MBBR一定是未来污水处理的主流技术

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关于MBBR污水的生物膜法既是古老的,又是发展中的工艺。迄今为止,已经有多种生物膜法在使用,如好氧生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池,颗粒介质生物膜、流化床等,悬浮载体生物膜法有称悬浮填料移动床工艺,是在20世纪90年代中期得到开发和应用的,它是吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点而成的一种高效的污水处理方法。其核心部分就是以比重接近于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处于流化状态,它是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。以以往的填料不同的是,悬浮填料能与污水频繁多次接触,因此被称为“移动的生物膜”。

1.1具有生物膜法所具有的优点
参与净化反应微生物的多样化,微生物专性更强;生物的食物链长,正是因为在生物膜上形成的食物链长于活性污泥上的食物链,在生物膜处理系统内产泥量也少于活性污泥处理系统,据报道由于悬浮填料一般比表面积都较大,附着在填料表面及内部生长的微生物数量大、种类多,因此污泥浓度可达普通活性污泥法的污泥浓度的5-10倍,曝气池污泥总质量浓度最高可达30-40g/L,并且在填料单元内可以形成从细菌-原生动物-后生动物的食物链;能够存活世代时间较长的微生物,这是因为在生物膜处理法中,生物固体平均停留时间与水力停留时间无关,时代时间较长的硝化菌和亚硝化菌也能得以繁衍、增殖;由生物膜上脱落下来的生物污泥,所含的动物成份很多,比重较大,而且污泥颗粒个体较大,污泥的沉降性良好,易于固液分离,系统的处理效果不太依赖微生物的分离;能够处理低浓度的污水;活性污泥处理系统在原污水的BOD值长期低于50-60mg/L,将影响活性污泥的絮凝体的形成和增长,净化功能降低,处理水质下降。但是,生物膜处理法对低浓度污水,也能取得较好的处理效果。
1.2与活性污泥法及其它生物膜法相比
MBBR是活性污泥和生物膜法的联合工艺,取二者之长,避二者之短。和MBBR工艺相比:①好氧生物滤池不能充分利用池容;②生物转盘经常出现机械设备问题;③淹没式生物滤池难以使负荷均匀分布在载体的表面;④由于需要反洗,颗粒介质生物滤池不能连续工作;⑤流化床不稳定。与多数的生物膜反应器相比,,MBBR克服了这些缺点,利用了整个池容,和活性污泥反应器一样;与活性污泥反应器相比,它不需要污泥回流,和生物膜反应器一样。生物膜在整个反应器内自由流化的载体上生长,在反应器得出流处用格栅将载体截流在反应器内。因为不需要污泥回流,只有剩余的微生物需分离,这就比活性污泥法有很大的优势。1.3悬浮填料的特点
在MBBR法中,悬浮填料是其核心部分,具有独特的优点:
⑴悬浮填料在不曝气时浮于水的表面,无须固定支架支撑,这是反应池的安装和维修变得很方便;当曝气时,生长了生物膜的填料密度因与水接近,填料依靠曝气的搅拌作用,处于流化状态,这不仅使污水与填料上的生物膜广泛而频繁多次地接触,而且填料在流化过程中切割分散气泡,使布气趋于均匀,氧利用率也得到了提高,由此产生的固、液、气的三相充分接触混合和碰撞,增大了传质面积,提高了传质效率,强化了传质过程,因此,在达到一定的污染物去除率情况下,污水在池内的停留时间更短,同时,即使有了冲击负荷,也可以很快的恢复处理效果。另外,悬浮填料受到气流、水流的冲刷,老化的膜能够自动脱落,保证了膜的活性,促进了新陈代谢,而且在反应池中水流化的填料还可能大量生长丝状菌,既可利用丝状菌高效降解有机物的功能,使出水水质改善,又无污泥膨胀之虞。
⑵维护管理方便。由于填料比重与水接近,只需要很少的气量即可使其均匀悬浮于水中。使用时无需填料支架,只需在曝气池出水处设置栅网拦截,靠曝气水流将其回流至池前端,可节省投资,且投配、更新更方便。另外操作者不用像管理活性污泥法系统那样,担心污泥回流比、排除剩余污泥量及污泥膨胀等问题,因此,操作简单,工作量也少。
⑶填充率易选择。30%-50%(体积比)的填料在曝气池中流化良好。对于悬浮填料只要冲氧能力许可并保证其自由悬浮,可以根据需要选择填充比率。
1.4主要特点
资料显示,MBBR工艺的主要特点:为了维持较高的硝化率,需要较高的溶解氧。硝化率取决于有机物的负荷、氨的浓度和溶解氧3个因素。研究表明:在这3个参数中有机负荷是关键因素,应该尽可能低,当有机负荷BOD超过4g/(m2d),需要很高的溶氧浓度才能使硝化反应发生;当氨的浓度很低时,才会限制硝化作用;更重要的是溶解氧的影响,即使他的浓度相当高也可能限制硝化率。试验中当溶氧的浓度大于2-3mg/L硝化作用才开始进行,而且硝化率和溶氧的浓度接近线性关系,直到溶氧浓度超过10mg/L。
2MBBR工艺的研究现状和应用
由于MBBR工艺具有如此多的优点,国外已有很多专家、学者对这一工艺进行了深入地研究,对有机物的去除及脱氮除磷的机理和影响因素有了较深入的认识,在过去的10年中,移动床生物膜技术在挪威得到发展,现在有100多个基于此技术的污水处理厂在世界各地的17个国家已经投入使用或建造中,他们主要用于市政污水或工业废水去除有机物质及氨氮。迄今为止,国外应用MBBR进行处理生活污水、工业废水的小试、中试及生产型实验研究,均取得了较好的效果。近年来,我国不少学者也进行了这方面的研究,但是用于生活污水处理的研究较多,在工业废水方面的研究应用较少,而且大多数处于试验阶段。
G.andreottoia等人在没有增加建筑设施的情况下成功地运用MBBR工艺对一个小型的生物转盘工艺进行了升级,将一个好氧消化池改造为MBBR池,满足了处理要求。并对两种运行工艺进行了研究,发现两种工艺都耐冲击,能承受较大水力负荷。在5-15℃碳和氮的去除率很高;当低于8℃时,碳和氮的去除率仍能保持为72%和73%;当HRT﹤5h时,效率稍微有所下降。但MBBR工艺无需污泥回流,所需的沉淀池体积小而且无堵塞,易管理。MBBR工艺是生物处理工艺须升级时的一个很好的解决方法。
垃圾渗滤液的成分复杂,有机物和氨氮都很高,是一种很难处理的废水。M.X.Loukidou用MBBR和SBR联合公一堆垃圾渗滤液进行了处理:正常运行时,好氧和缺氧交替运行,每天3次,HRT为20天,为了提高硝化反应,HRT在第一个操作循环周期的最后阶段增至24天。在第1天运行周期,COD去除率平均为65%,BOD的去除率为95%,在后来的运行阶段,基本可以达到完全消化;运行稳定时对色度和浊度也有很好的去除效果;磷的去除率大约为65%。瑞典的U.welander等人采用2阶段MBBR以缺氧的方式运行反硝化和去除外加碳源,900L,填充率为40%,加入乙酸作为外加碳源,加入磷酸保持磷的含量在10g/m3左右。第一个反应器运行稳定时,可以达到完全消化,第二个反应器可达到完全反硝化。
3总结
MBBR工艺适用于中小型生活污水和工业有机废水处理,特别是一体化和地埋式污水处理装置。
MBBR工艺是由挪威Kaldnes Mijecpteknogi公司与SINTEF研究机构联合开发的一种污水处理工艺,其吸收了传统流化床和生物接触氧化法两种工艺的优点,具有良好的脱氮除磷效果。目前,该工艺在国外已成功应用于工业废水和生活污水的处理,但在我国应用还较少。
1 MBBR工艺原理及特点
1.1 工艺原理
污水连续经过MBBR反应器(见下图)内的悬浮填料并逐渐在填料内外表面形成生物膜,通过生物膜上的微生物作用,使污水得到净化。填料在反应器内混合液回旋翻转的作用下自由移动:对于好氧反应器,通过曝气使填料移动;对于厌氧反应器,则是依靠机械搅拌。

1.2 工艺特点
MBBR反应器既具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点,又具有活性污泥法的高效性和运转灵活性,与其他工艺相比,MBBR具有以下特点:
(1)反应器中污泥浓度较高,一般污泥浓度为普通活性污泥法污泥浓度的5~10倍,曝气池污泥质量浓度可高达30~40g/L。
(2)水头损失小,不易堵塞,无需反冲洗,一般不需回流。
(3)作为MBBR工艺核心的悬浮填料具有好氧和厌氧代谢活性,可良好地脱氮除磷。
2 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。
2.1 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,TCOD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COD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。
2.2 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。
2.3 脱氮
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。Rusten等在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,硝化速率可达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,总氮的去除率为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。  3 MBBR工艺在运行中易出现的问题
3.1 MBBR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,再根据实际的曝气情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,这样能使气水比降到4:1左右。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。
3.2 填料格栅板
为了防止填料随处理水流失,移动床生物膜反应池的出水口要设置格栅板。但在运行调试过程中易出现格栅堵塞的问题,在实验室采用钻孔塑料板作格栅时也出现了大团悬浮污泥将出水格栅板堵死的情况。虽然通过加强对出水区格栅处进行曝气,可以防止填料对格栅的堵塞,但对于悬浮污泥的附着问题,只能从格栅的材料和间距上解决,如选择光滑吸附性小的材料,间隙在保证能截留填料的前提下尽量加大,使其不易被悬浮物质附着等,这需要在实验和实际工程操作中不断改进,以避免该问题影响整个污水处理系统的正常运行。
4 MBBR工艺的研究方向
4.1 悬浮填料
从经济、高效、实用的角度出发,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,并可制造一些功能区,以适于不同要求的好氧、厌氧微生物的生长,同时又可兼顾其易挂膜、易脱膜的特点。应尽可能地降低悬浮填料的造价,使悬浮填料能更广泛的应用于污水处理。
4.2 MBBR与其它工艺的组合
多级MBBR反应器、MBBR和A/O法联合工艺、生物膜-活性污泥联合工艺、MBBR和SBR联合工艺等组合工艺都具有各自的优点,对这些组合工艺应加强研究并进行实际应用。
工业废水不仅水量和水质波动大,而且一些废水的营养物质缺乏或含有毒或有害物质,对废水处理工艺的要求高。研究者或以悬浮填料生物膜工艺为主体处理单元,或作为生物预处理手段,分别在纸浆废水、有机中高浓度污水、化工、制药、油田等行业的水处理领域获得试验或应用成功。可见,悬浮填料生物膜工艺作为生物处理主体,除污染效率和负荷率均显著优于普通活性污泥法。李锋以上海桃浦工业区处理化工废水的中试结果说明,相同工况的悬浮填料生物膜工艺对有机物的去除能力优于SBR,且出水的水质稳定。孙华以MBBR工艺处理染料化工废水,tHRT为16h的CODCr、BOD5和NH3-N去除效率与活性污泥法HRT为32h的结果相近,而抗冲击性能更优。MBBR处理石化废水的对比研究结果也反映出,tHRT为10h的效果与原活性污泥处理池tHRT为23h的结果相近,但是NH3-N的去除效果更好。悬浮填料生物膜工艺用于高含盐和高水温的油田采出水、中高浓度化工废水、纸浆白水、以及低温处理含较高浓度酚和甲酚废水,均取得了试验成功。
此外,MBBR工艺在高含氮污泥发酵上清液、垃圾渗滤液的硝化反硝化以及原尿高NH3-N浓度的硝化稳定等方面也表现出良好的性能,最大反硝化负荷率达到了55gN/m3.h
效果。可见,MBBR所需的HRT很低,大大了节省了处理构筑物的面积;工艺的适应范围广,能够胜任高含盐、高温或低温条件的工业废水生物处理。悬浮填料生物膜工艺作为中高浓度工业废水的预处理手段或与其它工艺组合应用的研究表明,工艺可快速降解溶解性有机物污染物,有机负荷率高达30~45kgCOD/m3.d,单位填料的面积负荷率达到了53g/m2填料.d。预处理的最短tHRT仅有6h。废水经过预处理后大大降低了后续处理的难度,提高了污泥的沉降性能,出水的水质优于传统方法。
流动床生物氧化工艺(Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)又称悬浮填料生物膜工艺(Suspended Carrier Biofilm Process,SCBP),是微生物载体在废水中处于运动状态的生物接触氧化法。1988年,为解决污水厂传统活性污泥法污泥沉降困难、易流失的问题,增强脱氮功能,挪威Kaldnes Mijecpteknogi公司与SINTEF研究机构联合开发了一种新型生物膜反应器,该反应器工艺简单,提高了污水厂的脱氮效率,改善了运行效果,同时又不需增加原有反应器的容积,这就是最初的KMT移动床生物膜反应器(MBBR)。
填料独特之处主要表现在以下几个方面:
(1) 良好的几何构型(如右图)
◆ 填料外部膜更新快活性强,内部膜受到充分保护,微生物生长状态良好,改变传统填料外部生长的方式,使微生物的降解效率更高。
◆ 特殊的结构使水中空气气泡和污染物可自由穿过填料内部,增加生物膜与氧气和污染物的接触机率,大大提高了系统的传质效率,提高生物的降解活性。
◆ 填料内部生物菌群生命周期长,菌种丰富,特别适合硝化菌的生长,并兼有厌氧好氧的特点,硝化反硝化脱氮效果明显。
(2)填料比表面积大,生物附着量多
◆足够大的载体表面积适合微生物的吸附生长,有效生物浓度高,处理能力强。
◆ 较高的生物浓度使来水的水质波动得到充分的分散,并迅速被消减,从而提高了系统的抗冲击负荷能力。
(3)科学的配方,使填料附着性能好,更容易流态化。
◆ 合适的比重(挂膜后比重接近于 1)使填料在轻微搅拌下即可获得完全的流态化,最大限度的降低能耗;
◆ 填料自由通畅的旋转,增加对水中气泡的撞击和切割,破碎大的气泡,延长气泡在水中停留时间,氧的利用率可提高3个百分点,有效的降低了供氧能耗。
◆ 科学的配方使得微生物更容易附着在填料上;使得对难降解和易降解有机物的微生物共同生长,生物相丰富,提高了难降解有机物的处理效果。
工程应用优势
该工艺填料在工程上的应用优势主要表现在以下几个方面:
(1)高效的脱碳能力
高浓度的生物菌群可获得很强的COD降解能力,COD容积负荷达到6kgCOD/m3.d;同时载体上丰富的生物菌群类型,增加了对难降解有机物的降解性能。因此系统的出水水质更好。
(2)优越的脱氮效果
载体上的生物膜污泥龄长,硝化菌浓度高,因此硝化脱氮能力显著。氨氮的去除率可以达到98%以上。
(3)稳定的出水水质
高浓度的生物量以及附着生长的特性使反应池内一直保持着较高的生物浓度,来水水质的波动可被迅速分解,确保出水水质稳定。
(4)简捷的运行管理
生物膜技术不存在传统活性污泥法的污泥膨胀、污泥上浮以及污泥流失等问题,因此不必频繁的监控反应池污泥情况和变换运行参数,使日常的运行管理更简捷。
(5)较低的运行能耗
该填料的引入可提高氧的利用率3~5%,因此充氧能耗降低
(6)较低的占地面积
在获得相同处理能力和处理效果的条件下,该填料的增加可减少构筑物容积和占地面积1—3倍。
(7)较少的维护和检修
填料材质稳定,可保证使用10年以上不需更换。本公司配套使用的曝气系统长期使用可以免维护,从而大大减少了日常维护和检修费用,保证系统的长期连续运行。
(8)较少的剩余污泥产量
填料上的微生物污泥龄长,生物相多而且稳定化,同时微生物自身氧化分解,故系统污泥产生量少,相应减少了污泥处理费用。
(9)灵活的运行方式
该填料可根据不同的来水水质,选择不同的填料填充率,在好氧、厌氧、缺氧池内投加,以获得相应的处理能力.通过填料的增加可以轻松的获得整体处理能力的提升,满足日后污水进一步扩能的需求。

来源丨污水处理工作室