MBBR工藝的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，工業(yè)廢水量和生活污水量逐年增長，城市水污染問題日益突出。合格可用的淡水資源不斷減少，城市工業(yè)和生活用水的供需矛盾加劇，治理水污染已經(jīng)成為各地經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。由于我國水體富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，而目前應(yīng)用較廣泛的常規(guī)二級生化處理工藝對污水中的N營養(yǎng)物質(zhì)的去除率不高，難以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，因此脫氮工藝的研究已經(jīng)成為水污染控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。MBBR（移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器）是一種新技術(shù)，目前在國內(nèi)應(yīng)用較少，實(shí)踐情況表明，MBBR工藝在有機(jī)物和氨氮的處理效果方面要強(qiáng)于傳統(tǒng)活性污泥法和傳統(tǒng)生物膜法，該技術(shù)可以提高有機(jī)物去除效率，脫氮效果較好。
1 MBBR工藝的原理和特點(diǎn)
1.1 MBBR工藝的原理
MBBR工藝原理是通過向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提高反應(yīng)器中的生物量及生物種類，從而提高反應(yīng)器的處理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝氣的時(shí)候，與水呈完全混合狀態(tài)，微生物生長的環(huán)境為氣、液、固三相。載體在水中的碰撞和剪切作用，使空氣氣泡更加細(xì)小，增加了氧氣的利用率。另外，每個(gè)載體內(nèi)外均具有不同的生物種類，內(nèi)部生長一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好養(yǎng)菌，這樣每個(gè)載體都為一個(gè)微型反應(yīng)器，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時(shí)存在，從而提高了處理效果。
MBBR工藝兼具傳統(tǒng)流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型高效的污水處理方法，依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài), 進(jìn)而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜，這就使得移動(dòng)床生物膜使用了整個(gè)反應(yīng)器空間，充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物兩者的優(yōu)越性，使之揚(yáng)長避短，相互補(bǔ)充。與以往的填料不同的是，懸浮填料能與污水頻繁多次接觸因而被稱為“移動(dòng)的生物膜”。
1.2 MBBR的特點(diǎn)
與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運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性，又具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長、剩余污泥少的特點(diǎn)。
（1）填料特點(diǎn)
填料多為聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫體等制成的，比重接近于水，以圓柱狀和球狀為主，易于掛膜，不結(jié)團(tuán)、不堵塞、脫膜容易。
（2）良好的脫氮能力
填料上形成好養(yǎng)、缺氧和厭氧環(huán)境，硝化和反硝化反應(yīng)能夠在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生，對氨氮的去除具有良好的效果。
（3）去除有機(jī)物效果好
反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較高，一般污泥濃度為普通活性污泥法的5～10倍，可高達(dá)30～40g/L。提高了對有機(jī)物的處理效率，同時(shí)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。
（4）易于維護(hù)管理
曝氣池內(nèi)無需設(shè)置填料支架，對填料以及池底的曝氣裝置的維護(hù)方便，同時(shí)能夠節(jié)省投資及占地面積。
2 MBBR的研究現(xiàn)狀
2.1 國外對MBBR的研究應(yīng)用現(xiàn)狀
MBBR是在20世紀(jì)90年代中期得到開發(fā)和應(yīng)用的，其兼具傳統(tǒng)流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型高效的污水處理方法。迄今為止，國外已應(yīng)用MBBR進(jìn)行處理生活污水、工業(yè)廢水的小試、中試及生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究，均取得了較好的效果。其中，美國的Captor工藝和德國的Linpor工藝是目前兩種比較成熟的多孔懸浮載體系統(tǒng)。在完全混合反應(yīng)器中加入聚氨酯泡沫塊供微生物附著生長，用于處理城市生活污水，研究了其對BOD的去除和硝化作用。
結(jié)果表明，硝化細(xì)菌優(yōu)先附著生長在載體上，硝化活性達(dá)0.33mgN/h·塊載體（載體體積為8cm3/塊），在4h內(nèi)，BOD可完全去除，并繼而發(fā)生硝化作用，硝化作用可在10h內(nèi)完成。在過去的10年中，移動(dòng)床生物膜技術(shù)在挪威得到了發(fā)展，現(xiàn)已有100多個(gè)基于此技術(shù)的污水處理廠在17個(gè)國家中投入使用或在建造之中，它們主要用于去除市政污水或工業(yè)廢水中的有機(jī)物及氨氮。
微生物賴以棲息的新型載體的研制開發(fā)是移動(dòng)生物膜法處理廢水的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能直接影響著污水的處理效果和投資費(fèi)用。科研工作者以改進(jìn)填料為突破口，不斷推動(dòng)移動(dòng)生物膜法的發(fā)展。目前的懸浮填料大多是由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫體等制成的，比重接近于水，長了生物膜以后，在正常的曝氣強(qiáng)度下極易達(dá)到全池流化翻動(dòng)。懸浮填料的形狀通常為球狀、圓筒狀或粒狀，一般認(rèn)為球狀有良好的水力學(xué)特性，是最理想的形狀。但受到生產(chǎn)技術(shù)的限制，有時(shí)將材料作成球狀很困難；而圓筒狀填料當(dāng)其長徑比為1時(shí)接近于球狀，因此懸浮填料一般選擇圓筒狀。另外，填充在生物膜反應(yīng)器的填料的比表面積多在100～500m2/m3之間。由聚乙烯制成的懸浮填料分兩種：一種為φ10×7（mm）、比表面積為335m2/m3，另一種為φ15×15（mm）、比表面積為235m2/m3；由聚丙烯制成的懸浮填料，密度為0.94g/cm3，形狀為有波紋的圓柱體，尺寸為φ15～20（mm）×20～30（mm）。
2.2 國內(nèi)對MBBR的研究現(xiàn)狀
近年來，我國不少學(xué)者也進(jìn)行了MBBR工藝的研究，但大多仍處于試驗(yàn)性研究階段。其關(guān)鍵技術(shù)在于對懸浮填料的研究，如同濟(jì)大學(xué)的專利產(chǎn)品為φ50×50（mm）的圓筒狀懸浮填料，比表面積為278m2/m3，材料為改性的聚乙烯；李峰報(bào)道的懸浮填料由聚丙烯塑料制成，為φ50×50（mm）的圓筒狀，比表面積為350m2/m3。一般來說，國內(nèi)使用的載體外形尺寸比國外的要大，這主要是受整個(gè)工藝和出水格柵的限制。
總體而言，我國目前對懸浮填料的研究才剛剛起步，新型懸浮填料在我國污水處理工程中的應(yīng)用具有廣泛的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)常用的填料有蜂窩填料、軟性填料、半軟性填料及復(fù)合填料等固定型填料，但這些填料在使用中常會(huì)遇到堵塞、結(jié)團(tuán)、布?xì)獠妓痪鶆虻葐栴}，影響了生物處理效果。另外，上述填料均需安裝在輔助支架上，這就給填料的安裝、更換等造成諸多不便，使工程投資和運(yùn)行管理費(fèi)用相對提高。
從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效的角度出發(fā)，高性能的新型填料在材質(zhì)方面，應(yīng)具有價(jià)格低廉、使用壽命長、易掛膜等特點(diǎn)；在結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)的比表面積應(yīng)盡可能地大，并可以制造一些功能區(qū)，適應(yīng)不同要求的厭氧、好氧微生物的生長，又兼顧易脫膜的特點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)盡可能地降低懸浮填料的造價(jià)，最大程度發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使懸浮填料能更廣泛地應(yīng)用到污水處理中。
目前，國內(nèi)對MBBR工藝的應(yīng)用多為一些小型工程，在技術(shù)參數(shù)方面多為探索階段。
3 MBBR工藝在國內(nèi)的應(yīng)用
3.1 應(yīng)用于生活污水處理
以北京市順義區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院為例。該衛(wèi)生院產(chǎn)生的醫(yī)療廢水多為生活污水，處理水量為25～50m3/d，2005年至2007年針對順義區(qū)的張喜莊、北小營、木林、南法信、馬坡、張鎮(zhèn)、空港、天竺、北石槽、俸伯、區(qū)血站、小店、北務(wù)、大孫各莊、南彩、龍灣屯等衛(wèi)生院的污水進(jìn)行了處理，其中前八個(gè)衛(wèi)生院采用傳統(tǒng)生物膜AO工藝，后八個(gè)單位采用MBBR工藝。工藝前端均設(shè)格柵和調(diào)節(jié)池，后端采用豎流式沉淀池和二氧化氯消毒。使用傳統(tǒng)生物膜AO工藝的污水處理站中的A池水力停留時(shí)間為4h，O池水力停留時(shí)間為6h，回流比100%，彈性填料填充比75%，氣水比15∶1。采用MBBR工藝的兩個(gè)曝氣池總停留時(shí)間為7h，不設(shè)回流，采用φ20×20（mm）柱狀改性聚乙烯懸浮填料,比表面積510m2/m3，填充比50%，氣水比10∶1，其中第二個(gè)反應(yīng)池間斷曝氣。反應(yīng)池采用下布水，池底設(shè)微孔曝氣管進(jìn)行曝氣，出水設(shè)活動(dòng)?xùn)虐濉?005年12月和2007年1月經(jīng)順義區(qū)環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見下表：
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3.2 與生物膜AO工藝聯(lián)合應(yīng)用
采用MBBR工藝與生物膜AO工藝聯(lián)合處理生活污水也取得了良好的效果。如順鑫瀾庭小區(qū)污水處理站采用了變形生物膜AO工藝，處理水量450m3/d。A池水力停留時(shí)間4h，O池分為兩段，第一段停留時(shí)間2h，采用球形懸浮填料，填充比50%；第二段停留時(shí)間4h，采用組合填料，填充比75%，回流比100%。2008年3月經(jīng)順義區(qū)環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測站監(jiān)測，進(jìn)水COD360mg/L、氨氮46mg/L，出水COD57mg/L、氨氮9.32mg/L，去除率分別達(dá)到84%和80%。
3.3 處理效果
MBBR工藝中的生物膜主要附著在填料上，污泥停留時(shí)間與水力停留時(shí)間無關(guān)，硝化菌、亞硝化菌等生長世代時(shí)間較長、增長速率很小的微生物都可以在填料上生長，從而增強(qiáng)了脫氮能力。脫氮過程分為硝化和反硝化兩個(gè)階段，分別由硝化菌和反硝化菌完成。不論是亞硝化過程還是硝化過程，都要耗用大量的氧。要使1分子氨氮（NH3-N及NH4+-N）完全氧化成NO3-需耗用2分子的氧，即氧化1mg氨氮需要4.57mg的氧。由于硝化反應(yīng)需要足夠的氧量，因此溶解氧應(yīng)控制在1.5～2.0mg/L或以上。在充氧的條件下，有機(jī)物在微生物的作用下分解為CO2和H2O，NH4+-N則發(fā)生硝化反應(yīng)。硝化作用是在兩類好氧菌的參與下完成的，首先是亞硝化單細(xì)胞菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽，然后硝化桿菌將亞硝酸鹽再進(jìn)一步氧化成硝酸鹽。但是有機(jī)物濃度過高，硝化菌就不能成為優(yōu)勢菌種，從而會(huì)影響硝化效果。反硝化過程是將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓@個(gè)過程需要碳源和足夠的堿度，一般控制pH值在7～9.5。
MBBR工藝可以減小反應(yīng)器的體積，減少能耗，在保證有機(jī)物去除率的同時(shí)，提高氨氮的去除效率；與生物膜AO工藝組合，也能改善去除氨氮的效果。總體來看，MBBR工藝在有機(jī)物和氨氮的處理效果方面要強(qiáng)于傳統(tǒng)活性污泥法和傳統(tǒng)生物膜法。
4 MBBR工藝在運(yùn)行中容易出現(xiàn)的問題
（1）反應(yīng)器中的填料依靠曝氣和水流的提升作用處于流化狀態(tài)，在實(shí)際工程中，容易出現(xiàn)局部填料堆積的現(xiàn)象。為了避免填料堆積現(xiàn)象，需改進(jìn)曝氣管路的布置以及反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了它的水力特性。實(shí)際工程中，當(dāng)單個(gè)反應(yīng)器的長深比為0.5左右且長度不大于3m時(shí)有利于填料完全移動(dòng)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過大量試驗(yàn)來優(yōu)化反應(yīng)器的構(gòu)造和水力特性，降低能耗，進(jìn)一步提高M(jìn)BBR的經(jīng)濟(jì)效益。
（2）反應(yīng)器出水往往設(shè)置柵板或格網(wǎng)以避免填料流失，但容易造成堵塞。在實(shí)際工程中，可以設(shè)置活動(dòng)?xùn)虐澹ㄆ谶M(jìn)行人工清理，也可設(shè)置空氣反吹裝置以防止堵塞。
5 對MBBR工藝的建議
5.1 懸浮填料的研究和開發(fā)
應(yīng)對填料表面的化學(xué)特性及懸浮填料的脫落機(jī)制進(jìn)行深入的研究，增加填料的比表面積；應(yīng)盡可能地降低懸浮填料的造價(jià)，使懸浮填料能更廣泛地應(yīng)用于污水處理。
可采用活性炭、淀粉、明膠等作為生物活性添加劑，使懸浮填料能夠促進(jìn)微生物的生長和繁殖。
5.2 MBBR與其它工藝的組合
多級MBBR、MBBR和A/O法聯(lián)合工藝等都具有各自的優(yōu)點(diǎn)，對這些組合工藝應(yīng)加強(qiáng)研究并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
5.3 MBBR工藝反應(yīng)器的研究
通過對反應(yīng)器流體力學(xué)的研究，確定反應(yīng)器的形狀，以達(dá)到最優(yōu)化的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，從而避免填料堆積，降低能耗。可以初步研究多級串聯(lián)連續(xù)式懸浮填料移動(dòng)床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式與操控方案，為項(xiàng)目技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
6 結(jié)論
目前，MBBR工藝在國外應(yīng)用較多，在國內(nèi)應(yīng)用較少。MBBR工藝運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，脫氮效果好，是一種經(jīng)濟(jì)高效的污水處理工藝。在處理生活污水方面，有機(jī)物和氨氮的去除率相對傳統(tǒng)生物膜AO工藝可以提高10%以上。MBBR工藝具有很大的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。
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