MBBR工艺的研究现状与应用

MBBR工艺的研究现状与应用随着现代城市的发展，工业废水量和生活污水量逐年增长，城市水污染问题日益突出。合格可用的淡水资源不断减少，城市工业和生活用水的供需矛盾加剧，治理水污染已经成为各地经济和社会发展的重要环节。由于我国水体富营养化问题日趋严重，而目前应用较广泛的常规二级生化处理工艺对污水中的N营养物质的去除率不高，难以适应社会发展的需要，因此脱氮工艺的研究已经成为水污染控制领域的研究重点。MBBR（移动床生物膜反应器）是一种新技术，目前在国内应用较少，实践情况表明，MBBR工艺在有机物和氨氮的处理效果方面要强于传统活性污泥法和传统生物膜法，该技术可以提高有机物去除效率，脱氮效果较好。1MBBR工艺的原理和特点1.1MBBR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”。1.2MBBR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、聚氨酯泡沫体等制成的，比重接近于水，以圆柱状和球状为主，易于挂膜，不结团、不堵塞、脱膜容易。（2）良好的脱氮能力填料上形成好养、缺氧和厌氧环境，硝化和反硝化反应能够在一个反应器内发生，对氨氮的去除具有良好的效果。（3）去除有机物效果好反应器内污泥浓度较高，一般污泥浓度为普通活性污泥法的5～10倍，可高达30～40g/L。提高了对有机物的处理效率，同时耐冲击负荷能力强。（4）易于维护管理曝气池内无需设置填料支架，对填料以及池底的曝气装置的维护方便，同时能够节省投资及占地面积。2MBBR的研究现状2.1国外对MBBR的研究应用现状MBBR是在20世纪90年代中期得到开发和应用的，其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。迄今为止，国外已应用MBBR进行处理生活污水、工业废水的小试、中试及生产性实验研究，均取得了较好的效果。其中，美国的Captor工艺和德国的Linpor工艺是目前两种比较成熟的多孔悬浮载体系统。在完全混合反应器中加入聚氨酯泡沫块供微生物附着生长，用于处理城市生活污水，研究了其对BOD的去除和硝化作用。结果表明，硝化细菌优先附着生长在载体上，硝化活性达0.33mgN/h·块载体（载体体积为8cm3/块），在4h内，BOD可完全去除，并继而发生硝化作用，硝化作用可在10h内完成。在过去的10年中，移动床生物膜技术在挪威得到了发展，现已有100多个基于此技术的污水处理厂在17个国家中投入使用或在建造之中，它们主要用于去除市政污水或工业废水中的有机物及氨氮。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。微生物赖以栖息的新型载体的研制开发是移动生物膜法处理废水的关键技术之一，其性能直接影响着污水的处理效果和投资费用。科研工作者以改进填料为突破口，不断推动移动生物膜法的发展。目前的悬浮填料大多是由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫体等制成的，比重接近于水，长了生物膜以后，在正常的曝气强度下极易达到全池流化翻动。悬浮填料的形状通常为球状、圆筒状或粒状，一般认为球状有良好的水力学特性，是最理想的形状。但受到生产技术的限制，有时将材料作成球状很困难；而圆筒状填料当其长径比为1时接近于球状，因此悬浮填料一般选择圆筒状。另外，填充在生物膜反应器的填料的比表面积多在100～500m2/m3之间。由聚乙烯制成的悬浮填料分两种：一种为φ10×7（mm）、比表面积为335m2/m3，另一种为φ15×15（mm）、比表面积为235m2/m3；由聚丙烯制成的悬浮填料，密度为0.94g/cm3，形状为有波纹的圆柱体，尺寸为φ15～20（mm）×20～30（mm）。2.2国内对MBBR的研究现状近年来，我国不少学者也进行了MBBR工艺的研究，但大多仍处于试验性研究阶段。其关键技术在于对悬浮填料的研究，如同济大学的专利产品为φ50×50（mm）的圆筒状悬浮填料，比表面积为278m2/m3，材料为改性的聚乙烯；李峰报道的悬浮填料由聚丙烯塑料制成，为φ50×50（mm）的圆筒状，比表面积为350m2/m3。一般来说，国内使用的载体外形尺寸比国外的要大，这主要是受整个工艺和出水格栅的限制。总体而言，我国目前对悬浮填料的研究才刚刚起步，新型悬浮填料在我国污水处理工程中的应用具有广泛的发展空间。目前，国内常用的填料有蜂窝填料、软性填料、半软性填料及复合填料等固定型填料，但这些填料在使用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀等问题，影响了生物处理效果。另外，上述填料均需安装在辅助支架上，这就给填料的安装、更换等造成诸多不便，使工程投资和运行管理费用相对提高。从经济、实用、高效的角度出发，高性能的新型填料在材质方面，应具有价格低廉、使用寿命长、易挂膜等特点；在结构方面，设计的比表面积应尽可能地大，并可以制造一些功能区，适应不同要求的厌氧、好氧微生物的生长，又兼顾易脱膜的特点。同时，应尽可能地降低悬浮填料的造价，最大程度发挥其优点，使悬浮填料能更广泛地应用到污水处理中。目前，国内对MBBR工艺的应用多为一些小型工程，在技术参数方面多为探索阶段。3MBBR工艺在国内的应用3.1应用于生活污水处理以北京市顺义区各乡镇卫生院为例。该卫生院产生的医疗废水多为生活污水，处理水量为25～50m3/d，2005年至2007年针对顺义区的张喜庄、北小营、木林、南法信、马坡、张镇、空港、天竺、北石槽、俸伯、区血站、小店、北务、大孙各庄、南彩、龙湾屯等卫生院的污水进行了处理，其中前八个卫生院采用传统生物膜AO工艺，后八个单位采用MBBR工艺。工艺前端均设格栅和调节池，后端采用竖流式沉淀池和二氧化氯消毒。使用传统生物膜AO工艺的污水处理站中的A池水力停留时间为4h，O池水力停留时间为6h，回流比100%，弹性填料填充比75%，气水比15∶1。采用MBBR工艺的两个曝气池总停留时间为7h，不设回流，采用φ20×20（mm）柱状改性聚乙烯悬浮填料,比表面积510m2/m3，填充比50%，气水比10∶1，其中第二个反应池间断曝气。反应池采用下布水，池底设微孔曝气管进行曝气，出水设活动栅板。2005年12月和2007年1月经顺义区环境保护局环境监测站监测，监测结果见下表：3.2与生物膜AO工艺联合应用采用MBBR工艺与生物膜AO工艺联合处理生活污水也取得了良好的效果。如顺鑫澜庭小区污水处理站采用了变形生物膜AO工艺，处理水量450m3/d。A池水力停留时间4h，O池分为两段，第一段停留时间2h，采用球形悬浮填料，填充比50%；第二段停留时间4h，采用组合填料，填充比75%，回流比100%。2008年3月经顺义区环境保护局监测站监测，进水COD360mg/L、氨氮46mg/L，出水COD57mg/L、氨氮9.32mg/L，去除率分别达到84%和80%。3.3处理效果MBBR工艺中的生物膜主要附着在填料上，污泥停留时间与水力停留时间无关，硝化菌、亚硝化菌等生长世代时间较长、增长速率很小的微生物都可以在填料上生长，从而增强了脱氮能力。脱氮过程分为硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。不论是亚硝化过程还是硝化过程，都要耗用大量的氧。要使1分子氨氮（NH3-N及NH4+-N）完全氧化成NO3-需耗用2分子的氧，即氧化1mg氨氮需要4.57mg的氧。由于硝化反应需要足够的氧量，因此溶解氧应控制在1.5～2.0mg/L或以上。在充氧的条件下，有机物在微生物的作用下分解为CO2和H2O，NH4+-N则发生硝化反应。硝化作用是在两类好氧菌的参与下完成的，首先是亚硝化单细胞菌将氨氮氧化成亚硝酸盐，然后硝化杆菌将亚硝酸盐再进一步氧化成硝酸盐。但是有机物浓度过高，硝化菌就不能成为优势菌种，从而会影响硝化效果。反硝化过程是将硝酸盐转化为氮气，这个过程需要碳源和足够的碱度，一般控制pH值在7～9.5。MBBR工艺可以减小反应器的体积，减少能耗，在保证有机物去除率的同时，提高氨氮的去除效率；与生物膜AO工艺组合，也能改善去除氨氮的效果。总体来看，MBBR工艺在有机物和氨氮的处理效果方面要强于传统活性污泥法和传统生物膜法。4MBBR工艺在运行中容易出现的问题（1）反应器中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，在实际工程中，容易出现局部填料堆积的现象。为了避免填料堆积现象，需改进曝气管路的布置以及反应器的结构。反应器的结构在很大程度上决定了它的水力特性。实际工程中，当单个反应器的长深比为0.5左右且长度不大于3m时有利于填料完全移动。在实际工程设计时应通过大量试验来优化反应器的构造和水力特性，降低能耗，进一步提高MBBR的经济效益。（2）反应器出水往往设置栅板或格网以避免填料流失，但容易造成堵塞。在实际工程中，可以设置活动栅板，定期进行人工清理，也可设置空气反吹装置以防止堵塞。5对MBBR工艺的建议5.1悬浮填料的研究和开发应对填料表面的化学特性及悬浮填料的脱落机制进行深入的研究，增加填料的比表面积；应尽可能地降低悬浮填料的造价，使悬浮填料能更广泛地应用于污水处理。可采用活性炭、淀粉、明胶等作为生物活性添加剂，使悬浮填料能够促进微生物的生长和繁殖。5.2MBBR与其它工艺的组合多级MBBR、MBBR和A/O法联合工艺等都具有各自的优点，对这些组合工艺应加强研究并进行实际应用。5.3MBBR工艺反应器的研究通过对反应器流体力学的研究，确定反应器的形状，以达到最优化的反应器结构，从而避免填料堆积，降低能耗。可以初步研究多级串联连续式悬浮填料移动床反应器的结构型式与操控方案，为项目技术的推广应用奠定基础。6结论目前，MBBR工艺在国外应用较多，在国内应用较少。MBBR工艺运行稳定可靠，抗冲击负荷能力强，脱氮效果好，是一种经济高效的污水处理工艺。在处理生活污水方面，有机物和氨氮的去除率相对传统生物膜AO工艺可以提高10%以上。MBBR工艺具有很大的研究价值和应用前景。