 末端、2 级 MBBR 末端、好氧池末端。沿程样品均为 3 次混合样，3 次取样的时间间隔为 3~4 h。所有样品均经过沉淀后取上清液。

1.3   小试试验

        通过小试呈现悬浮载体和活性污泥在硝化上的性能差异。该小试分为 3 组，其中活性污泥实验组直接取自缺氧池末端的泥水混合液；而对 1 级 MBBR 和 2 级 MBBR 的实验组，其用水均为缺氧池末端泥水混合液的沉淀上清液，其悬浮载体则分别取自 1 级 MBBR 区域和2 级 MBBR 区域。本项目硝化小试的污泥浓度和悬浮载体填充率均与实际池体中保持一致，并在小试开始之前投加少量氯化铵，提高起始 NH4+-N 浓度，突显污泥和生物膜的硝化功能。

        小试通过小型曝气机为 3 组实验组提供氧气，取样时间分别为曝气开始的第 0、30、60、90和 120 min。

1.4    微生物群落分析

         本项目以高通量测序测定悬浮载体和活性污泥中的微生物群落。其中，活性污泥样品为生化池的过滤污泥，悬浮载体生物膜样品则分别刮取自 1 级 MBBR 和 2 级 MBBR 中的悬浮载体。高通量的具体测定方法与 Zhiwei LI 等的报道相一致。

2      结果与讨论

2.1   运行效果分析

        在该项目正常运行后，对 2022 年 1 月至 3 月数据进行统计，其进水水温仅为 2.9~5.0 ℃，为一年内水温最低时刻，可见极寒天气是对西藏地区污水处理厂运行的重要考验。在本阶段，通过开启水温提升车间的污水源热泵虽然能够一定程度上提高水温，但升温不足 5 ℃。本阶段，在进水 COD、NH4+-N、TN、TP 和 SS 分别为 126~495、3.8~41.2、7.0~45.0、0.42~1.79和 28~67 mg/L 的情况下，出水能够分别达到 9~47、0.2~4.5、1.1~14.0、0.07~0.48 和 2~8 mg/L，出水稳定达标，表明该项目具备足够的耐低温性。

2.2    沿程测定

        本项目通过测定沿程 NH4+-N、TN 和 TP，分析池体中污染物的处理效果，沿程污染物浓度的变化见图 2。项目稳定运行期，与进水量相比，生物池体当中污泥回流和硝化液回流的比例分别设置在 70%和 200%。因此，设置进水流量为 Q，则在厌氧池内的总流量为 1.7Q，缺、好氧池内总流量 3.7Q。

         

        如图 2（a）所示，当沉砂池出水 NH4+-N 为 22.5 mg/L 时，在系统污泥回流和硝化液回流的稀释作用下，NH4+-N 在厌氧和缺氧出水的质量浓度分别为 14.1 和 7.7 mg/L，无 NH4+-N 的显著去除。经过 1 级 MBBR、2 级 MBBR 和无悬浮载体的好氧廊道处理后，污水中 NH4+-N 分别下降到 5.5、2.7 和 2.3 mg/L。将回流的影响计算在内，对于 1 级 MBBR、2 级 MBBR 和无悬浮载体的好氧廊道，其 NH4+-N 的去除率分别达到 36.2%、46.0%和 6.6%。

         MBBR区的NH4+-N去除率显著高于无悬浮载体的好氧区，表明系统中NH4+-N主要在MBBR区去除，直接证明悬浮载体具有强化 NH4+-N 处理的功能。与此同时，2 级 MBBR 区域的NH4+-N 去除率略高于 1 级 MBBR，表明在悬浮载体含量和污泥浓度一致的情况下，2 级MBBR 具备了强于 1 级 MBBR 的 NH4+-N 去除性能。Zhiwei LI 等研究表明，在两级串联的 MBBR 系统中，1 级和 2 级 MBBR 的 NH4+-N 去除性能往往存在差异，该结果是由于两级 MBBR 之间有机物浓度梯度所引起。当沉砂池的 TN 为 31.2 mg/L 时，污水经过厌氧区、缺氧区、1 级 MBBR 区、2 级 MBBR 区和无悬浮载体的好氧廊道之后，TN 分别下降到 19.3、10.5、10.3、10.2 和 10.0 mg/L，TN 去除率分别达到 17.3%、44.7%、2.4%、1.2%和 2.4%。

         在本项目的进水有机物较为充足的情况下，厌缺氧区的 TN 去除率合计 62%，远高于好氧区，且缺氧区出水的 TN 浓度能够稳定达到设计标准，表明该系统具备稳定的 TN 去除性能，厌缺氧区充分保证了系统出水 TN 的达标排放。

         沿程 TP 的浓度变化如图 2（b）所示，当沉砂池的 TP 为 1.02 mg/L 时，厌氧区出水的TP 提高至 1.61 mg/L，在考虑回流的情况下，释磷比为 151.2%，表明厌氧释磷充分，为后续磷的吸收奠定了的基础。在缺氧区、1 级 MBBR、2 级 MBBR 和无悬浮载体的好氧区，TP分别降低至 0.69、0.35、0.28 和 0.25 mg/L，TP 的去除率分别为 67.1%、123.3%、25.4%和10.9%。其中，TP 在缺氧区的去除，表明反硝化吸磷效果的存在。反硝化吸磷“一碳两用”的优势，可以在一定程度上保障生物除磷的效果〔7〕。而 MBBR 区和无悬浮载体的好氧区，TP 去除率合计为 159.6%。本项目反硝化除磷和常规好氧吸磷占生物除磷的比例分别为 29.6%和 70.4%。好氧吸磷的占比远超缺氧区，表明该项目出现了反硝化除磷的现象，但生物除磷依然是以好氧吸磷为主。

2.3   硝化小试

        基于悬浮载体在本项目中的关键作用，通过硝化小试对悬浮载体的 NH4+-N 去除性能进行评价（图 3）。

          

        在本项目中，因好氧区前 2 个廊道中均投加了悬浮载体，而沿程数据也能够识别其 NH4+-N 去除的差异性，所以测定活性污泥的以及 1 级和 2 级 MBBR 中悬浮载体的 NH4+-N 去除性能。如图 3 所示，随着反应时间由 0 增加至 120 min，活性污泥、1 级悬浮载体和 2 级悬浮载体使 NH4+-N 分别由 15.9、15.9 和 16.5 mg/L 下降至 14.2、8.2 和 7.5 mg/L，表明悬浮载体的 NH4+-N 去除能力强于活性污泥，而 2 级悬浮载体的 NH4+-N 去除能力略强于 1 级，该结果与沿程 NH4+-N 浓度的变化趋势相一致。对活性污泥而言，经过 120 min 后，NH4+-N 仅下降 1.7 mg/L，表明在当前低温的情况下，活性污泥的 NH4+-N 去除能力受到了抑制。相比于活性污泥，悬浮载体在 NH4+-N 去除方面极具优势，且在西藏极寒气候下，优势更加明显。

          通常而言，悬浮载体上生物膜的污泥龄高于悬浮态的活性污泥，悬浮载体的嵌入为长污泥龄的硝化菌属提供了更加优异的繁殖环境，这是悬浮载体提高硝化菌属丰度的生物学基础。

          在有机物较充足时，硝化菌属在与异养菌的竞争当中处于劣势，硝化菌属在有机物浓度较低时才能够充分展现其作用。在两级 MBBR 的工程设计中，1 级 MBBR 往往更倾向于去除有机物，而 2 级 MBBR 则更倾向于去除 NH4+-N，这也是造成本项目当中 1 级和 2 级悬浮载体 NH4+-N 去除性能差异的原因。

2.4    微生物群落分析

         污水厂的实际运行效果与工艺系统中的微生物关系密切。在本项目中，由于活性污泥和悬浮载体共存，为从微观角度为高原寒冷区域污水厂设计和运行提供借鉴，因此以高通量测序揭示污泥和悬浮载体上微生物的多样性和群落组成差异。

          

        表 2 呈现了悬浮载体和活性污泥中微生物的丰富度和多样性指数。由表 2 可知，3 组样品的 Good’s Coverage 指数均高于 0.99，表明此次高通量测序能够充分反映样品中的微生物结构。Chao1 指数是用于体现样品微生物丰富度的常用参数，Shannon 指数是体现样品微生物多样性的常用参数。悬浮载体的 Chao1 指数和 Shannon指数高于活性污泥，表明在当前进水条件下，生物膜的微生物丰富度和多样性高于活性污泥。

          通常而言，低温环境对活性污泥中微生物丰富度和多样性均会造成不利的影响。但悬浮载体的加入能够改善系统的微生物种群，这是 MBBR 工艺提高系统性能的基础。2 级悬浮载体的 Chao1 和 Shannon 指数高于 1 级悬浮载体，该结果可能是与极低温时污染物在系统当中的浓度梯度变化及悬浮载体的功能化差异相关。悬浮载体和活性污泥中共有和独有的分类操作单元（OTU）数目如图 4 所示。

           

           如图 4 所示，各个样品中 OTU 数目共计 674，其中 3 组样品中共有的 OTU 数目为 351（占 OTU 总数的 52.1%）。在门水平上对 3 组样品共有的 OTU 的群落组成进行分析，其中Proteobacteria（变形菌门）、Actinobacteriota（放线菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）和 Chloroflexi（绿弯菌门）为 4 种优势菌门，在 3 组样品共有的微生物群体中占比均超过 10%。各组中独有 OTU 的出现表明活性污泥和悬浮载体中微生物差异性的存在。

不同微生物的占比决定了活性污泥和悬浮载体的功能取向，需分析门水平上的物种相对丰度，以揭示其功能的差异。各样品中 Proteobacteria、Firmicutes、Actinobacteriota 和Chloroflexi 均为占比排名前 4 的优势菌门（图 5）。在活性污泥样品中，相对丰度最多的菌门为 Actinobacteriota（35.0%），其次分别为 Firmicutes（21.3%）和 Proteobacteria（18.4%）。与活性污泥不同，Proteobacteria 是 1 级和 2 级悬浮载体上相对丰度最高的菌门，相对丰度分别为 36.6%和 31.1%。相比于活性污泥，Actinobacteriota 在 1 级和 2 级悬浮载体上的相对丰度则分别下降至 21.5%和 17.5%。此外，Chloroflexi、Bacteroidota 和 Patescibacteria 在悬浮载体上的相对丰度与活性污泥中也有所不同。           Proteobacteria 含有众多兼性或专性菌，与COD 的去除和反硝化有关。Actinobacteriota、Chloroflexi 和 Firmicutes 也具备一定的有机物降解作用。但因门水平的范围较大，所以仍需从属水平上对微生物组成进行分析。

           

          图 6 为 3 组样品在属水平上的物种丰度差异。Nitrolancea 是一类常见的硝化菌属，其在活性污泥、1 级和 2 级悬浮载体中的相对丰度分别为 0.13%、2.86%和 3.76%，该情况与硝化小试中 NH4+-N 的处理效果相似。悬浮载体中 Nitrolancea 的相对丰度远高于活性污泥，表明在西藏低温区域，MBBR 悬浮载体在硝化菌属的富集方面优于活性污泥，这也成为本项目悬浮载体的 NH4+-N 处理能力高于活性污泥的原因。在本项目中，2 级悬浮载体对硝化菌属的富集能力略强于 1 级悬浮载体，该现象与 Zhiwei LI 等关于 2 级串联 MBBR 系统的研究一致，这可能是有机物的影响所致。Tetrasphaera（四球虫属）是污水厂中常见的除磷菌属，其在活性污泥中的相对丰度为 6.21%，高于 1、2 级悬浮载体的相对丰度（0.28%和0.60%），表明泥膜共存系统当中，除磷菌更加倾向于在污泥中繁殖。Tetrasphaera 与反硝化除磷具有关联，这也一定程度上解释了该项目出现反硝化除磷现象的原因。

           Saccharibacteria genera incertae sedis 和 Thermomonas（热单胞菌）是污水处理系统当中两类反硝化菌属，两者在活性污泥中的相对丰度分别为 6.55%和 1.94%，高于其在 1级悬浮载体（3.32%和 0.98%）和 2 级悬浮载体（3.53%和 1.26%）的相对丰度。与之不同，反硝化菌属 Hyphomicrobium（生丝微菌属）、Mesorhizobium（中慢生根瘤菌属）、Comamonas（丛毛单胞菌属）、Rhodobacter（红杆菌属）在悬浮载体中的相对丰度高于活性污泥。实质上，在活性污泥和悬浮载体共存的系统内，反硝化菌属的多样化保障了该项目出水总氮的达标。对于反硝化菌属在 1 级和 2 级悬浮载体上相对丰度的差异，仍需未来进一步探究，以揭示多级 MBBR 系统中反硝化菌的分布规律。

           丝状菌 Candidatus Microthrix在活性污泥、1 级和 2 级悬浮载体上的相对丰度分别达到 4.67%、4.42%和 4.62%。Devosia（沃斯氏菌属）与胞外聚合物分泌有关，其在 1级和 2 级悬浮载体上的相对丰度分别达到 2.34%和 1.99%，高于活性污泥（0.35%）。有观点认为，在生物膜和活性污泥共存的系统中，生物膜中胞外聚合物含量高于活性污泥，这也许是本研究中悬浮载体上 Devosia 的丰度高于活性污泥的原因。而由于 1 级和 2 级MBBR 是串联形式，以时间顺序，1 级 MBBR 的有机物负荷高于 2 级 MBBR，这可能是导致 1 级 MBBR 中 Devosia 的相对丰度高于 2 级 MBBR 的原因。Litorilinea 和 Reyranella 两种菌属与难降解有机物的去除有关，其在本项目中被检出，表明进水中难降解有机成分的存在。Litorilinea 和 Reyranella 在悬浮载体中的相对丰度高于活性污泥，表明相比于活性污泥，悬浮载体更易于有效截留上述两种菌属。Litorilinea 和 Reyranella 在 2 级悬浮载体上的相对丰度略高于 1 级悬浮载体，该结果可能与 1 级和 2 级 MBBR 区域的有机物负荷差异有关。在两级 MBBR 系统中，由于 1 级 MBBR 对有机物的消耗，使 2 级 MBBR 中难降解的有机物比例增加，这可能是 2 级悬浮载体上 Litorilinea 和 Reyranella 的相对丰度更高的原因。此外，其他非功能菌属（罗姆布茨菌 Romboutsia、Ornithinibacter 和迪茨氏菌属 Dietzia）在污泥和生物膜上不同的丰度，也间接表明了泥膜物种的差异性。

2.5    运行成本

         西藏某污水处理厂以 MBBR 工艺进行了改扩建工程，占地紧凑。即使水温极低，出水依然能够稳定达标，为今后高海拔寒冷地区污水处理厂的性能提升提供了极好的借鉴。

         本项目吨水运行电耗为 0.550 kW·h/m3，按电价 0.6 元/（kW·h）计，运行电费为 0.330元/m3。本项目主要使用的药剂包括聚合氯化铝（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）和磁粉。所用的 PAM 包括阴离子 PAM 和阳离子 PAM 两种，分别用于深度处理和污泥脱水，吨水成本分别为 0.024 元/m3 和 0.017 元/m3。PAC 用于深度处理，吨水成本为 0.089 元/m3。磁粉用于深度处理，吨水成本为 0.013 元/m3。综上所述，本项目改造后的合计直接运行成本 0.473 元/m3。

 

3      结论

        西藏某污水厂以 MBBR+AAO 的工艺进行改造扩建，设计规模由 9000 m3/d 增加至15 000 m3/d，出水标准由一级 B 提高至一级 A 标准。改造后，在进水水温低于 5 ℃、且加温不足 5 ℃的情况下，出水依然稳定达标。悬浮载体生物膜的微生物丰富度和多样性高于活性污泥。在脱氮方面，悬浮载体对硝化菌属的富集能力和对 NH4+-N 的去除能力均强于活性污泥，且 2 级悬浮载体的优势更加突出，使 MBBR 工艺强化了 NH4+-N 去除的效果。在除磷方面，活性污泥对聚磷菌属的富集能力强于悬浮载体。与此同时，该项目系统中存在的反硝化除磷功能，对生物除磷产生了一定助力。从经济角度分析，本项目的直接运行成本为 0.473元/m3。该项目的成功实施，充分证明了MBBR在西藏寒冷区域污水处理厂中应用的可行性，为后期此类项目提供了技术参考。

 

 

原标题：MBBR 在西藏某污水厂低温环境的应用效果分析

原作者：李志伟，赵治东，祁学玲，张伟龙