MBBR工艺

MBBR工艺背景介绍随着现代化工业的进程和人口急剧的膨胀，水污染问题已经成为社会焦点之一，目前污水处理的方法主要有活性污泥法和生物膜法两大类：活性污泥法从20世纪初英国开创以来，经过几十年的发展革新已经拥有多种运行方式，同时由于其极好的污水处理效果而逐渐成为大家认可的比较成熟的工艺；生物膜法是利用附着在填料上的生物对水体进行净化的一种工艺，近年来也得到迅速的发展和提高。从多年的运行实践来看，活性污泥法虽较为成熟，但也存在很多的缺点11和不足，如曝气池容积大、占地面积高、基建费用高等，同时对水质、水量变化的适应性较低，运行效果易受水质、水量变化的影响等。鉴于上述因素，这种污水处理方法逐渐被后来的生物膜法所取代。生物膜法弥补了活性污泥法的很多不足，如它的稳定性好、承受有机负荷和水力负荷冲击的能力强、无污泥膨胀、无回流，对有机物的去除率高，反应器的体积小、污水处理厂占地面积小等优点。但是生物膜法也有其特有的缺陷，如生物滤池中的滤料易堵塞、需周期性反冲洗、同时固定填料以及填料下曝气设备的更换较困难、生物流化床反应器中的载体颗粒只有在流化状态下才能发挥作用、工艺的稳定性较差…等。介于以上两种工艺的缺点和不足，移动床生物膜反应器(moving-bed-biofilm-reactor，简称MBBR)应运而生。MBBR法在80年代末就有所介绍并很快在欧洲得到应用，它吸取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法两者的优点而成为一种新型、高效的复合工艺处理方法。其核心部分就是以比重接近水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的活性载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用而处于流化状态，当微生物附着在载体上，漂浮的载体在反应器内随着混合液的回旋翻转作用而自由移动，从而达到污水处理的目的。作为悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法相结合的一种工艺，MBBR法兼具两者的优点：占地少——在相同的负荷条件下它只需要普通氧化池20%的容积；微生物附着在载体上随水流流动所以不需活性污泥回流或循环反冲洗；载体生物不断脱落，避免堵塞；有机负荷高、耐冲击负荷能力强，所以出水水质稳定；水头损失小、动力消耗低，运行简单，操作管理容易；同时适用于改造工程等。在过去十几年的研究中，MBBR法已经作为一种成熟的工艺广泛应用于造纸废水、食品工业废水、屠宰废水、炼油废水等工业废水中，同时也可以处理城市生活污水以及城市废水与工业废水的混合污水。许多工程实例表明，用MBBR法处理污水效果良好。MBBR工艺的原理MBBR工艺原理是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝气的时候，与水呈完全混合状态，微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用，使空气气泡更加细小，增加了氧气的利用率。另外，每个载体内外均具有不同的生物种类，内部生长一些厌氧菌或兼氧菌，外部为好养菌，这样每个载体都为一个微型反应器，使硝化反应和反硝化反应同时存在，从而提高了处理效果。MBBR工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点，是一种新型高效的污水处理方法，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，这就使得移动床生物膜使用了整个反应器空间，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，使之扬长避短，相互补充。与以往的填料不同的是，悬浮填料能与污水频繁多次接触因而被称为“移动的生物膜”。MBBR工艺影响因素分析1填料对MBBR法的影响MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一个载体的外形为直径10mm、高8mm的小圆柱体，圆柱体中有十字支撑，外壁有突出的竖条状鳍翅，填料中空部分占整个体积的0.95，即在一个充满水和填料的容器中，每一个填料中水占的体积为95%。考虑到填料旋转以及总容器容积，填料的填充比被定义为载体所占空问的比例，为了达到最好的混合效果，填料的填充比最大为0.7。理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的，一般为700m2/m3。当生物膜在载体内部生长时，实际有效利用的比表面积约为500m2/m3。此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长，形成较稳定的生物膜，并且容易形成流化状态。当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时，例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时，采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料，当已有较好的预处理或用于硝化时，采用比表面积大的生物填料。2溶解氧(DO)对MBBR法的影响王学江等对DO在MBBR中同步硝化一反硝化生物脱氮过程中的影响机理进行了详细分析，认为DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素。通过对DO浓度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区，这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。从理论上讲，当DO质量浓度过于高时，DO能穿透到生物膜内部，使其内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO浓度很低，就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区，生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低)，但由于DO供应不足，MBBR工艺硝化效果下降，使得出水氨氮浓度上升，从而导致出水TN上升，影响最终的处理效果。通过研究最终得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值：当DO质量浓度在2mg/L以上时，DO对MBBR硝化效果的影响不大，氨氮的去除率可达97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO质量浓度在1.0mg/L左右时，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮浓度有明显上升。另外，曝气池内DO也不宜过高，溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外，DO过高，过量耗能，在经济上也是不适宜的。因为MBBR法主要是通过悬浮填料来实现最终的污水处理，所以DO对悬浮填料的影响也是影响整个处理结果的关键。曹占平等对MBBR法充氧能力进行了实验研究，结果表明反应器的充氧能力在一定范围内随着悬浮填料填充率的增大而增大。在曝气的作用下，水随填料一起流化，水流紊动程度较无填料时大，加速了气液界面的更新和氧的转移，使氧的转移速率提高。随着填料数量的增多，填料、气流和水流三者之间的这种切割作用和紊动作用不断加强。但加入填料量为60%时，填料在水中的流化效果变差，水体紊动程度也降低，使得氧的传递速率下降，氧的利用率降低。所以针对不同类型的水质，控制好DO的量对整个工艺最终的处理结果是至关重要的。3水力停留时间对MBBR工艺的影响合适的水力停留时间(HRT)是确保净化效果和工程投资经济性的重要控制因素。水力停留时间的长短将直接影响到水中有机物与生物膜的接触时间，进而影响微生物对有机物的吸附和降解效率，所以针对不同的污水类型找出经济而合理的HRT是非常关键的问题之一。国内外对HRT的研究并没有局限于研究HRT本身的影响，而是通过实验去宏观把握。SHHosseini等副在用MBBR法对含酚类工业废水进行了实验研究，结果表明：在一般情况下，随着HRT的逐渐延长，出水COD浓度会逐渐降低。但同时他也发现了一个更重要的影响因素，即废水中酚类物质的COD浓度与总的COD浓度的比值(CODph/CODtot)，当这一比值达到0.6(即CODDph的浓度为480mg/L)时，COD的去除效率最高并不受水力停留时间的影响。国内的实验大多认为出水COD平均浓度随着水力停留时间的延长而降低，若要缩短水力停留时间可通过加大填料的投加比例(高达70%)来实现，当对出水水质要求不高时可减少填料的投加比例引。另外还有试验结果表明：在中低氨氮负荷条件下，随HRT的减少，氨氮填料表面负荷逐步升高，同时去除率维持原有水平或有一定增长；当氨氮负荷升至高水平后，随着HRT的减少，氨氮去除率逐步降低。这些针对HRT的实验研究结果为今后MBBR法的推广应用奠定了基础，但同时也有许多需要改进之处，比如试验只是单纯的考虑HRT本身的影响，没有把其他因素与HRT的关系有机的结合起来，而SHHosseini等在酚类废水处理的研究中将HRT和其他因素有机的结合起来进行探讨，不仅找到实验最重要的影响因素，同时实验过程中各因素之间的相互影响、相互制约关系也得到了很好地体现。所以针对影响因素的研究我们需要更全面更综合的考虑。4水温对MBBR法的影响在影响微生物生理活动的各项因素中，温度的作用非常重要。温度适宜，能够促进、强化微生物的生理活动；温度不适宜，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。温度不适宜还能够导致微生物形态和生理特性的改变，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最适温度是指在这一温度条件下，微生物的生理活动强劲、旺盛，表现在增殖方面则是裂殖速度快、世代时间短。MBBR法主要是通过生物膜中各种类型微生物的新陈代谢来达到对污水中有机污染物的降解，所以生物膜生长的好坏将直接关系到废水处理的最终结果，尤其对于硝化菌、反硝化菌而言，它们的生长周期长，且对环境的变化非常敏感，硝化菌的适宜温度是20℃-30℃，反硝化菌的适宜温度是20℃-40℃，温度低于15℃时，这两类细菌的活性均降低，5~C是完全停止，所以温度的变化将直接影响这类细菌的生长。相关实验结果表明，氨氮填料表面负荷的变化基本与水温的变化趋势一致。水温低时填料表面负荷低，水温高时填料表面负荷约达到水温低时的15倍。由此可见，硝化细菌受温度影响大，低温条件下活性较弱。5pH值对MBBR法的影响微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的酸碱度条件下，微生物才能进行正常的生理活动。pH值过大的偏离适宜数值，微生物的酶系统的催化功能就会减弱，甚至消失。不同种属的微生物生理活动适应的pH值，都有一定的范围，在这一范围内，还可分为最低pH值、最适pH值和最高pH值。在最低或最高的pH环境中，微生物虽然能够成活，但生理活动微弱，易于死亡，增殖速率大为降低。参与污水生物处理的微生物，一般最佳的pH值范围，介于6.5-8.5之间。MBBR法作为生物膜法与活性污泥法相结合的工艺，同样依赖于微生物的生长以达到有机物降解的目的。所以保持微生物最佳pH范围是取得良好污水处理效果的必要条件，当污水(特别是工业废水)的pH值变化较大时，需要考虑设调节池，使污水的pH值调节到适宜范围后再进行曝气。6其他因素对MBBR法的影响根据每一个具体试验条件的不同，还会有许多不同的影响因素。如气水比一般控制在(3～4)，这样的气量能使反应器中的填料均匀地循环转动起来；浊度也需要控制在一定范围内，相关研究结果表明：浊度大使得某些悬浮物容易覆盖在生物膜的表面，阻碍生物氧化作用的进行，导致处理效率大幅下降，同时还容易造成填料堵塞，另外整个实验对进水浊度和出水浊度进行了检测，进水浊度为17.6-160NTU，出水浊度为18.1-142NTU，结果发现中试装置对浊度基本没有去除效果，出水浊度随着进水浊度的变化而变化，所以我们需要严格控制好进水浊度的量；COD容积负荷对去除率也有很大的影响，研究表明COD容积负荷为0.48-2.93kg/(m3•d)的范围内对COD的去除率基本稳定在60%-80%。在相同的水力停留时间下COD的去除率随负荷呈正比增加趋势，这是因为当进水COD浓度较低时微生物降解有机物的速率也较小，其降解能力不能充分发挥，当进水COD浓度增大时促进了生物膜微生物的生长，提高了降解速率，故对COD去除率得到了提高。以上各因素都会对污水处理造成不同程度的影响，此外还有营养物质、有毒物质等，如果这些物质过多的偏离微生物生长需要，就会对污水处理的最终结果产生影响。我们须根据具体的条件和要求来确定哪一个因素是主要影响MBBR法的最终结果。MBBR的特点与活性污泥法和固定填料生物膜法相比，MBBR既具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，又具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点。(1)填料特点填料多为聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫体