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MBBR工艺

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MBBR工艺背景介绍

移动床生物膜反应器(moving-bed-biofilm-reactor,简称MBBR)在80年代末在欧洲得到应用,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。

 

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。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。

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

DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素。理论上,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。

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。国外实验结果表明:在一般情况下,随着HRT的逐渐延长,出水COD浓度会逐渐降低。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。

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。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。

5、pH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。

 

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。

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。

 

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。

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。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。

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工艺在运行中易出现的问题

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。

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。

 

对MBBR工艺的建议

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。

2 、MBBR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。

3 、MBBR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。

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。

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