MBBR工艺特点、研究现状及发展前景
张凯
摘　要：　悬浮载体生物膜工艺(MBBR)又称悬浮填料移动工艺,是在20世纪90年代中期得到开发和应用的,它吸收了传统的活性污泥法和生物膜法两者的优点而成为一种高效的污水处理方法。在国外,悬浮载体移动膜工艺已进入使用阶段。我国在悬浮载体移动膜工艺上基本还处于研究阶段。对这一工艺的特点、研究现状及方向作了介绍。
关键词: 移动床生物膜工艺(MBBR)　悬浮载体　废水处理
  污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水生物处理技术。这种处理法的实质是使细菌和菌类一类的微生物,和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在滤料或某些载体上生长繁殖,并在其上形成膜状生物污泥生物膜。污水与生物膜接触,污水中的有机物作为营养物质,为生物膜上的微生物所摄取,污水得到净化,微生物自身也得到繁衍增殖。
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(RBC)、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
又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[]。与以往的填料不同的是,悬浮的填料能与污水频繁多次接触,因此被称为“移动的生物膜”。在国外,悬浮载体移动膜工艺已进入使用阶段,而我国的悬浮载体移动膜工艺基本上还处于实验室研究阶段和中试研究阶段。
1　特点
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30~40 g/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
[4];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,世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,所含的动物成分较多,比重较大,而且污泥颗粒个体较大,污泥的沉降性能良好,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50~60 mg/L,将影响活性污泥的絮凝体的形成和增长,净化功能降低,处理水质低下。但是,生物膜处理法对低浓度污水,也能够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由于需要反冲,洗颗粒介质生物滤池不能连续工作;⑤流化床不稳定[1]。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;与活性污泥相比,它不需要任何污泥回流,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,在反应器的出流处用格栅将载体截留在反应器内。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[5]。
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:
(1)悬浮填料在不曝气时浮于水的表面,无须固定支架支撑,这使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、气三相的充分接触混合和碰撞,增大了传质面积,提高了传质速率,强化了传质过程,因此,在达到一定污染物去除率情况下,污水在池内的停留时间更短,同时,即使有冲击负荷,也可以很快地恢复处理效果。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,而且在反应池中随水流化在填料上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,使出水改善,又无污泥膨胀 [7]。
(2)维护管理方面。由于填料比重与水相近,只需很小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,操作者不用象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,工作量也较少[4,5]。
(3)填充率易选择。同济大学的专利产品悬浮填料,在填充率为0、10%、30%、50%(体积比)实验根据充氧能力试验的结果,最多采用50%的投配率,这时填料在曝气池中流化良好[8]。在Loukidou的研究中用了约1 cm3的立方体,其填充率为50%。H.Фdegaard采用了KⅠ(长为7 mm,直径为15 mm的圆柱体)和KⅡ(长度和直径均为15 mm)2种填料,建议为了保证填料能够自由悬浮,填充率(填料的填充率是填料堆积体积占曝气池有效体积的百分比)要低于70%,并对2种填料的单位内表面积的去除率进行了研究,发现两者很接近[1]。所以对于悬浮填料只要充氧能力许可并保证其自由悬浮,可以根据需要选择填充率。
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[1,6]。硝化率取决于有机物的负荷、氨的浓度和溶解氧3个因素。H.Фdegaard的研究表明: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4 g/(m2·d),需要很高的溶氧浓度(>6 mg/L)才能使硝化反应发生;当氨的浓度很低(<3 mg/L)时,才会限制硝化作用;更重要的是溶氧
的影响,即使它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2~3 mg/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10 mg/L[1]。
2　研究的现状
2.1　填料
悬浮填料是近年来国内外污水处理研究开发的一大动向。悬浮填料多采用聚乙烯及其改性材料、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫等特制塑料或树脂制成,比重接近于水,或稍大于1,或稍小于1(如表1所示,聚乙烯、聚丙烯材料符合上述要求),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;又因为圆筒状当其长径比为1时接近于球状,因此选择圆筒状。目前,填充在生物膜反应器的填料的比表面积多在100~500 m2/m3之间。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。
2.2　MBBR工艺的研究现状和应用
由于MBBR工艺具有如此多的优点,国外已有许多专家、学者对这一工艺进行了深入的研究,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[1,5,8,9,11],在过去的10年中,移动床生物膜技术在挪威得到了发展,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在建造之中,它们主要用于市政污水或工业废水去除有机物质及NH+4N[1]。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。近年来,我国不少学者也进行了这方面的研究,但用于生活污水处理的研究较多,在工业废水方面的应用研究较少,而且大多处于试验性研究阶段,悬浮填料在我国污水处理工程中的应用实例还不多。
G.Andreottoia等人[10]在没有增加建筑设施的情况下成功地运用MBBR工艺对1个小型的生物转盘工艺进行了升级,将1个好氧消化池改造为MBBR反应池,满足了处理要求。并对2种运行工艺进行了研究,发现2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分别保持为73%和72%;当HRT<5 h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联合工艺对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1个操作循环周期的最后阶段增至24天。在第1个运行周期,COD去除率平均为65%,BOD5的去除率为95%,在后来的运行阶段,基本可以达到完全硝化;运行稳定时对度和浊度也有很好的去除效果;磷的去除率大约为65%[5]。瑞典的U.WELANDER等人采用2阶段悬浮载体生物膜工艺进行垃圾渗滤液中试试验,第1个反应器5 m3,60%的填充率,好氧进行硝化反应和去除有机物,同时第2个反应器以缺氧的方式运行反硝化和去除外加碳源,900 L,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10 g/m3左右。第1个反应器运行稳定时,可以达到完全硝化,第2个反应器可达到完全反硝化,在实验阶段最大的反硝化率为55 g/m3,在接近完全反硝化时,氮的总去除率大约为90%[10]。悬浮载体生物膜工艺是处理垃圾渗透液的有效且经济的方法,值得深入研究。
此外,悬浮填料还可与一些物理、化学方法相结合,应用于要求深度处理的小型污水处理厂。挪威在这方面做了很多研究,其中悬浮填料生物接触氧化法/化学沉淀法是结合较好的一类工
艺,在Steinsholt污水处理厂3年的运行中,采用投加聚乙烯填料与使用Al3+絮凝剂进行化学沉淀相结合的工艺,在进水CODcr在380~620 mg/L范围内(机率80%),极端CODcr达1 600 mg/L,BOD5达800 mg/L的情况下,90%时间内出水CODcr低于50 mg/L,BOD5也相当低,极端最高时也仅有25 mg/L;总磷的去除率大于97%,90%出水未超过0.37 mg/L;平均出水SS为13 mg/L,与活性污泥法/化学沉淀法相比(出水平均SS为24 mg/L,TP为1.20 mg/L),效果好了许多[4]。另据资料表明,悬浮填料还可用于中水、化工、制药、印染、制革、造纸等工业废水的处理,效果也很好。
reactor technology3　发展方向
(1)悬浮填料的研究方向。目前,我国对悬浮填料的研究才刚刚起步,从经济、高效、实用的角度出发,我认为应在材质方面,寻价格更低廉,使用寿命长,易挂膜的原材料;在结构方面,应尽可能设计出比表面积大的形状,应该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,并可以制造一些功能区,适于不同要求的厌氧、好氧微生物生长,又兼顾易挂膜、易脱膜的特点。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去。
(2)MBBR工艺的研究方向。此工艺用于城市污水、各种工业废水的最佳条件的研究,尽快使工艺投入使用;移动床生物膜污水处理技术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技术在国内的研究和应用还处于起步阶段,需要有关的工艺设计资料和运行管理的经验。另外和其它工艺组合的工艺如多级悬浮填料生物反应器处理工业废水、悬浮填料生物膜工艺和A/O法联合工艺、生物膜活性污泥联合工艺、悬浮载体生物膜工艺和SBR联合工艺等工艺都具有2种工艺的优点,对这些组合工艺应该进行深入研究并运用到实际中。

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