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MBBR工艺背景介绍
随着代化工的程和人口急的膨,水染已
成社会焦点之一,目前水理的方法主要有活性泥法
和生物膜法两大:
活性泥法从20世初英国开以来,
几十年的展革新已有多种运行方式,同由于其极
好的水理效果而逐成大家可的比成熟的工;生
物膜法是利用附着在填料上的生物水体行化的一种工
,近年来也得到迅速的展和提高。
从多年的运行践来看,活性泥法成熟,但也存在很多的缺点和不足,如曝气池容大、
占地面高、基建用高等,同水、水量化的适性低,运行效果易受水、水量化的
影响等。
于上述因素,种水理方法逐被后来的生物膜法所取代。
生物膜法弥了活性泥
法的很多不足,如它的定性好、承受有机荷和水力荷冲的能力、无泥膨、无回流,
有机物的去除率高,反器的体小、水理厂占地面小等点。
但是生物膜法也有其特有的缺
陷,如生物池中的料易堵塞、需周期性反冲洗、同固定填料以及填料下曝气的更困、
生物流化床反器中的体粒只有在流化状下才能作用、工的定性差⋯等。
介于以上
两种工的缺点和不足,移床生物膜反器(moving-bed-biofilm-reactor,称MBBR)运而生。
MBBR法在80年代末就有所介并很快在欧洲得到用,它吸取了的活性泥法和生物接触氧
化法两者的点而成一种新型、高效的复合工理方法。
其核心部分就是以比重接近水的浮填
料直接投加到曝气池中作微生物的活性体,依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用而于流化状
,当微生物附着在体上,漂浮的体在反器内随着混合液的回旋翻作用而自由移,从而达
到水理的目的。
作浮生的活性泥法和附着生的生物膜法相合的一种工,MBBR法
兼具两者的点:
占地少——在相同的荷条件下它只需要普通氧化池20%的容;微生物附着在
体上随水流流所以不需活性泥回流或循反冲洗;体生物不断脱落,避免堵塞;有机荷高、
耐冲荷能力,所以出水水定;水失小、力消耗低,运行,操作管理容易;同
适用于改造工程等。
在去十几年的研究中,MBBR法已作一种成熟的工广泛用于造水、食品工水、
屠宰水、油水等工水中,同也可以理城市生活水以及城市水与工水的混合
水。
多工程例表明,用MBBR法理水效果良好。
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。
(5)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。
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l0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l7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。
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。
之问。
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)。
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中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。
MBBR工艺的应用概况
目前,国内外已对MBBR工艺进行了多项试验性研究,并在实际应用中取得了较好的效果。
由于
MBBR可减少现有污水处理系统的体积,易于在现有污水处理厂基础上升级,且处理效果好,欧洲、
美国、日本、新西兰以及我国均建有MBBR型污水处理厂。
1、处理高负荷污水
MBBR工艺在高负荷条件下性能稳定,可多级联用处理污水。
如可将3个MBBR连接使用处理
肉类加工废水,第一个反应器的COD负荷高达10kg/m3,HRT约为4h,TC0D去除率为50%-75%{第
二个和第三个反应器的总HRT为4~13h,TCOD去除率为75%、SCOD去除率为70%~88%,有
机物去除率与有机负荷呈线性关系。
季民等采用厌氧复合床生物膜反应器处理高浓度有机废水实验,取得了良好效果。
在进水C0D
为5300~20140mg/L、COD容积负荷为5.38~20.62kg/m3.d、HRT为0.98d的操作条件下,COD
去除率>90%。
垃圾渗滤液的成分复杂,有机物浓度较高,是一种很难处理的废水,M.X.Loukidou采
用MBBR和SBR联合工艺对垃圾渗滤液进行了处理,载体使用聚亚胺酯和颗粒活性炭,该工艺对污
染物同时具有物理、化学和生物降解作用,可有效去除垃圾渗滤液的有机物、色度和浊度。
2、处理低负荷污水
有些单位将生活污水与冲洗水混合排放,导致生活污水中有机物浓度较低,不适合普通的活性污
泥法处理。
张兴文等利用MBBR工艺处理中国石化抚顺乙烯有限公司厂区内生活污水及冲洗水的混
合排放污水。
具体工艺流程为调节池-MBBR-沉淀池-纤维球过滤罐-活性炭过滤罐。
进水水质为COD76mg/L、
BOD37mg/L,在水力停留时间为2.4h、气水比为4:
1的情况下,出水各项水质指标均可达到国家
环保冷却水回用标准要求。
马建勇等研究了MBBR处理低负荷生活污水时启动和运行的性能和特点,发现闭路循环法比排泥
挂膜法启动稍慢,但运行初期的处理效果比后者好。
同时还考察了悬浮污泥与填料生物膜之间的关系,
发现悬浮污泥对填料生物有抑制作用,不利于反应器的长期稳定运行。
3、脱氮效果
MBBR中生物膜主要固着在填料上,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、比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。
MBBR可以实现硝化菌与反硝化菌在空间
上相对独立生长,从而优化了两种菌群的生长条件。
MBBR用于生物脱氮取得了较好的效果。
RustenN在FREVAR废水处理厂使用KaldneS型KI
填料中试进行废水的脱氮处理,进水为预处理过的生活污水,温度为4.8℃~20℃。
结果表明,10℃
时,硝化速率达190gTNK/m2.d,反应器的pH>7。
前期脱氮效果主要受水中易降解有机物浓度和
MBBR缺氧区进水中溶解氧浓度的影响。
该设计将MBBR与前硝化、后脱氮、絮凝剂最后的固体分
离系统结合使用,如进水为25mgTN/L,总氮的去除Ng为70%,空床HRT可达4-5h。
2,3-二甲基苯胺是一种环状结构且有毒不易降解的有机物,在生产染料和甲灭酸工厂排出的废水
中,含有大量该物质。
邢国平等采用循环MBBR对该废水进行处理,当HRT较短时,氨氮的去除率
较大,因为主要发生的是微生物的耗氧,且氨氮的去除率与其容积负荷成反比。
MBBR工艺在运行中易出现的问题
1MBBR反应器的流化态
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,在实际操作中,经常出现由于整个池
内进气分布不均匀而导致局部填料堆积的现象。
因此需通过池型作水力特性计算来改进进气管路的布
置和优化池内曝气头的分布,再根据实际的曝隋况调节各曝气头上紧固橡皮垫的螺母松紧程度,调节
单个曝气头的曝气量。
除保证池内出水端具有较大曝气量,以便使整个池内填料呈均匀流化状态外,
还可以采用穿孔曝气管,便于使池四边和四角进气分布均匀。
反应器的构造在很大程度上决定了它的
水力特性。
试验表明,反应器的长深比为0.5左右时有利于填料完全移动,或者通过导流板的强制循
环来解决池内死角的问题,这样能使气水比