MBBR一定是未來污水處理的主流技術

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關于MBBR污水的生物膜法既是古老的,又是發展中的工藝。迄今為止,已經有多種生物膜法在使用,如好氧生物濾池、生物轉盤、淹沒式生物濾池,顆粒介質生物膜、流化床等,懸浮載體生物膜法有稱懸浮填料移動床工藝,是在20世紀90年代中期得到開發和應用的,它是吸收了傳統的流化床和生物接觸氧化法兩者的優點而成的一種高效的污水處理方法。其核心部分就是以比重接近于水的懸浮填料直接投加到曝氣池中作為微生物的活性載體,依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用處于流化狀態,它是懸浮生長的活性污泥法和附著生長的生物膜法相結合的一種工藝。以以往的填料不同的是,懸浮填料能與污水頻繁多次接觸,因此被稱為“移動的生物膜”。

1.1具有生物膜法所具有的優點
參與凈化反應微生物的多樣化,微生物專性更強;生物的食物鏈長,正是因為在生物膜上形成的食物鏈長于活性污泥上的食物鏈,在生物膜處理系統內產泥量也少于活性污泥處理系統,據報道由于懸浮填料一般比表面積都較大,附著在填料表面及內部生長的微生物數量大、種類多,因此污泥濃度可達普通活性污泥法的污泥濃度的5-10倍,曝氣池污泥總質量濃度最高可達30-40g/L,并且在填料單元內可以形成從細菌-原生動物-后生動物的食物鏈;能夠存活世代時間較長的微生物,這是因為在生物膜處理法中,生物固體平均停留時間與水力停留時間無關,時代時間較長的硝化菌和亞硝化菌也能得以繁衍、增殖;由生物膜上脫落下來的生物污泥,所含的動物成份很多,比重較大,而且污泥顆粒個體較大,污泥的沉降性良好,易于固液分離,系統的處理效果不太依賴微生物的分離;能夠處理低濃度的污水;活性污泥處理系統在原污水的BOD值長期低于50-60mg/L,將影響活性污泥的絮凝體的形成和增長,凈化功能降低,處理水質下降。但是,生物膜處理法對低濃度污水,也能取得較好的處理效果。
1.2與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聯合工藝,取二者之長,避二者之短。和MBBR工藝相比:①好氧生物濾池不能充分利用池容;②生物轉盤經常出現機械設備問題;③淹沒式生物濾池難以使負荷均勻分布在載體的表面;④由于需要反洗,顆粒介質生物濾池不能連續工作;⑤流化床不穩定。與多數的生物膜反應器相比,,MBBR克服了這些缺點,利用了整個池容,和活性污泥反應器一樣;與活性污泥反應器相比,它不需要污泥回流,和生物膜反應器一樣。生物膜在整個反應器內自由流化的載體上生長,在反應器得出流處用格柵將載體截流在反應器內。因為不需要污泥回流,只有剩余的微生物需分離,這就比活性污泥法有很大的優勢。1.3懸浮填料的特點
在MBBR法中,懸浮填料是其核心部分,具有獨特的優點:
⑴懸浮填料在不曝氣時浮于水的表面,無須固定支架支撐,這是反應池的安裝和維修變得很方便;當曝氣時,生長了生物膜的填料密度因與水接近,填料依靠曝氣的攪拌作用,處于流化狀態,這不僅使污水與填料上的生物膜廣泛而頻繁多次地接觸,而且填料在流化過程中切割分散氣泡,使布氣趨于均勻,氧利用率也得到了提高,由此產生的固、液、氣的三相充分接觸混合和碰撞,增大了傳質面積,提高了傳質效率,強化了傳質過程,因此,在達到一定的污染物去除率情況下,污水在池內的停留時間更短,同時,即使有了沖擊負荷,也可以很快的恢復處理效果。另外,懸浮填料受到氣流、水流的沖刷,老化的膜能夠自動脫落,保證了膜的活性,促進了新陳代謝,而且在反應池中水流化的填料還可能大量生長絲狀菌,既可利用絲狀菌高效降解有機物的功能,使出水水質改善,又無污泥膨脹之虞。
⑵維護管理方便。由于填料比重與水接近,只需要很少的氣量即可使其均勻懸浮于水中。使用時無需填料支架,只需在曝氣池出水處設置柵網攔截,靠曝氣水流將其回流至池前端,可節省投資,且投配、更新更方便。另外操作者不用像管理活性污泥法系統那樣,擔心污泥回流比、排除剩余污泥量及污泥膨脹等問題,因此,操作簡單,工作量也少。
⑶填充率易選擇。30%-50%(體積比)的填料在曝氣池中流化良好。對于懸浮填料只要沖氧能力許可并保證其自由懸浮,可以根據需要選擇填充比率。
1.4主要特點
資料顯示,MBBR工藝的主要特點:為了維持較高的硝化率,需要較高的溶解氧。硝化率取決于有機物的負荷、氨的濃度和溶解氧3個因素。研究表明:在這3個參數中有機負荷是關鍵因素,應該盡可能低,當有機負荷BOD超過4g/(m2d),需要很高的溶氧濃度才能使硝化反應發生;當氨的濃度很低時,才會限制硝化作用;更重要的是溶解氧的影響,即使他的濃度相當高也可能限制硝化率。試驗中當溶氧的濃度大于2-3mg/L硝化作用才開始進行,而且硝化率和溶氧的濃度接近線性關系,直到溶氧濃度超過10mg/L。
2MBBR工藝的研究現狀和應用
由于MBBR工藝具有如此多的優點,國外已有很多專家、學者對這一工藝進行了深入地研究,對有機物的去除及脫氮除磷的機理和影響因素有了較深入的認識,在過去的10年中,移動床生物膜技術在挪威得到發展,現在有100多個基于此技術的污水處理廠在世界各地的17個國家已經投入使用或建造中,他們主要用于市政污水或工業廢水去除有機物質及氨氮。迄今為止,國外應用MBBR進行處理生活污水、工業廢水的小試、中試及生產型實驗研究,均取得了較好的效果。近年來,我國不少學者也進行了這方面的研究,但是用于生活污水處理的研究較多,在工業廢水方面的研究應用較少,而且大多數處于試驗階段。
G.andreottoia等人在沒有增加建筑設施的情況下成功地運用MBBR工藝對一個小型的生物轉盤工藝進行了升級,將一個好氧消化池改造為MBBR池,滿足了處理要求。并對兩種運行工藝進行了研究,發現兩種工藝都耐沖擊,能承受較大水力負荷。在5-15℃碳和氮的去除率很高;當低于8℃時,碳和氮的去除率仍能保持為72%和73%;當HRT﹤5h時,效率稍微有所下降。但MBBR工藝無需污泥回流,所需的沉淀池體積小而且無堵塞,易管理。MBBR工藝是生物處理工藝須升級時的一個很好的解決方法。
垃圾滲濾液的成分復雜,有機物和氨氮都很高,是一種很難處理的廢水。M.X.Loukidou用MBBR和SBR聯合公一堆垃圾滲濾液進行了處理:正常運行時,好氧和缺氧交替運行,每天3次,HRT為20天,為了提高硝化反應,HRT在第一個操作循環周期的最后階段增至24天。在第1天運行周期,COD去除率平均為65%,BOD的去除率為95%,在后來的運行階段,基本可以達到完全消化;運行穩定時對色度和濁度也有很好的去除效果;磷的去除率大約為65%。瑞典的U.welander等人采用2階段MBBR以缺氧的方式運行反硝化和去除外加碳源,900L,填充率為40%,加入乙酸作為外加碳源,加入磷酸保持磷的含量在10g/m3左右。第一個反應器運行穩定時,可以達到完全消化,第二個反應器可達到完全反硝化。
3總結
MBBR工藝適用于中小型生活污水和工業有機廢水處理,特別是一體化和地埋式污水處理裝置。
MBBR工藝是由挪威Kaldnes Mijecpteknogi公司與SINTEF研究機構聯合開發的一種污水處理工藝,其吸收了傳統流化床和生物接觸氧化法兩種工藝的優點,具有良好的脫氮除磷效果。目前,該工藝在國外已成功應用于工業廢水和生活污水的處理,但在我國應用還較少。
1 MBBR工藝原理及特點
1.1 工藝原理
污水連續經過MBBR反應器(見下圖)內的懸浮填料并逐漸在填料內外表面形成生物膜,通過生物膜上的微生物作用,使污水得到凈化。填料在反應器內混合液回旋翻轉的作用下自由移動:對于好氧反應器,通過曝氣使填料移動;對于厭氧反應器,則是依靠機械攪拌。

1.2 工藝特點
MBBR反應器既具有傳統生物膜法耐沖擊負荷、泥齡長、剩余污泥少的特點,又具有活性污泥法的高效性和運轉靈活性,與其他工藝相比,MBBR具有以下特點:
(1)反應器中污泥濃度較高,一般污泥濃度為普通活性污泥法污泥濃度的5~10倍,曝氣池污泥質量濃度可高達30~40g/L。
(2)水頭損失小,不易堵塞,無需反沖洗,一般不需回流。
(3)作為MBBR工藝核心的懸浮填料具有好氧和厭氧代謝活性,可良好地脫氮除磷。
2 MBBR工藝的應用概況
目前,國內外已對MBBR工藝進行了多項試驗性研究,并在實際應用中取得了較好的效果。由于MBBR可減少現有污水處理系統的體積,易于在現有污水處理廠基礎上升級,且處理效果好,歐洲、美國、日本、新西蘭以及我國均建有MBBR型污水處理廠。
2.1 處理高負荷污水
MBBR工藝在高負荷條件下性能穩定,可多級聯用處理污水。如可將3個MBBR連接使用處理肉類加工廢水,第一個反應器的COD負荷高達10kg/m3,HRT約為4h,TCOD去除率為50%~75%;第二個和第三個反應器的總HRT為4~13h,TCOD去除率為75%、SCOD去除率為70%~88%,有機物去除率與有機負荷呈線性關系。
季民等采用厭氧復合床生物膜反應器處理高濃度有機廢水實驗,取得了良好效果。在進水COD為5300~20140mg/L、COD容積負荷為5.38~20.62kg/m3·d、HRT為0.98d的操作條件下,COD去除率>90%。
垃圾滲濾液的成分復雜,有機物濃度較高,是一種很難處理的廢水,M.X.Loukidou采用MBBR和SBR聯合工藝對垃圾滲濾液進行了處理,載體使用聚亞胺酯和顆粒活性炭,該工藝對污染物同時具有物理、化學和生物降解作用,可有效去除垃圾滲濾液的有機物、色度和濁度。
2.2 處理低負荷污水
有些單位將生活污水與沖洗水混合排放,導致生活污水中有機物濃度較低,不適合普通的活性污泥法處理。張興文等利用MBBR工藝處理中國石化撫順乙烯有限公司廠區內生活污水及沖洗水的混合排放污水。具體工藝流程為調節池-MBBR-沉淀池-纖維球過濾罐-活性炭過濾罐。進水水質為COD76mg/L、BOD37mg/L,在水力停留時間為2.4h、氣水比為4∶1的情況下,出水各項水質指標均可達到國家環保冷卻水回用標準要求。
馬建勇等研究了MBBR處理低負荷生活污水時啟動和運行的性能和特點,發現閉路循環法比排泥掛膜法啟動稍慢,但運行初期的處理效果比后者好。同時還考察了懸浮污泥與填料生物膜之間的關系,發現懸浮污泥對填料生物有抑制作用,不利于反應器的長期穩定運行。
2.3 脫氮
MBBR中生物膜主要固著在填料上,污泥停留時間與水力停留時間無關,硝化菌、亞硝化菌等生長世代時間較長、比增長速率很小的微生物都可以在填料上生長,從而增強了脫氮能力。脫氮過程分為硝化和反硝化兩個階段,分別由硝化菌和反硝化菌完成。MBBR可以實現硝化菌與反硝化菌在空間上相對獨立生長,從而優化了兩種菌群的生長條件。
MBBR用于生物脫氮取得了較好的效果。Rusten等在FREVAR廢水處理廠使用Kaldnes型KI填料中試進行廢水的脫氮處理,進水為預處理過的生活污水,溫度為4.8℃~20℃。結果表明,10℃時,硝化速率可達190gTNK/m2·d,反應器的pH≥7。前期脫氮效果主要受水中易降解有機物濃度和MBBR缺氧區進水中溶解氧濃度的影響。該設計將MBBR與前硝化、后脫氮、絮凝劑最后的固體分離系統結合使用,如進水為25mgTN/L,總氮的去除率為70%,空床HRT可達4~5h。
2,3-二甲基苯胺是一種環狀結構且有毒不易降解的有機物,在生產染料和甲滅酸工廠排出的廢水中,含有大量該物質。邢國平等采用循環MBBR對該廢水進行處理,當HRT較短時,氨氮的去除率較大,因為主要發生的是微生物的耗氧,且氨氮的去除率與其容積負荷成反比。  3 MBBR工藝在運行中易出現的問題
3.1 MBBR反應器的流化態
反應器中的填料依靠曝氣和水流的提升作用處于流化狀態,在實際操作中,經常出現由于整個池內進氣分布不均勻而導致局部填料堆積的現象。因此需通過池型作水力特性計算來改進進氣管路的布置和優化池內曝氣頭的分布,再根據實際的曝氣情況調節各曝氣頭上緊固橡皮墊的螺母松緊程度,調節單個曝氣頭的曝氣量。除保證池內出水端具有較大曝氣量,以便使整個池內填料呈均勻流化狀態外,還可以采用穿孔曝氣管,便于使池四邊和四角進氣分布均勻。反應器的構造在很大程度上決定了它的水力特性。試驗表明,反應器的長深比為0.5左右時有利于填料完全移動,或者通過導流板的強制循環來解決池內死角的問題,這樣能使氣水比降到4:1左右。在實際工程設計時應通過大量試驗來優化反應器的構造和水力特性,降低能耗,進一步提高MBBR的經濟效益。
3.2 填料格柵板
為了防止填料隨處理水流失,移動床生物膜反應池的出水口要設置格柵板。但在運行調試過程中易出現格柵堵塞的問題,在實驗室采用鉆孔塑料板作格柵時也出現了大團懸浮污泥將出水格柵板堵死的情況。雖然通過加強對出水區格柵處進行曝氣,可以防止填料對格柵的堵塞,但對于懸浮污泥的附著問題,只能從格柵的材料和間距上解決,如選擇光滑吸附性小的材料,間隙在保證能截留填料的前提下盡量加大,使其不易被懸浮物質附著等,這需要在實驗和實際工程操作中不斷改進,以避免該問題影響整個污水處理系統的正常運行。
4 MBBR工藝的研究方向
4.1 懸浮填料
從經濟、高效、實用的角度出發,應對填料表面的化學特性及懸浮填料的脫落機制進行深入的研究,并可制造一些功能區,以適于不同要求的好氧、厭氧微生物的生長,同時又可兼顧其易掛膜、易脫膜的特點。應盡可能地降低懸浮填料的造價,使懸浮填料能更廣泛的應用于污水處理。
4.2 MBBR與其它工藝的組合
多級MBBR反應器、MBBR和A/O法聯合工藝、生物膜-活性污泥聯合工藝、MBBR和SBR聯合工藝等組合工藝都具有各自的優點,對這些組合工藝應加強研究并進行實際應用。
工業廢水不僅水量和水質波動大,而且一些廢水的營養物質缺乏或含有毒或有害物質,對廢水處理工藝的要求高。研究者或以懸浮填料生物膜工藝為主體處理單元,或作為生物預處理手段,分別在紙漿廢水、有機中高濃度污水、化工、制藥、油田等行業的水處理領域獲得試驗或應用成功。可見,懸浮填料生物膜工藝作為生物處理主體,除污染效率和負荷率均顯著優于普通活性污泥法。李鋒以上海桃浦工業區處理化工廢水的中試結果說明,相同工況的懸浮填料生物膜工藝對有機物的去除能力優于SBR,且出水的水質穩定。孫華以MBBR工藝處理染料化工廢水,tHRT為16h的CODCr、BOD5和NH3-N去除效率與活性污泥法HRT為32h的結果相近,而抗沖擊性能更優。MBBR處理石化廢水的對比研究結果也反映出,tHRT為10h的效果與原活性污泥處理池tHRT為23h的結果相近,但是NH3-N的去除效果更好。懸浮填料生物膜工藝用于高含鹽和高水溫的油田采出水、中高濃度化工廢水、紙漿白水、以及低溫處理含較高濃度酚和甲酚廢水,均取得了試驗成功。
此外,MBBR工藝在高含氮污泥發酵上清液、垃圾滲濾液的硝化反硝化以及原尿高NH3-N濃度的硝化穩定等方面也表現出良好的性能,最大反硝化負荷率達到了55gN/m3.h
效果。可見,MBBR所需的HRT很低,大大了節省了處理構筑物的面積;工藝的適應范圍廣,能夠勝任高含鹽、高溫或低溫條件的工業廢水生物處理。懸浮填料生物膜工藝作為中高濃度工業廢水的預處理手段或與其它工藝組合應用的研究表明,工藝可快速降解溶解性有機物污染物,有機負荷率高達30~45kgCOD/m3.d,單位填料的面積負荷率達到了53g/m2填料.d。預處理的最短tHRT僅有6h。廢水經過預處理后大大降低了后續處理的難度,提高了污泥的沉降性能,出水的水質優于傳統方法。
流動床生物氧化工藝(Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)又稱懸浮填料生物膜工藝(Suspended Carrier Biofilm Process,SCBP),是微生物載體在廢水中處于運動狀態的生物接觸氧化法。1988年,為解決污水廠傳統活性污泥法污泥沉降困難、易流失的問題,增強脫氮功能,挪威Kaldnes Mijecpteknogi公司與SINTEF研究機構聯合開發了一種新型生物膜反應器,該反應器工藝簡單,提高了污水廠的脫氮效率,改善了運行效果,同時又不需增加原有反應器的容積,這就是最初的KMT移動床生物膜反應器(MBBR)。
填料獨特之處主要表現在以下幾個方面:
(1) 良好的幾何構型(如右圖)
◆ 填料外部膜更新快活性強,內部膜受到充分保護,微生物生長狀態良好,改變傳統填料外部生長的方式,使微生物的降解效率更高。
◆ 特殊的結構使水中空氣氣泡和污染物可自由穿過填料內部,增加生物膜與氧氣和污染物的接觸機率,大大提高了系統的傳質效率,提高生物的降解活性。
◆ 填料內部生物菌群生命周期長,菌種豐富,特別適合硝化菌的生長,并兼有厭氧好氧的特點,硝化反硝化脫氮效果明顯。
(2)填料比表面積大,生物附著量多
◆足夠大的載體表面積適合微生物的吸附生長,有效生物濃度高,處理能力強。
◆ 較高的生物濃度使來水的水質波動得到充分的分散,并迅速被消減,從而提高了系統的抗沖擊負荷能力。
(3)科學的配方,使填料附著性能好,更容易流態化。
◆ 合適的比重(掛膜后比重接近于 1)使填料在輕微攪拌下即可獲得完全的流態化,最大限度的降低能耗;
◆ 填料自由通暢的旋轉,增加對水中氣泡的撞擊和切割,破碎大的氣泡,延長氣泡在水中停留時間,氧的利用率可提高3個百分點,有效的降低了供氧能耗。
◆ 科學的配方使得微生物更容易附著在填料上;使得對難降解和易降解有機物的微生物共同生長,生物相豐富,提高了難降解有機物的處理效果。
工程應用優勢
該工藝填料在工程上的應用優勢主要表現在以下幾個方面:
(1)高效的脫碳能力
高濃度的生物菌群可獲得很強的COD降解能力,COD容積負荷達到6kgCOD/m3.d;同時載體上豐富的生物菌群類型,增加了對難降解有機物的降解性能。因此系統的出水水質更好。
(2)優越的脫氮效果
載體上的生物膜污泥齡長,硝化菌濃度高,因此硝化脫氮能力顯著。氨氮的去除率可以達到98%以上。
(3)穩定的出水水質
高濃度的生物量以及附著生長的特性使反應池內一直保持著較高的生物濃度,來水水質的波動可被迅速分解,確保出水水質穩定。
(4)簡捷的運行管理
生物膜技術不存在傳統活性污泥法的污泥膨脹、污泥上浮以及污泥流失等問題,因此不必頻繁的監控反應池污泥情況和變換運行參數,使日常的運行管理更簡捷。
(5)較低的運行能耗
該填料的引入可提高氧的利用率3~5%,因此充氧能耗降低
(6)較低的占地面積
在獲得相同處理能力和處理效果的條件下,該填料的增加可減少構筑物容積和占地面積1—3倍。
(7)較少的維護和檢修
填料材質穩定,可保證使用10年以上不需更換。本公司配套使用的曝氣系統長期使用可以免維護,從而大大減少了日常維護和檢修費用,保證系統的長期連續運行。
(8)較少的剩余污泥產量
填料上的微生物污泥齡長,生物相多而且穩定化,同時微生物自身氧化分解,故系統污泥產生量少,相應減少了污泥處理費用。
(9)靈活的運行方式
該填料可根據不同的來水水質,選擇不同的填料填充率,在好氧、厭氧、缺氧池內投加,以獲得相應的處理能力.通過填料的增加可以輕松的獲得整體處理能力的提升,滿足日后污水進一步擴能的需求。

來源丨污水處理工作室

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