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MBBR反应器
MBBR反应器

工艺介绍

移动床生物膜反应器( Moving Bed Biofilm Reactor,MBBR)工艺是将一种将活性污泥法(悬浮生长)和生物膜法(流化态附着生长)相结合的新型污水处理工艺。该工艺开发于20世纪80年代中期,其原理为密度接近于水、可悬浮载体填料投加到曝气池中作为微生物生长载体,填料通过曝气作用处于流化状态后可与污水充分接触,微生物处于气、液、固三相生长环境中,此时载体内厌氧菌或兼性厌氧菌大量生长,外部则为好氧菌,每个载体均形成一个微型反应器,使硝化反应和反硝化反应同时存在。MBBR工艺结合了传统流化床和生物接触氧化法两者的优点,解决了固定床反应器需要定期进行反冲洗、流化床需要将载体流化、淹没式生物滤池易堵塞需要清洗填料和更换曝气器等问题。该工艺因悬浮的填料能与污水频繁接触而被称为“移动的生物膜”。

MBBR工艺适用于城市污水和工业废水处理。自20世纪80年代末期以来,MBBR已在世界17个国家的超过400座污水处理厂投入使用,并取得良好效果。目前已投入使用的MBBR的组合工艺包括 LINPOR MBBR系列工艺和 Kaldnes MBBR系列工艺,从提高处理效果、强化氮磷去除等方面对传统活性污泥法进行了改进。

MBBR工艺的特征

MBR工艺中附着生长在悬浮载体中的长泥龄生物膜为生长缓慢的硝化菌提供了有利生存环境,可实现有效的硝化效果,悬浮生长的活性污泥泥龄相对较短,主要起去除有机物的作用,因此避免了传统工艺为实现硝化作用而保持较长泥龄时易出
现的污泥膨胀问题。其污泥负荷比单纯的活性污泥工艺低,而处理效率更高,运行更稳定。

MBR工艺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。

该工艺具有以下特征:

  1. 污泥负荷低。附着生长在悬浮载体中的长泥龄生物膜为生长缓慢的硝化菌提供了非常有利的生存环境,可实现高效硝化作用,而悬浮生长的活性污泥泥龄相对较短,可有效去除有机物。因此,这种悬浮态和附着态微生物共池生长的工艺,污泥负荷远低于单纯的活性污泥工艺,处理效率更高,运行更稳定。
  2. 有机物去除率高。由于悬浮载体具有较大的比表面积,附着在其表面及内部的微生物数量大、种类多,一般情况下反应器内污泥浓度为普通活性污泥法的5~10倍,总浓度高达30~40g/L,从而可大幅提高有机物去除效率。
  3. 脱氮效果好。MBBR反应器中悬浮和载体表面附着的微生物处于好氧状态,将氨氮氧化为硝酸盐氮,而载体内部的兼氧和厌氧区利于反硝化细菌生长而起到反硝化脱氮的作用,对氨氮的去除有良好的效果。
  4. 易于维护管理。悬浮填料在曝气池内无需设置填料支架,便于对填料以及池底的曝气装置的维护,节省投资及占地面积。
  5. 不易产生污泥膨胀。悬浮填料受到水流和气流的冲刷,保证了生物膜的活性,促进了新陈代谢,反应池中随水流化的填料上,不可能生长大量丝状菌,从而减少了污泥膨胀发生的可能性。

MBBR一体设备
MBBR一体设备

国外对MBBR的研究应用现状

MBBR是在20世纪90年代中期得到开发和应用的,其兼具传统流化床生物接触氧化法两者的优点,是一种新型高效的污水处理方法。迄今为止,国外已应用MBBR进行生活污水处理、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。

其中,美国的Captor工艺和德国的Linpor工艺是目前两种比较成熟的多孔悬浮载体系统。在完全混合反应器中加入聚氨酯泡沫块供微生物附着生长,用于处理城市生活污水处理,研究了其对BOD的去除和硝化作用。

结果表明,硝化细菌优先附着生长在载体上,硝化活性达$0.33mgN/h$•块载体(载体体积为$8cm^3/块$),在4h内,BOD可完全去除,并继而发生硝化作用,硝化作用可在10h内完成。在过去的10年中,移动床生物膜技术在挪威得到了发展,现已有100多个基于此技术的污水处理厂在l7个国家中投入使用或在建造之中,它们主要用于去除市政污水或工业废水中的有机物及氨氮。

一种MBBR填料
一种MBBR填料

微生物赖以栖息的新型载体的研制开发是移动生物膜法处理污水的关键技术之一,其性能直接影响着污水的处理效果和投资费用。科研工作者以改进填料为突破口,不断推动移动生物膜法的发展。目前的悬浮填料大多是由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,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。悬浮填料的形状通常为球状、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;而圆筒状填料当其长径比为1时接近于球状,因此悬浮填料一般选择圆筒状。另外,填充在生物膜反应器的填料的比表面积多在$100~500m^2/m^3$之间。由聚乙烯制成的悬浮填料分两种:一种为$Φ10×7(mm)$、比表面积为$335m^2/m^3$,另一种为$Φ15×15(mm)$、比表面积为$235m^2/m^3$;由聚丙烯制成的悬浮填料,密度为$0.94g/cm^3$,形状为有波纹的圆柱体,尺寸为$Φ15~20(mm)×20~30(mm)$。

国内对MBBR的研究现状

近年来,我国不少学者也进行了MBBR工艺的研究,但大多仍处于试验性研究阶段。其关键技术在于对悬浮填料的研究,如同济大学的专利产品为中$Φ50×50(mm)$的圆筒状悬浮填料,比表面积为$278m^2/m^3$,材料为改性的聚乙烯;李峰报道的悬浮填料由聚丙烯塑料制成,为$Φ50×50(mm)$的圆筒状,比表面积为$350m^2/m^3$。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。

总体而言,我国目前对悬浮填料的研究才刚刚起步,新型悬浮填料在我国污水处理工程中的应用具有广泛的发展空间。目前,国内常用的填料有蜂窝填料、软性填料、半软性填料及复合填料等固定型填料,但这些填料在使用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀等问题,影响了生物处理效果。另外,上述填料均需安装在辅助支架上,这就给填料的安装、更换等造成诸多不便,使工程投资和运行管理费用相对提高。

从经济、实用、高效的角度出发,高性能的新型填料在材质方面,应具有价格低廉、使用寿命长、易挂膜等特点;在结构方面,设计的比表面积应尽可能地大,并可以制造一些功能区,适应不同要求的厌氧、好氧微生物的生长,又兼顾易脱膜的特点。同时,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。

目前,国内对MBBR工艺的应用多为一些小型工程,在技术参数方面多为探索阶段。

**桐乡崇福 3→6wt/d CAST→A2/O-MBBR 皮革废水 2014**
**桐乡崇福 3→6wt/d CAST→A2/O-MBBR 皮革废水 2014**

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$10kg/m^3$,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C0D为5300~20140mg/L、COD容积负荷为$5.38~20.62kg/m^3 \cdot d$、HRT(水力停留时间:hydraulic residence time)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、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技术在低负荷生活污水处理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。

武汉火神山污水处理工艺流程
武汉火神山污水处理工艺流程

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用于生物脱氮取得了较好的效果。RustenN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,硝化速率达$190gTNK/m^2 \cdot d$(总凯式氮: Total Kjeldahl nitrogen(TKN)),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Ng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。

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。

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生活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。在生活水污处理方面,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。