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1流动床TM生物膜反应器(MBBRTM)工艺及在市政污水处理中的应用MovingBedTMBiofilmReactor(MBBRTM)ProcessanditsApplicationinMunicipalWastewaterTreatment1廖足良(ZuliangLiao)AnoxKaldnesAS，P.O.Box2011,3103TønsbergNorway挪威2喻培洁(PiaWelander)AnoxKaldnesAB，22647LundSweden瑞典HallvardØdegaard(哈尔瓦˙欧德格)挪威科技大学水与环境工程系，7491TrondheimNorway挪威摘要流动床TM生物膜反应器(MBBRTM)工艺基于生物膜工艺的基本原理，又利用活性污泥工艺中生物量悬浮生长的特性。本文试图总结该工艺的主要特点和优势，总结该工艺在市政污水处理中去除有机物和脱氮除磷方面的研究和工程应用。1简介生物膜广泛存在于自然界和人类活动中。例如，自然界中，土壤中的微生物吸附在土壤颗粒表面，形成生物膜，当从土壤的空隙流过的水中污染物(或基质)与土壤表面的生物膜接触，污染物被生物降解，因而污水被净化。生物膜一般具有很长的固体停留时间(SRT)。这有利于在不断的液流流过和基质利用过程中形成较为致密又布满孔隙的生物膜的微型空间结构。尽管生物膜的致密程度由于各方面因素(液流流速，基质浓度，供氧状态等)不同而异，其共同的非整形(FRACTAL)结构特征已被广泛认同。非整形的空隙孔径分布使得不同颗粒粒径的污染物(基质)都能够被生物膜通过不同的途经被捕获和生物降解。生物分解的产物也通过空隙传输到生物膜以外，进入水流中。当生物膜厚度达到基质难以进入最内层时，营养不足将导致生物膜本身被内源分解。这样，生物膜的厚度将随其生长的外部条件的变化而变化，并处于动态平衡。由于单位体积的生物膜量很大，生物反应器容积则可以很小，达到高效紧凑的工艺流程目标。然而，在自然界的生物膜和固定式生物膜反应器中，被处理的污染物不很容易扩散到生物膜的内部，在好氧状态，氧分子也不很容易均匀扩散到生物膜内。同时，老化的生物膜和生物降解产物也不易于传送到生物膜外。这样，固定式生物膜反应器在理论上的优越性并没有得到充分的发挥。加上采用的挂膜材料(生物填料)可能易于变形和垮塌，使固定式生物膜反应器的应用受到很大的影响。生物流化床工艺利用流化的颗粒填料，很好地解决了脱落的生物膜堵塞反应器的问题。流化床中采用的填料是颗粒填料，如砂，或其他人工烧结的以黏土为骨料的轻质填料。粒径小的颗粒填料虽易于流化，也易于被水流带走，颗粒大的填料不易于流化，需要很高的流化速度。为使填料保留在反应器中，适当的结构措施(如斜板)是必要的。为达到流化的目的，流化床反应器的结构设计必然较为复杂。当流化速度大时，生物膜不易于附着在颗粒填料表面，所以，颗粒填料的巨大表面积并没有得到充分利用。多孔型轻质填料虽然使有效表面积增加，但并不能根本改变这一局面。此外，当采用好氧生物流化床时，曝气充氧不易于与流化过程结合起来。活性污泥法在二十世纪初应用于污水处理以来得到很大的发展，主要是由于其系统相对简单，处理效果在系统运行稳定情况下比较好。但长期以来，活性污泥经受负荷冲击，温度变化(特别是低温)，毒性影响，污泥膨胀的脆弱性困扰。污泥流失和系统效率低下是许多污水处理厂经常面对的问题。一种能结合生物膜法的较高的污泥浓度，长泥龄和不需污泥回流，以及活性污泥法的无堵塞和配水及混合均匀的特点的生物处理工艺将使生物处理变得高效，稳定，和容易维护管理。流动床TM生物膜反应器(MBBRTM)工艺很好地反映了这样的要求。由AnoxKaldnes集团完成的采用MBBRTM工艺的市政和工业污水处理项目已达350多个，广泛应用于包括中国在内的全球43个国家。22流动床TM生物膜反应器工艺的基本原理和工艺特点2-1基本原理流动床TM生物膜工艺运用生物膜法的基本原理，充份利用了活性污泥法的优点，又克服了传统活性污泥法及固定式生物膜法的缺点。技术关键在于研究和开发了比重接近于水，轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。生物填料具有有效表面积大，适合微生物吸附生长的特点。填料的结构以具有受保护的可供微生物生长的内表面积为特征。当曝气充氧时，空气泡的上升浮力推动填料和周围的水体流动起来，当气流穿过水流和填料的空隙时又被填料阻滞，并被分割成小气泡。在这样的过程中，填料被充分地搅拌并与水流混合，而空气流又被充分地分割成细小的气泡，增加了生物膜与氧气的接触和传氧效率。在厌氧条件下，水流和填料在潜水搅拌器的作用下充分流动起来，达到生物膜和被处理的污染物充分接触而生物分解的目的。流动床TM生物膜反应器工艺由此而得名。其原理示意图如图1所示。因此，流动床TM生物膜工艺突破了传统生物膜法(固定床生物膜工艺的堵塞和配水不均，以及生物流化床工艺的流化局限)的限制，为生物膜法更广泛地应用于污水的生物处理奠定了较好的基础。a)好氧反应器b)厌氧反应器a)好氧反应器b)厌氧反应器图1流动床TM生物膜工艺原理示意图2-2工艺特点流动床TM生物膜工艺的特点包括：1.容积负荷高，紧凑省地：容积负荷取决于生物填料的有效比表面积。不同填料的比表面积相差很大。AnoxKaldnes集团开发的填料比表面积可以从200平方米/立方米到1200平方米/立方米填料体积的范围内变化，以适应不同的预处理要求和应用情况。2.耐冲击性强，性能稳定，运行可靠：冲击负荷以及温度变化对流动床TM工艺的影响要远远小于对活性污泥法的影响。当污水成分发生变化，或污水毒性增加时，生物膜对此的耐受力很强。3.搅拌和曝气系统操作方便，维护简单：曝气系统采用穿孔曝气管系统，不易堵塞。搅拌器采用具有香蕉型搅拌叶片，外形轮廓线条柔和，不损坏填料。整个搅拌和曝气系统很容易维护管理。4.生物池无堵塞，生物池容积得到充分利用，没有死角：由于填料和水流在生物池的整个容积内都能得到混合，从根本上杜绝了生物池的堵塞可能，因此，池容得到完全利用。5.灵活方便：工艺的灵活性体现在两方面。一方面，可以采用各种池型(深浅方圆都可)，而不影响工艺的处理效果。另一方面，可以很灵活地选择不同的填料填充率，达到兼顾高效和远期扩大处理规模而无需增大池容的要求。对于原有活性污泥法处理厂的改造和升级，流动床TM生物膜工艺可以很方便地与原有的工艺有机结合起来，形成活性污泥-生物膜集成工艺(HYBASTM工艺)或流动床TM-活性污泥组合工艺(BASTM工艺)。6.使用寿命长：优质耐用的生物填料，曝气系统和出水装置可以保证整个系统长期使用而不需要更换，折旧率较低。32-3工艺基本物理要素流动床TM生物膜工艺的基本物理要素包括：生物填料；曝气系统或搅拌器系统；出水装置；池体。图2所示为工艺基本物理要素示意图。生物填料：针对不同性质的污水及出水排放标准，我们开发了一系列不同的生物填料，比表面积界于200-1200平方/立方(如K1，K3，NATRIX，BIOFILM-CHIP等)，以适用各种处理要求。当预处理要求较低，或污水中含有大量纤维物质时，采用比表面积较小的尺寸较大的生物填料，比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。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。生物填料由塑料制成。填料的比重界于0.96-1.30之间。曝气系统：由于生物填料在生物池中的不规则运动，不断地阻挡和破碎上升的气泡，曝气系统只需采用开有中小孔径的多孔管系，这样，不存在微孔曝气中常有的堵塞问题和较高的维护要求。曝气系统要求达到布气均匀，供气量由设计而定，并可以控制。搅拌器系统：厌氧反应池中采用香蕉型叶片的潜水搅拌器。在均匀而慢速搅拌下，生物填料和水体产生回旋水流状态，达到均匀混合的目的。搅拌器的安装位置和角度可以调节，达到理想的流态。生物填料不会在搅拌过程中受到损坏。出水装置：出水装置要求达到把生物填料保持在生物池中，其孔径大小由生物填料的外形尺寸而定。出水装置的形状有多孔平板式或缠绕焊接管式(垂直或水平方向)。出水面积取决于不同孔径的单位出流负荷。出水装置没有可动部件，不易磨损。池体：池体的形状规则与否，深浅以及三个尺度方向的比例基本不影响生物处理的效果，可以根据具体情况灵活选择。搅拌器系统的布置也需根据池型进行优化调整。池体的材料不限。在需要的时候，池体可以加盖并留有观察窗口。填料好氧反应池厌氧反应池出水装置本图仅为示意图--流程选择取决于污水性质和处理要求填料好氧反应池厌氧反应池出水装置填料好氧反应池厌氧反应池出水装置本图仅为示意图--流程选择取决于污水性质和处理要求图2流动床生物膜工艺的基本物理要素：生物填料，曝气系统，搅拌系统，出水装置，池体3流动床TM生物膜反应器工艺的常用流程污水生物处理的目标包括去除有机物，生物脱氮和除磷。去除有机物的工艺流程相对简单一些，而脱氮除磷工艺则较为复杂。3-1去除有机物工艺流程一般而言，去除有机物工艺流程较为简单。对于一般二级生物处理，出水BOD要求为25毫克/升时，一般采用两级流动床TM流程。如二沉池前设有混凝单元，或一级处理中采用化学沉淀，则可采用一级流动床TM流程。对于出水BOD要求为10毫克/升时，采用两级流动床TM流程，并需要采用化学沉淀一级处理，或者混凝沉淀二沉池。对于采用流动床TM工艺作为活性污泥工艺的生物预处理对付冲击负荷时，则可采用一级流动床TM流程。以上各种情况的设计负荷因预处理工艺的不同和BOD去除要求的不同而异。表1列举了可能的工艺流程。4表1应用流动床TM生物膜工艺去除有机物的工艺流程流程备注1)常规二级处理2)药剂药剂常规二级处理(强化一级及化学除磷)3)药剂药剂药剂常规二级处理(强化二级及化学除磷)4)药剂药剂强化二级处理(强化二级及化学除磷)5)药剂药剂强化二级处理(强化一级及化学除磷)6)常规二级处理(流动床工艺为预处理-BASTM工艺)3-2生物脱氮工艺流程生物脱氮的途经一般包括两步。第一步是硝化，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。这一步由于硝化菌生长缓慢而需要很大的生物池容积。硝化只有在有机物氧化基本完成后才易于进行，是因为氧化有机物的异养菌生长迅速。硝化可以单独进行。第二步是反硝化，在厌氧条件下将硝酸盐氮还原为分子氮而逸出。这一步很快，不是脱氮的控制因素。硝化是否前置或后置，取决于污水中碳源的质和量。3-2-1硝化工艺流程当采用常规一级处理时，一般采用三级流动床TM工艺流程，其中第一个反应池用于有机物的去除，第二和第三个反应池用于硝化。当采用化学沉淀强化一级处理去除大部分悬浮物和胶体物质时，可以采用两级流动床TM工艺流程，溶解性有机物的氧化和部分硝化在第一反应池中进行，而第二反应池则用于硝化。当采用活性污泥法全流程(预沉-活性污泥-二沉)去除有机物时，可以采用一级或两级流动床TM工艺进行硝化。当对活性污泥法工艺去除有机物的污水处理厂升级改造为硝化工艺时，采用活性污泥-生物膜集成(HYBASTM)工艺能够很灵活地解决问题。在现有的活性污泥池中投加生物填料，这样，活性污泥将与生物膜共存于同一反应池中。活性污泥将主要去除有机物，而吸附生长于生物填料表面的硝化菌则完成硝化作用，充分利用了两种工艺的优点，从而充分利用现有工艺条件又达到升级改造的双重目的。这种工艺的5灵活性还体现在生物填料的填充率可以根据需要在30%至67%之间选择。在这一工艺中需要回流污泥以保持反应池中的MLSS污泥浓度。表2列举了有关工艺流程。表2应用流动床TM生物膜工艺去除有机物及硝化工艺流程流程备注7)有机物去除及硝化8)药剂药剂有机物去除及硝化可化学除磷9)有机物去除及硝化HYBASTM工艺3-2-2生物脱氮工艺流程生物脱氮包括硝化和反硝化。反硝化需要碳源。当碳源可以由污水中的溶解性BOD提供时，应充分利用，如污水中碳源不足，则要外加碳源。外加碳源可以由污泥水解而产生的富含挥发性有机物提供，也可以是其他来源，如工业用甲醇或乙醇或其他工业生产的高浓度溶解性有机废物。反硝化工艺可以前置或后置，或同时前后