移动床生物膜反应器技术研究现状与进展_赵江冰

1、移动床生物膜反应器技术研究现状与进展赵江冰,胡龙兴(上海大学环境科学与工程系,上海200072摘要:移动床生物膜反应器的特性、设计原理和结构,综述了移动床生物膜反应器在含碳有机物去除、硝化与反硝化、除磷和反应动力学等方面的最新研究进展以及实际应用,指出移动床生物膜反应器是符合我国国情的新型生物膜处理技术,应该大力推广这种技术的普及和应用。关键词:移动床生物膜反应器;污水处理;悬浮填料中图分类号:X17文献标识码:A文章编号:1003-6504(200402-0103-04移动床生物膜反应器(Moving-bed Biofilm Reac-tor,MBBR是一种革新型生物膜反应器,它能使微生物附

2、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,从而达到处理污水的目的。M BBR不仅克服了活性污泥法占地大、会发生污泥膨胀以及污泥流失等缺点,还解决了固定床生物膜法需定期反冲洗、清洗滤料和更换曝气器等复杂操作问题,克服了流化床使载体流化的动力消耗过大的缺点。M BBR的脱氮除磷功能也十分突出。总之,它具有处理能力高,能耗低,不需要反冲洗,水头损失小,不发生堵塞,出水水质稳定,耐冲击负荷能力强,结构紧凑,占地少,无需污泥回流,维护管理简单的工艺特点。1移动床生物膜反应器技术的特性1.1基本设计思想和结构M BBR的基本设计思想是能够连续运行,不发生堵塞,无需反冲洗,水头损失

3、较小并且具有较大的比表面积。这可以通过生物膜生长在较小的载体单元上,载体在反应器中随水流自由移动来实现。在好氧反应器中,通过曝气推动载体移动;在缺氧/厌氧反应器中,通过机械搅拌使载体移动。为防止反应器中填料的流失,在反应器出口处设一个多孔滤筛。M BBR一般为长方体型或圆柱型结构。长方体型的反应器沿池长方向用板均隔为几格或不分格。水进入池后呈推流态至出水,在每格中由于曝气流化而呈完全混合态。池内填充悬浮填料,穿孔曝气管在一侧曝气,使填料在池内循环流动。圆柱体型结构的反应器底部设有微孔曝气头。另外,有的反应器不仅在池底安装了曝气装置,还安装了搅拌装置,这些搅拌装置可以使反应器方便灵活的应用于缺氧

4、状态下。有时为了防止曝气带来的气提作用和挥发作用,可以在反应器上方加一个盖子。1.2移动床生物膜反应器的填料填料是MBBR的核心。填料的性能好坏,直接影响到挂膜的难易程度、反应器中生物量的多少、反应器处理效果的好坏。而M BBR所使用的填料多为聚乙烯或聚丙烯塑料填料,形状似小圆柱体(直径与高约为1050mm不等。圆柱体中心有十字支撑,外侧沿不同径向伸展许多尾翅。载体密度略低于水(0.92 0.97g/cm3,填料比表面积大(160500m2/m3。表面易于生物膜附着生长,而且巧妙的结构设计使填料在使用时不结团、不堵塞,始终具有理想的空隙率,并具有良好的通气、过水性能。国内外几种常见的MB-BR

5、填料的性能分别见表1和表2所示。表1几种国外移动床生物膜反应器填料性能填料KM T填料(K1KM T填料(K2A WT填料ANOX填料填料量(个/L103015920324总比表面积(m2/m3690550450240有效比表面积(m2/m3500315310190表2几种国内移动床生物膜反应器填料性能表型号材料空心圆柱体外径(mm圆柱体高度(mm壁厚(mm内比表面积(m2/m3总比表面积(m2/m3单个填料重量质量比堆积密度(kg/m3空隙率(%CLS-11聚乙烯10100.92635270.3890.92120.083.03 CLS-12聚乙烯25150.62894101.6990.951

6、19.787.54 CLS-聚丙烯25(内径250.6-4101.6990.96-54.00作者简介:赵江冰(1978-,男,在读硕士研究生,主要从事污水生物处理方面的研究。反应器中生物膜比表面积由载体投加数量来控制,装填容积可高达空床反应器容积的70%,相应地·103·移动床生物膜反应器技术研究现状与进展赵江冰,等反应器内生物膜比表面积可高达400500m2/m3。但由于填料外侧表面比免受强烈水力冲刷的内表面生物膜量少得多,实际可供微生物生长的最大比表面积约为350m2/m3。在实际运行中,移动床生物膜反应器既不需要反冲洗,也不需要污泥回流,通过反应器的水头损失亦不大。由

7、于填料的密度略小于水,所以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,生长生物膜的填料密度因与水相同,在反应池中随水流化,由此产生的气、水、填料三者间的充分接触和碰撞,一方面使氧的利用率、水中有机污染物的传质效率等大为提高,另一方面使老化的生物膜易于从填料表面脱落,便于膜的更新,使膜保持活性。另外,由于填料较轻,其流化所需的动力消耗也并不很高,一般满足供氧的气量,即能起到良好的搅拌作用,这就使得悬浮载体生物膜法成为处理污水的一种合适方法。2移动床生物膜反应器技术的主要研究内容2.1工艺条件的研究朱文亭等用经过改造的M BBR处理人工配制的葡萄糖

8、废水1,对工艺条件进行了研究。结果表明,当进水COD为200700mg/L、气水比为101、水力停留时间为4h时,COD平均去除率可达88.8%。挪威的Rusten等在FREVAR废水处理厂对M BBR脱氮作用的中试结果表明2,在一定的DO浓度下,硝化速率随着温度的升高而增加。当DO浓度增加时,硝化速率也有显著的提高。SS和不可溶有机负荷的增加将降低硝化速率。反硝化速率随着BSCOD(可生物降解的可溶COD浓度的增加而增加。2.2净化功能及效率的探讨2.2.1含碳有机物的去除孙华等采用MBBR处理染料化工废水3。运行数据表明,出水BOD5、氨氮和苯胺等可以达到排放标准,COD的去除率为70%左

9、右。在意大利的Villa Rendena有一个应用MBBR工艺的污水处理厂4。在夏季时,系统操作温度为1016,在平均TCOD(总量COD有机负荷为9.9gTCOD/m2·d时,去除率达到了79%。在冬季时,水温范围为4.88.2,M BBR 单元平均负荷为7.9gCOD/m2·d,去除率为73%。李锋等用M BBR工艺处理上海桃浦工业区废水5。试验结果显示,MBBR法对COD的平均去除率大于75%,当进水COD浓度在800mg/L时,出水基本达到200mg/L的出水要求,而且出水较稳定。2.2.2氨的硝化去除生物脱氮中,一般认为,硝化反应在好氧条件下进行,反硝化反应在厌氧

10、条件下进行。因而,目前的生物脱氮工艺大多单独设立缺氧和厌氧环境。近年来,一些研究发现硝化和反硝化可同时进行。对一定厚度的生物膜,氧只能渗透到填料外层的某一深度,即外层为好氧层,发生硝化反应,内层为缺氧层,反硝化菌利用硝化菌产生的硝酸盐进行脱氮。Rusten等应用MB-BR工艺处理生活污水,对其脱氮的硝化反应进行了研究6。在有机负荷较低的条件下,对于相同的操作状况,处理先沉淀废水的后反硝化工艺的最大硝化速率比处理原水的先反硝化工艺的最大硝化速率高20% 25%。2.2.3反硝化脱氮Rusten等对M BBR在寒冷气候下去除低浓度废水中的氮进行了中试,对比了前置反硝化和后置反硝化的优劣7。对于先反

11、硝化还是后反硝化工艺的选择主要取决于原水的组成和需要达到的去除率。在进水浓度为2025mg TN/L时,先反硝化工艺TN去除率为50%70%,水力停留时间为6h。后反硝化工艺在水力停留时间小于3h的情况下,TN去除率在80% 90%之间。瑞典M alm9的Sj9lunda污水处理厂将M BBR作为反硝化反应池,并投加碳源8。在水温16时,投加乙醇的最大反硝化率约为2.5gN/m2·d,投加甲醇的最大反硝化率约为2.0gN/m2·d。完全反硝化应需要4.05.0gCOD/gNO3-Neq。2.2.4磷的去除对磷的去除的方法主要有两种:化学方法是通过加入化学除磷剂后排除富磷污泥

12、,或是在一级强化过程中通过化学混凝除磷;生物除磷则必须使微生物处于厌氧、好氧的交替状态,通过生物的同化作用吸附作用和生物积累作用去除磷。意大利的Pasto relli等用SBM BBR工艺研究了在没有外加碳源的情况下磷的去除9。试验证明,磷的释放是在循环过程中的厌氧单元完成的,只有在有外加碳源的情况下磷才能获得稳定的去除率。Helness等认为10,生物除磷是通过能过量富集磷(对磷的摄入量超过本身生长的需要的细菌来实现的,生物除磷的生化机理还不十分明了。但大家都认同的是,磷富集生物(PAO的生长不仅依靠废水中的底物,而且还依靠在PAO内部储存的化合物。这些储存的物质包括聚磷,聚羟基酯(PHA和

13、糖原质。Helness等在讨论生物除磷的几个限制条件时指出,保持足够的总COD负荷率是十分重要的。为了避免来自异氧菌的竞争,必须在厌氧阶段有较高的COD去除率。为了避免亚硝酸盐富集的抑制作用,好氧阶段应足够长,以便完成硝化反应。2.2.5反应动力学研究·104·环境科学与技术第27卷第2期2004年3月生物膜反应器系统的动力学研究比较深入,但对M BBR的动力学研究报道还很少。意大利的Pasto relli 等对MBBR去除有机碳和氮的动力学行为进行了研究9。结果显示,有机碳去除率与对应的负荷率成比例关系。关于非扩散COD的水解动力学研究还处在起步阶段,还没有一个完善的动力

14、学表达式,而且非扩散COD的水解是发生在液相还是在生物膜表面还无从知晓。在高氨氮浓度>4mg NH4+-N/L,氧为限制条件下,反应速率对应于DO是一级而不是半级反应,这意味着液膜扩散是这一过程的限制步骤。当DO< 2.08mgO2/L时,不发生硝化反应。2.3移动床生物膜反应器技术的改进迄今,国内外的一些研究人员已经对反应器的结构和应用等方面进行了进一步探讨和改进。朱文亭等对M BBR的池型和内部结构进行了改造,开发了循环移动载体生物膜反应器1。该反应器克服了填料在反应器内的移动状态不均衡,池内不同程度地存在死区的缺点,改善了反应器内水力流动特性和能耗方面的问题。将M BBR按照

15、SBR的运行方式来操作是M BBR技术的进一步发展,它被称为移动床序批式生物膜反应器(Moving-bed Sequencing Batch Biofilm Re-acto r,M BSBBR。MBSBBR既具有MBBR的优点又具有序批式运作方式带来的好处,因而它的操作和净化性能更优,适用性更强,更具发展前途。3移动床生物膜反应器技术的实际应用研究3.1生活污水的处理ôdegaard等研究了挪威的Steinsholt生活污水处理厂中MBBR的运行情况11。最后结果显示,总氮、总磷、TCOD的去除率分别为45%、98%和93%。挪威的Rusten等研究了MBBR在几个小的生物/化学工艺

16、处理生活污水的处理厂的应用12。试验显示,处理效果非常好,磷的去除率达到97%,出水浓度低于0.3mgP/L,出水BOD7(大约为1.17×BOD510mgBOD7/L。3.2工业废水的处理3.2.1纸浆和造纸废水挪威Rusten等应用MBBR来处理几个不同水质的造纸厂废水13。在Stora Papy rus Grycksbo AB造纸厂出水的平均COD去除率从化学处理的45%上升到生物化学处理的78%,出水BOD7从平均60gBOD7/ m3降低至小于10gBOD7/m3,最大值不超过25gBOD7/ m3。在Stora Cell Industri AB造纸厂重要的是氯酸盐的去除。

17、结果显示,氯酸盐在厌氧反应器中去除率达90%。FCOD(过滤COD的去除率在70%75%之间,FBOD7的去除率为96%。挪威的Jahren等研究了用厌氧-好氧MBBR工艺处理高温造纸废水(5514。厌氧反应器去除率达到3.4kgSCOD/m3·d,好氧反应器去除率为1.8kgSCOD/m3·d。厌氧反应器在负荷为7kgSCOD/m3·d时,BSCOD去除30%,最终BSCOD去除60%。3.2.2食品工业废水挪威的Rusten等把MBBR用以乳酪加工废水生化处理厂的改造工程中12。运行结果证明,即使负荷大幅度变化且超出设计值时,改造后的处理系统仍可达到98%的C

18、OD与磷的去除率。Rusten等还在挪威乳品联合公司一家牛奶厂用M BBR进行牛奶废水的预处理的小试研究15。当COD负荷达500gCOD/m3·h和900gCOD/m3·h时,COD的去除率分别为85%和60%。3.3与其他水处理技术的组合应用对于成分复杂的废水,可以通过MBBR和其他一些工艺组合来研究最佳的处理工艺流程。采用移动床生物膜反应器与活性污泥法组合工艺来处理木材加工纤维污水的一项中试及两项实际规模的研究证明,作为第一单元的移动床生物膜反应器可承受的COD有机负荷范围通常高达1525kgCOD/m3·d,无论从技术还是从投资和运行费用方面,该工艺系统都

19、表现出高效、稳定和具有竞争力。4小结与展望M BBR污水处理技术是一种适用于生活污水和工业废水的新工艺。该工艺处理效率高,出水水质稳定,耐冲击负荷能力强,结构紧凑,占地少,不需污泥回流和反冲洗,维护管理简单。MBBR污水处理装置可以设计为好氧或厌氧反应器等不同的运行方式。实际工程设计时,可根据处理对象的不同,采用不同的运行方式或多级反应器串联系统,也可以作为预处理单元或三级处理单元,还可以和其他工艺组合共同处理成分复杂、难处理的废水。由此可见,移动床生物膜反应器很具有发展与应用前景,因建造简单和操作方便,可在不增加反应器容积的条件下改造现有的常规污水处理厂,使之提高对有机物的去除率和达到脱氮除

20、磷的目的。国内应该大力推广这种技术的普及和应用。参考文献1朱文亭,颜玲,阎海英,等.循环移动载体生物膜反应器的试验研究J.中国给水排水,2000,16(11:51-54. 2B Rusten,B G Hellstr9m,F Hellstr9m,et al.Pilot Testingand Preliminary Desig n of M oving Bed Biofilm Reactors fo rNitrogen Removal at the F REVA R Wastewater T reatment·105·移动床生物膜反应器技术研究现状与进展赵江冰,等PlantJ.

21、Wat.Sci.&T ech.,2000,41(45:13-20. 3孙华,高廷耀,洪英.移动床生物膜反应器处理染料化工废水工艺研究J.环境工程,2002,20(1:19-21.4G Andreottola,P Folado ri,M Ragazzi.Upgrading o f a SmallWastewater T reatment Plant in a Cold Clima te Region U s-ing a M oving Bed Biofilm Reactor(M BBRSy stemJ.Wat.Sci.&T ech.,2000,41(1:177-185.5李锋,向

22、阳,周增炎.M BBR法处理桃浦工业区废水的中试研究J.给水排水,2001,27(4:47-49.6B Rusten,L ars J Hem,Hallvardôdegaard.Nitrifica tio n ofM unicipal Wastewater in M oving-bed Biofilm ReactorsJ.Wat.Envir.Res.,1995,67(1:75-85.7B Rusten,Lars J Hem,Hallvardôdegaard.Nitrogen Re-mov al from Dilute W astew ater in Co ld Climate

23、 Using M ov-ing-bed Biofilm ReactorsJ.Wa t.Envir.Res.,1995,67(1:65-74.8Henrik Aspeg ren,Ulf N yberg,Bengt Andersson,e t al.PostDenitrifiction in a M oving Bed Biofilm Reactor ProcessJ.Wat.Sci.&T ech.,1998,38(1:31-38.9G Pastorelli,Roberto Canziani,Luca P edrazzi,et al.Phospho-rus and N itrogen Re

24、moval in M oving-bed Sequencing Ba tchBiofilm ReactorsJ.Wat.Sci.&T ech.,1999,40(4-5:169-176.10H Helness,Hôdeg aard.Biological Phosphorus Remo val ina Sequencing Batch M oving Bed Biofilm ReactorJ.Wat.Sci.&Tech.,1999,40(4-5:161-168.11Hôdegaard,B rusten,H Badin.Small W astew ater Tre

25、at-ment Plants Based on M oving Bed Biofilm ReactorsJ.Wat.Sci.&T ech.,1993,28(10:351-359.12B Rusten,O dd Kolkinn,Hallvardôdegaard.M oving BedBiofilm Reacto rs and Chemical Precipita tio n for High Effi-ciency T rea tment of W astew ater from Small CommunitiesJ.Wat.Sci.&T ech.,1997,35(6:

26、71-79.13B Rusten,Erik M attsson,Astrid Broch-Due,et al.Treat-ment of Pulp and Paper Industry Wastew aters in Nov elM oving Bed Biofilm ReactorsJ.W at.Sci.&T ech.,1994,30(3:161-171.14S J Jahren,Hôdegaard.T reatment of T hermo mechanicalPulping(T M PW hitewa ter in T hermophilic(55Anaerobic-a

27、erobic M oving Bed Biofilm ReactorsJ.Wat.Sci.&Tech.,1999,40(8:81-89.15B Rusten,Hôdegaard,A Lundar.T reatment of DairyWastewater in a Novel M oving Bed Biofilm ReactorJ.Wat.Sci.&T ech.,1992,26(34:703-711.(收稿2002-12-09;修回2003-02-26(上接第88页表2增塑剂废水治理研究验收监测结果(mg/L采样点监测值范围监测值平均值pH COD挥发酚石油类SS

28、pH COD挥发酚石油类SS调节池进水口12.2412.6529600.037200.00.4070.48615.8020.2632.8179.612.5033000.00.44717.6473.7抽吸泵出水口7.178.5662.786.80.3150.3869.7311.0532.657.48.2175.50.36310.2143.7造成污泥分散性生长,破坏已形成的菌胶团,影响运行效果。因此,设置了调节池和配水池保持水质相对稳定,并应保证M LSS浓度不超过10g/L。(2在调试过程中厌氧菌成长缓慢挂膜周期长,是受到废水中SO42-和丁醇影响。增塑剂废水中SO42-浓度为3255.0mg/

29、L左右,COD/SO42-为4.67,据报道1硫酸盐在厌氧消化时不应大于5000mg/L,当COD/SO42-大于15时,硫酸盐还原作用对厌氧反应影响甚微,COD/SO42-在515时,对厌氧反应产生轻微抑制,当COD/SO42-为0.55时反应将受到严重的抑制,其机理2是在厌氧环境中,由于硫酸盐的大量存在,硫酸还原菌将大量增殖,一方面与甲烷菌竞争基质(H2、CO2等,另一方面还原反应将产生大量硫化物(H2S等,对甲烷菌也有杀死作用。废水中丁醇浓度大于400mg/L时,对生物净化过程会产生明显的抑制作用3。(3在调试过程中,曾出现过二次膜堵塞现象,但在运行期内未出现膜堵塞现象,膜生物反应前处理

30、工艺、膜性质和工艺条件是造成膜污染和堵塞的主要原因。一般情况下,膜的内外表面非常光滑,膜分离单元下部安装有曝气器,气泡带动液体与膜表面产生平行流动,使氧化池内活性污泥或悬浮物不易粘附,但当污泥分散性生长或曝气量不足时,污泥或悬浮物会粘附到膜上,堵塞膜孔。参考文献1申立贤.高浓度有机废水厌氧处理技术M.北京:中国环境科学出版社,1992,54-55.2杨秀强,刘新亭.加压生物接触氧化法处理增塑剂生产废水试验研究J.环境污染与防治,1996,18(2:21-23. 3.格鲁什科著,耿玉兰译.工业废水中有害有机化合物手册M.北京:烃加工出版社,1988,87.(收稿2003-03-15;修回2003

31、-05-06·106·环境科学与技术第27卷第2期2004年3月Environmental Science and TechnologyVol.27,No.2,March2004AbstractA bstract:T his paper summarizes the recent studies on oxidizatio n by nano-sized T iO2with respect to the mechanism,factors affecting pho tocatalytic efficiency and the approaches to improving

32、 phto-catalytic activity.Key words:TiO2;mechanism;photocataly tic ox idizationReview of Landfill Leachate TreatmentQIN Hai-y an1,SUN Jia-shou2,CAI He-sheng1,LUO Xiao-yun1(1.Faculty of Engineering,China University ofG eosciences,Wuhan430073;2.Department of Env ironmental Science and Engineering,Wuhan

33、 I nstitute of Chemical Engineering,Wuhan430073A bstract:Based on reviewing the methods of leachate treatment such as biological/physio-chemical treatments,land treatment and disposal and leachate minimization,the paper made comments o n merits and demerits of each of the methods.Key words:leachate;

34、biological method;phy sio-chemical method, land treatment;minimization of leachateDevelopment of Biodegradable PlasticProduction Using Activated SludgeLIN Dong-en1,ZHANG Yi-wei1,SHEN Jia-rui2(1.Department of Applied Chemistry,South ChinaUniversity of Technology,Guangzhou510641;2.College of Material

35、Science,South China Universityof Technology,Guangzhou510641A bstract:Polyhydro xyalkanoates(PHAsare polyesters of hy-droxy alkanoates,which are sy nthesized by numerous bacteria as in-tracellular carbon and energy sto rag e compounds and accumulated as g ranules in the cy toplasm of cells.PHA s have

36、 been recognized as a sor t of new candidates for producing biodegr adable plastic.T his paper reviews the sy nthesis of PHAs by use of activated sludg e,in-cluding the microorganism,carbo n sources and sy nthesis pathway, focusing on PHAs accumulation in anaerobic-aerobic process.It is show ed that

37、 PHAs content in activated sludge can be improved by rational technology and pro per nutritive conditio n.T he study will likely contribute to the present endeav ors to ameliorate excess sludge problem.Key words:poly hy drox ylalkanoates(PHAs;activated sludge; biodeg radable plasticA State-of-the ar

38、t Wastewater Treatment Technology:Moving Bed Biofilm ReactorZHAO Jiang-bing,HU Long-xing(Department of Environmental Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai200072 Abstract:A to tally new wastewater treatment process,moving-bed biofilm reactor(M BBR,w hich w as developed by Norwegians,is introduced in terms of its mechanism and structure.Recent progress in applica tio n of M BBR fo r removing COD,denitrification and phosphorus remo val in either of industrial and domestic wastew ater treatment are reviewed.Advantage of M BBR is