精選優質文檔-----傾情為你奉上精選優質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業專心---專注---專業精選優質文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業流動床TM生物膜反應器(MBBRTM)工藝及在市政污水處理中的應用MovingBedTMBiofilmReactor(MBBRTM)ProcessanditsApplicationinMunicipalWastewaterTreatment廖足良(ZuliangLiao)AnoxKaldnesAS，P.O.Box2011,3103T?nsbergNorway挪威喻培潔(PiaWelander)AnoxKaldnesAB，22647LundSweden瑞典Hallvard?degaard(哈爾瓦˙歐德格)挪威科技大學水與環境工程系，7491TrondheimNorway挪威摘要流動床TM生物膜反應器(MBBRTM)工藝基于生物膜工藝的基本原理，又利用活性污泥工藝中生物量懸浮生長的特性。本文試圖總結該工藝的主要特點和優勢，總結該工藝在市政污水處理中去除有機物和脫氮除磷方面的研究和工程應用。1簡介生物膜廣泛存在于自然界和人類活動中。例如，自然界中，土壤中的微生物吸附在土壤顆粒表面，形成生物膜，當從土壤的空隙流過的水中污染物(或基質)與土壤表面的生物膜接觸，污染物被生物降解，因而污水被凈化。生物膜一般具有很長的固體停留時間(SRT)。這有利于在不斷的液流流過和基質利用過程中形成較為致密又布滿孔隙的生物膜的微型空間結構。盡管生物膜的致密程度由于各方面因素(液流流速，基質濃度，供氧狀態等)不同而異，其共同的非整形(FRACTAL)結構特征已被廣泛認同。非整形的空隙孔徑分布使得不同顆粒粒徑的污染物(基質)都能夠被生物膜通過不同的途經被捕獲和生物降解。生物分解的產物也通過空隙傳輸到生物膜以外，進入水流中。當生物膜厚度達到基質難以進入最內層時，營養不足將導致生物膜本身被內源分解。這樣，生物膜的厚度將隨其生長的外部條件的變化而變化，并處于動態平衡。由于單位體積的生物膜量很大，生物反應器容積則可以很小，達到高效緊湊的工藝流程目標。然而，在自然界的生物膜和固定式生物膜反應器中，被處理的污染物不很容易擴散到生物膜的內部，在好氧狀態，氧分子也不很容易均勻擴散到生物膜內。同時，老化的生物膜和生物降解產物也不易于傳送到生物膜外。這樣，固定式生物膜反應器在理論上的優越性并沒有得到充分的發揮。加上采用的掛膜材料(生物填料)可能易于變形和垮塌，使固定式生物膜反應器的應用受到很大的影響。生物流化床工藝利用流化的顆粒填料，很好地解決了脫落的生物膜堵塞反應器的問題。流化床中采用的填料是顆粒填料，如砂，或其他人工燒結的以黏土為骨料的輕質填料。粒徑小的顆粒填料雖易于流化，也易于被水流帶走，顆粒大的填料不易于流化，需要很高的流化速度。為使填料保留在反應器中，適當的結構措施(如斜板)是必要的。為達到流化的目的，流化床反應器的結構設計必然較為復雜。當流化速度大時，生物膜不易于附著在顆粒填料表面，所以，顆粒填料的巨大表面積并沒有得到充分利用。多孔型輕質填料雖然使有效表面積增加，但并不能根本改變這一局面。此外，當采用好氧生物流化床時，曝氣充氧不易于與流化過程結合起來。活性污泥法在二十世紀初應用于污水處理以來得到很大的發展，主要是由于其系統相對簡單，處理效果在系統運行穩定情況下比較好。但長期以來，活性污泥經受負荷沖擊，溫度變化(特別是低溫)，毒性影響，污泥膨脹的脆弱性困擾。污泥流失和系統效率低下是許多污水處理廠經常面對的問題。一種能結合生物膜法的較高的污泥濃度，長泥齡和不需污泥回流，以及活性污泥法的無堵塞和配水及混合均勻的特點的生物處理工藝將使生物處理變得高效，穩定，和容易維護管理。流動床TM生物膜反應器(MBBRTM)工藝很好地反映了這樣的要求。由AnoxKaldnes集團完成的采用MBBRTM工藝的市政和工業污水處理項目已達350多個，廣泛應用于包括中國在內的全球43個國家。2流動床TM生物膜反應器工藝的基本原理和工藝特點2-1基本原理流動床TM生物膜工藝運用生物膜法的基本原理，充份利用了活性污泥法的優點，又克服了傳統活性污泥法及固定式生物膜法的缺點。技術關鍵在于研究和開發了比重接近于水，輕微攪拌下易于隨水自由運動的生物填料。生物填料具有有效表面積大，適合微生物吸附生長的特點。填料的結構以具有受保護的可供微生物生長的內表面積為特征。當曝氣充氧時，空氣泡的上升浮力推動填料和周圍的水體流動起來，當氣流穿過水流和填料的空隙時又被填料阻滯，并被分割成小氣泡。在這樣的過程中，填料被充分地攪拌并與水流混合，而空氣流又被充分地分割成細小的氣泡，增加了生物膜與氧氣的接觸和傳氧效率。在厭氧條件下，水流和填料在潛水攪拌器的作用下充分流動起來，達到生物膜和被處理的污染物充分接觸而生物分解的目的。流動床TM生物膜反應器工藝由此而得名。其原理示意圖如圖1所示。因此，流動床TM生物膜工藝突破了傳統生物膜法(固定床生物膜工藝的堵塞和配水不均，以及生物流化床工藝的流化局限)的限制，為生物膜法更廣泛地應用于污水的生物處理奠定了較好的基礎。圖1流動床TM生物膜工藝原理示意圖2-2工藝特點流動床TM生物膜工藝的特點包括：容積負荷高，緊湊省地：容積負荷取決于生物填料的有效比表面積。不同填料的比表面積相差很大。AnoxKaldnes集團開發的填料比表面積可以從200平方米/立方米到1200平方米/立方米填料體積的范圍內變化，以適應不同的預處理要求和應用情況。耐沖擊性強，性能穩定，運行可靠：沖擊負荷以及溫度變化對流動床TM工藝的影響要遠遠小于對活性污泥法的影響。當污水成分發生變化，或污水毒性增加時，生物膜對此的耐受力很強。攪拌和曝氣系統操作方便，維護簡單：曝氣系統采用穿孔曝氣管系統，不易堵塞。攪拌器采用具有香蕉型攪拌葉片，外形輪廓線條柔和，不損壞填料。整個攪拌和曝氣系統很容易維護管理。生物池無堵塞，生物池容積得到充分利用，沒有死角：由于填料和水流在生物池的整個容積內都能得到混合，從根本上杜絕了生物池的堵塞可能，因此，池容得到完全利用。靈活方便：工藝的靈活性體現在兩方面。一方面，可以采用各種池型(深淺方圓都可)，而不影響工藝的處理效果。另一方面，可以很靈活地選擇不同的填料填充率，達到兼顧高效和遠期擴大處理規模而無需增大池容的要求。對于原有活性污泥法處理廠的改造和升級，流動床TM生物膜工藝可以很方便地與原有的工藝有機結合起來，形成活性污泥-生物膜集成工藝(HYBASTM工藝)或流動床TM-活性污泥組合工藝(BASTM工藝)。使用壽命長：優質耐用的生物填料，曝氣系統和出水裝置可以保證整個系統長期使用而不需要更換，折舊率較低。2-3工藝基本物理要素流動床TM生物膜工藝的基本物理要素包括：生物填料；曝氣系統或攪拌器系統；出水裝置；池體。圖2所示為工藝基本物理要素示意圖。生物填料：針對不同性質的污水及出水排放標準，我們開發了一系列不同的生物填料，比表面積界于200-1200平方/立方(如K1，K3，NATRIX，BIOFILM-CHIP等)，以適用各種處理要求。當預處理要求較低，或污水中含有大量纖維物質時，采用比表面積較小的尺寸較大的生物填料，比如在市政污水處理中不采用初沉池，或者，在處理含有大量纖維的造紙廢水時。當已有較好的預處理，或用于硝化時，采用比表面積大的生物填料。生物填料由塑料制成。填料的比重界于0.96-1.30之間。曝氣系統：由于生物填料在生物池中的不規則運動，不斷地阻擋和破碎上升的氣泡，曝氣系統只需采用開有中小孔徑的多孔管系，這樣，不存在微孔曝氣中常有的堵塞問題和較高的維護要求。曝氣系統要求達到布氣均勻，供氣量由設計而定，并可以控制。攪拌器系統：厭氧反應池中采用香蕉型葉片的潛水攪拌器。在均勻而慢速攪拌下，生物填料和水體產生回旋水流狀態，達到均勻混合的目的。攪拌器的安裝位置和角度可以調節，達到理想的流態。生物填料不會在攪拌過程中受到損壞。出水裝置：出水裝置要求達到把生物填料保持在生物池中，其孔徑大小由生物填料的外形尺寸而定。出水裝置的形狀有多孔平板式或纏繞焊接管式(垂直或水平方向)。出水面積取決于不同孔徑的單位出流負荷。出水裝置沒有可動部件，不易磨損。池體：池體的形狀規則與否，深淺以及三個尺度方向的比例基本不影響生物處理的效果，可以根據具體情況靈活選擇。攪拌器系統的布置也需根據池型進行優化調整。池體的材料不限。在需要的時候，池體可以加蓋并留有觀察窗口。圖2流動床生物膜工藝的基本物理要素：生物填料，曝氣系統，攪拌系統，出水裝置，池體3流動床TM生物膜反應器工藝的常用流程污水生物處理的目標包括去除有機物，生物脫氮和除磷。去除有機物的工藝流程相對簡單一些，而脫氮除磷工藝則較為復雜。3-1去除有機物工藝流程一般而言，去除有機物工藝流程較為簡單。對于一般二級生物處理，出水BOD要求為25毫克/升時，一般采用兩級流動床TM流程。如二沉池前設有混凝單元，或一級處理中采用化學沉淀，則可采用一級流動床TM流程。對于出水BOD要求為10毫克/升時，采用兩級流動床TM流程，并需要采用化學沉淀一級處理，或者混凝沉淀二沉池。對于采用流動床TM工藝作為活性污泥工藝的生物預處理對付沖擊負荷時，則可采用一級流動床TM流程。以上各種情況的設計負荷因預處理工藝的不同和BOD去除要求的不同而異。表1列舉了可能的工藝流程。表1應用流動床TM生物膜工藝去除有機物的工藝流程流程備注1)常規二級處理2)常規二級處理(強化一級及化學除磷)3)常規二級處理(強化二級及化學除磷)4)強化二級處理(強化二級及化學除磷)5)強化二級處理(強化一級及化學除磷)6)常規二級處理(流動床工藝為預處理-BASTM工藝)3-2生物脫氮工藝流程生物脫氮的途經一般包括兩步。第一步是硝化，將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。這一步由于硝化菌生長緩慢而需要很大的生物池容積。硝化只有在有機物氧化基本完成后才易于進行，是因為氧化有機物的異養菌生長迅速。硝化可以單獨進行。第二步是反硝化，在厭氧條件下將硝酸鹽氮還原為分子氮而逸出。這一步很快，不是脫氮的控制因素。硝化是否前置或后置，取決于污水中碳源的質和量。3-2-1硝化工藝流程當采用常規一級處理時，一般采用三級流動床TM工藝流程，其中第一個反應池用于有機物的去除，第二和第三個反應池用于硝化。當采用化學沉淀強化一級處理去除大部分懸浮物和膠體物質時，可以采用兩級流動床TM工藝流程，溶解性有機物的氧化和部分硝化在第一反應池中進行，而第二反應池則用于硝化。當采用活性污泥法全流程(預沉-活性污泥-二沉)去除有機物時，可以采用一級或兩級流動床TM工藝進行硝化。當對活性污泥法工藝去除有機物的污水處理廠升級改造為硝化工藝時，采用活性污泥-生物膜集成(HYBASTM)工藝能夠很靈活地解決問題。在現有的活性污泥池中投加生物填料，這樣，活性污泥將與生物膜共存于同一反應池中。活性污泥將主要去除有機物，而吸附生長于生物填料表面的硝化菌則完成硝化作用，充分利用了兩種工藝的優點，從而充分利用現有工藝條件又達到升級改造的雙重目的。這種工藝的靈活性還體現在生物填料的填充率可以根據需要在30%至67%之間選擇。在這一工藝中需要回流污泥以保持反應池中的MLSS污泥濃度。表2列舉了有關工藝流程。表2應用流動床TM生物膜工藝去除有機物及硝化工藝流程流程備注7)有機物去除及硝化8)有機物去除及硝化可化學除磷9)有機物去除及硝化HYBASTM工藝3-2-2生物脫氮工藝流程生物脫氮包括硝化和反硝化。反硝化需要碳源。當碳源可以由污水中的溶解性BOD提供時，應充分利用，如污水中碳源不足，則要外加碳源。外加碳源可以由污泥水解而產生的富含揮發性有機物提供，也可以是其他來源，如工業用甲醇或乙醇或其他工業生產的高濃度溶解性有機廢物。反硝化工藝可以前置或后置，或同時前后置。當污水中碳源充足時，反硝化前置充分利用現成的碳源，剩余有機物才被好氧氧化。后置的硝化出水回流到反硝化池。此時可以采用三級流動床TM工藝流程，第一反應池為厭氧反硝化，第二反應池為有機物好氧氧化，第三反應池為好氧硝化池，硝化池出水按反硝化效率計算得來的回流比回流到前置反硝化池。當污水中碳源嚴重不足時，采用后置反硝化工藝，外加碳源可以來源于污泥水解的上清液，并補充部分碳源。此時由于污水中有機物主要以顆粒以及膠體形式存在，強化一級處理會很有效地減少有機物好氧氧化池的體積，同時，顆粒狀有機物也充分地保留在污泥中并經水解后用作反硝化的碳源。此時采用后置反硝化的三級流動床TM工藝流程，無需回流硝化池出水。第一第二池用于有機物氧化和硝化，第三池為反硝化池。當污水中碳源不足但可以利用時，則可以采用反硝化同時前置和后置的流動床TM工藝。此時采用四級流動床TM工藝流程，第一池為前置反硝化，第二和第三池為有機物氧化和硝化(該兩池可以合并為一池)，第四池為后置反硝化，未完全反硝化的出水以適當的回流比回流到第一池中。流動床TM工藝與活性污泥工藝有機結合起來，也可以達到生物脫氮目的。當現有的活性污泥法硝化污水處理廠升級時，可以在其后增設流動床TM單池工藝進行反硝化。HYBASTM工藝也能很好地適應于生物脫氮。在活性污泥法中為了達到硝化，好氧泥齡應很長，污泥濃度較高，容易導致絲狀菌的大量繁殖，而出現污泥膨脹和難以沉淀。而在HYBASTM工藝中，利用生物填料來富集生長緩慢的硝化菌，從而可以利用生物膜來進行硝化，利用較短泥齡的活性污泥去除有機物。富含硝氮的水流以按照反硝化效率而確定的回流比回流到前置的反硝化厭氧/缺氧池中。前置反硝化池中未被利用的溶解性有機物(超過反硝化需要的部分)和可生化降解的顆粒有機物則在后續的有機物氧化池及HYBASTM池中被分解。HYBASTM工藝生物脫氮因而包括三池，第一池為活性污泥反硝化池，第二池為活性污泥有機物氧化池，HYBASTM池進行硝化和最后的有機物氧化。表3列舉了相應的工藝流程。表3應用流動床TM生物膜工藝去除有機物及脫氮工藝流程流程備注10)前置反硝化(碳源充足)11)后置反硝化(碳源缺乏)12)前后置反硝化(碳源不足)13)后置反硝化(碳源缺乏)與活性污泥法結合14)前置反硝化(碳源充足)HYBASTM工藝15)前后置反硝化(碳源不足)HYBASTM工藝3-3生物脫氮除磷工藝流程磷和氮一樣都是引起水體富營養化的主要因素。磷污染主要來自工業和生活污水。生物除磷是利用自然界存在的聚磷菌(PAO)在厭氧條件下以釋放微生物體內儲存的磷酸鹽而產生足夠的能量而利用揮發性有機酸(VFA)為碳源，而得到迅速繁殖，揮發性有機酸被轉化為有機聚合物(PHA)儲存在污泥中。在好氧(以及缺氧)條件下，PAO反過來又利用PHA為能源和碳源，以遠遠高于微生物生長所需的比例大量吸收污水中的磷酸鹽，達到將污水中的磷轉化為污泥中的磷，并通過排除富含磷的剩余污泥達到污水生物除磷的目標。生物除磷的效率取決于兩方面：VFA/P的比例高于10-20倍，保證有足夠的VFA促進PAO的繁殖。當生物脫氮需要同時進行并采用前置反硝化時，VFA常不足，不能二者兼得。二沉效率問題--出水中懸浮物/生物量不能有效去除時，磷也隨之排出。提高二沉池效率是保證出水中磷達標的又一關鍵。為此，往往需要投加藥劑，特別是出水磷標準為小于0.5毫克/升的情況。生物脫氮和除磷結合在同一系統，可以采用活性污泥-流動床集成(HYBASTM)工藝的處理流程。常用的流程包括基于UCT工藝或改良UCT工藝的HYBASTM工藝。在UCT工藝中，第一池為厭氧池，用于厭氧釋放磷和聚磷菌的繁殖。第二池為缺氧池，用于前置反硝化和部分磷吸收。第三和第四池為好氧池，第三池可以是活性污泥池也可以是HYBASTM池，第四池一定是HYBASTM池。硝化主要在生物填料中進行，而活性污泥部分則進行氧化和磷吸收。回流包括水和泥兩部分。水回流又分為富含硝酸鹽的水從第四池出水回流到第二池(缺氧池)池首進行反硝化，以及第二池的出水(硝酸鹽濃度很低)回流到第一池(即回流部分聚磷菌)。污泥從二沉池回流到第一和第二池以保持系統的污泥濃度。如果第二池的反硝化不徹底，從該池回流到第一池的水中硝酸鹽會競爭VFA從而抑制PAO的繁殖，使系統的除磷效果降低。為達到較好的生物除磷效果，可以將第二池一分為二，使反硝化回流和除磷回流不相互交叉。這樣形成改良UCT工藝。4流動床TM生物膜反應器工藝的應用流動床TM生物膜反應器(MBBRTM)工藝自1989年首次應用于挪威STENSHOLT市政污水脫氮處理以來，已廣泛應用于全球三百余個市政污水和工業廢水的處理工程，既可用于新建項目，更方便于老廠的改造和升級換代。其中，市政污水處理廠百余座，工業(造紙，制藥，食品，奶制品，釀造，化工，石油，電子，鋼鐵，機械，海洋，船舶，印染，醫院，機場，等)廢水處理工程一百五十余個，水產養殖水處理站五十余個。還有約5000個微型處理單元應用于德國和比利時的鄉村和渡假村。下面列舉應用于市政污水處理的例子。4-1LILLEHAMMER市政污水處理廠：流動床TM生物膜(MBBRTM)工藝脫氮LILLEHAMMER(利勒哈默爾)是挪威的一個內陸城市，地處奧斯陸以北約170公里。在這里成功地舉辦了1994年第十七屆冬奧會。該市原有一個化學沉淀除磷及懸浮物的強化一級污水處理廠。隨著受納水體MJ?SA湖逐漸富營養化，以及該市贏得冬奧會舉辦權，市政府決定擴建及升級原有污水廠為脫氮除磷污水處理廠。出水水質要求(年平均)：總磷<0.2毫克/升，總氮>70%，BOD7<10毫克/升。因場地有限，低溫(>3.5度)低濃度污水持續時間長，要求處理工藝必須高效和緊湊。1992年，KALDNES公司(AnoxKaldnesAS的前身)為該工程設計了以流動床TM生物膜工藝去除有機物和脫氮的經典流程，接以化學沉淀法除磷的總體工藝。設計負荷為：人口當量，設計流量1200立方/小時，BOD負荷2900公斤/天，COD負荷5929公斤/天，TSS負荷2900公斤/天，TN負荷755公斤/天，TP負荷107公斤/天，溫度10度。設計流程如下。生物處理：流動床TM生物膜工藝，總容積3840立方，兩列并行，每列九池串連，BOD去除/前置反硝化，硝化，后置反硝化(外加碳源)，后氧化。生物處理設計HRT為3.2小時。化學處理：絮凝(投加PAC)，二沉，除磷及懸浮物/生物量。圖3LILLEHAMMER市政污水廠流程圖該廠自1994年投產運行以來，處理效率高于設計要求。2000年全年平均處理效率為：BOD96%，TN80%，TP98%。特別值得一提的是，1995年春汛期間，該廠停車月余。恢復生產后48小時內，硝化達到設計水平。充分顯示流動床TM生物膜工藝的優越性。4-2BROOMFIELD市政污水處理廠：HYBASTM工藝去除有機物和除磷脫氮BROOMFIELD地處美國科羅拉多州，其市政污水處理廠需要擴建以滿足除磷脫氮要求。原有活性污泥處理工藝僅能去除BOD。除了處理規模需要擴大近一倍(由5百萬加侖到8百萬加侖)外，出水還需要達到TP小于1毫克/升，氨氮小于2毫克/升，硝酸鹽氮低于10毫克/升，以及BOD不大于10毫克/升。KALDNES北美分公司(AnoxKaldnesInc.的前身)于2001年在現場進行了HYBASTM工藝的試驗研究，與其他三個方案進行平行對比研究，被確定為最有效和穩定的處理工藝。該工藝利用生物填料的巨大有效表面積促使生長緩慢的硝化菌生長，而活性污泥則主要用于有機物的氧化。通過改變填料的填充率，可有效地調整硝化部份的生物量。該廠的處理流程如圖4所示。第一池為反硝化，第二池為除磷(磷釋放)，第三和第四池為反硝化，第五和第六池為BOD氧化和硝化。圖4HYBASTM工藝流程圖運用該工藝，在沒有新建生物池的前提下，達到了既擴大規模，又提高處理效率，達到脫氮除磷的目的。利用原有活性污泥池小部份容積改建為前置反硝化池(活性污泥法)，其余大部份容積改建為BOD氧化池以及硝化池(HYBASTM工藝)。設計負荷：流量1262立方/小時，BOD4411公斤/天，TSS2950公斤/天，TN1394公斤/天，TKN1235公斤/天，NH3-N1125公斤/天，NO3-N159公斤/天，PO4-P227公斤/天。該廠自2002年11月投產以來，完全滿足設計要求。在設計水溫13度，HRT4.5小時情況下，平均SRT小于4.5天。處理效率為：BOD91%，COD89%，TN80%，氨氮96%，TSS93%