论文部分内容阅读
摘 要：介绍了MBBR反应器的处理原理和工艺特点，并对MBBR反应器运行过程中的填料及运行条件对处理效果的影响进行了分析。针对实际运行过程中填料上浮、填料堆积、填料流化及MBBR反应池充氧能力等问题提出了具体的解决措施。
关键词：MBBR 工艺特点 影响因素 运行问题 解决措施
移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor，简称MBBR）是近年来在生物接触氧化法和生物流化床的基础上开发的一种新型高效的生物膜反应器。它是为解决固定床反应器需要定时反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的[1]。它与传统的好氧处理工艺相比具有很多优点，如不易发生堵塞，无需反冲洗，水头损失小，有机负荷高，一般不需要污泥回流等[2]，因此具有良好的发展前景。
一、处理原理及工艺特点
1.处理原理
1.1工艺原理
MBBR反应器是向传统的活性污泥工艺曝气池中投加悬浮物料，为曝气池的微生物提供了大量可供栖息的表面积和有利的环境，大大提高了反应池耐冲击负荷能力，提高了净化效率 [3]。
污水连续通过MBBR 反应器内的悬浮填料并逐渐在填料内外表面形成生物膜，生物膜上的微生物使得污水得以净化。填料在反应器内混合液回旋翻转的作用下自由移动[4]。如图1所示。对于好氧反应器，通过曝气使填料移动，对于厌氧反应器，则是依靠机械搅拌。
1.2 脱氮除磷机理
1.2.1脱氮机理
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，硝菌、亚硝化菌等生长世代较长，在空间上的相对独立生长增强了脱氮功能[7，8]。
1.2.2 除磷机理
MBBR以厌氧-好氧的序批式方式运行，可以起到除磷的作用。脱落的生物膜随水排出，泥水分离实现除磷[8]。
2.工艺特点
MBBR反应器吸取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法两者的优点，其核心部分就是以比重接近水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的活性载体， 依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用而处于流化状态， 当微生物附着在载体上，在反应器内随着混合液的回旋翻转作用而自由移动， 从而达到污水处理的目的[5]。
MBBR法兼具活性污泥法和生物膜法两者的优点，并具有空间小、能扩容、操作管理简单、不易堵塞、生物易恢复活力、易于管理等优点，但填料价格比较昂贵[6]。
二、MBBR工艺影响因素分析
1.填料
填料是MBBR工艺的核心部分，多用聚乙烯、聚丙烯、聚氨脂等特性塑料或树脂制成，密度接近于水，比表面积可达200～500m2·m-3。挂膜后通过曝气或搅拌极易达到流化，填料的流化、碰撞可以提高传质系数，维持生物膜较高的活性[8]。
孙华[9]等人的研究表明，向传统的活性污泥反应池投加填料，可明显的增大氧气的传递效率。。H. Фdegaard[10]等人研究表明，为了保证填料能够自由悬浮，填充率（填料的填充率是填料堆积体积占曝气池有效体积的百分比要低于70%。
填料的比重一般接近于水，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。
2.工艺条件
朱文亭等人用经过改造的MBBR处理人工配置的葡萄糖水[12]，结果表明MBBR处理生活污水具有良好的效果。挪威的J.Lars Hem 等人对MBBR影响硝化反应速率的因素进行了探讨[13]。实验结果显示当氧和氨氮的浓度比小于2.0 O2/NH3-N时，反应速率主要受氧浓度的限制，当氧和氨氮的浓度比大于5.0 O2/NH3-N时，氨氮浓度才是限制条件。挪威的B.Rusten等人在FRWVAR废水处理厂对MBBR的脱氮作用进行中试[14]。实验结果表明，在一定的DO浓度下，硝化速度随温度的升高而增加。当DO浓度增加时，硝化速率也有显著的提高。王学江[16]等人得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值： 当DO质量浓度在2mg/L以上时， DO对MBBR硝化效果的影响不大， 氨氮的去除率可达97～99%， 出水氨氮都能保持在110mg/L 以下；DO质量浓度在110mg/L左右时， 氨氮的去除率在84%左右， 出水氨氮浓度有明显上升。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浓度的增加而增加。
Broch[17]等人在一项采用中试规模的移动床生物膜反应器处理新闻纸厂的污水研究表明，适当延长水力停留时间，可提高COD和BOD的平均去除率。王学江等人应用MBBR处理上海石油化工股份有限公司的石化废水[15]，在HRT分别为10h、8h和6h三种条件下COD去除率分别为80.1%、78%和72%。
MBBR反应器的浊度也需要控制在一定范围内， 相关研究结果表明： 浊度大阻碍生物氧化作用的进行，同时还容易造成填料堵塞[18]。
三、MBBR反应器运行中易出现的问题及解决措施
1.填料堆积的问题
MBBR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，使处理效率降低。因此需通过池型做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。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。新型的移动床生物膜反应器在普通床生物膜反应器中引入导流板来改善此问题，或者通过导流板的强制循环来解决池内死角的问题[19，20]。此外，微孔曝气较表面曝气的曝气效果均匀，微孔曝气较表面曝气更不易形成死角[22]。
为了防止填料随处理水的流失，移动床生物膜反应器的出口需要设置格栅板。但在运行调试过程中易出现格栅堵塞的问题，可加强对出水区格栅处曝气，同时选取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[19]。 2.填料上浮的问题
MBBR在实际运行中经常出现填料漂浮在水面上的问题，楼菊青[20]等人的研究表明，在进气量较小的情况下，大部分填料浮在水面，若给填料一个向下的推力，填料可在较小气量下循环移动。因此，可考虑在填料易上浮和堆积处增加水下推进器。另外，填料挂膜后，填料密度高于净填料，循环移动所需的气量小于未挂膜前，填料不易上浮。因此，通过控制实际的运行条件和生物量，达到最佳的处理效果。
3.填料流化问题
填料投配比会影响填料的流化状态，当填料填充率过大时，填料处于拥挤状态，导致填料在曝气池中的流化程度降低，同时，附着在填料上的生物膜组分更新变慢，生物的活性也会变差[21]。为了保证填料能够自由悬浮，填充率（填料的填充率是填料堆积体积占曝气池有效体积的百分比）要低于70%。
此外，曝气量也会影响填料的流化程度[9]。确定最优的水力条件对解决填料流化、堆积和上浮问题是一个重要的研究方向。
4.反应器充氧能力
曹占平[22]等人的实验研究表明，加入30%的填料，氧的充氧能力比无填料时增加了近1倍；加入50%的填料，氧的充氧能力比30%时仍有增加，加入60%的填料时，曝气池内的填料流化已有些困难，氧的传递系数比50%时有所下降。因此，对于MBBR反应器的充氧能力在添加填料比无填料时大；在悬浮载体能够均匀流化的填充率范围内，反应器充氧能力随着填充率的增大而增大，当填充率大于可以均匀流化的最大填充率时，反应器的充氧能力略有下降。因此，投配比率将影响MBBR反应器的充氧能力。
三、结语
MBBR反应器集悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的优点为一体，具有良好的发展潜力，近年来也出现了很多MBBR的组合工艺，并有良好的处理效果。填料的特性是影响MBBR的反应器处理效果和水力特性的重要因素，因此，新型填料的研究和MBBR反应池水力特性的研究将是一个重要的发展方向，对解决MBBR反应池的工程应用中的问题将是重要的突破。
参考文献
[1] Rusten B.，Hem L.J.andΦdegaard H.（1995a），Nitrification of municipal wastewater in moving-bed biofilm reactors[J]， Water Envioron.Res.，67（1）：75-86
[2] 张兴文，杨凤林，马建勇，张捍民，万鹏，何顺，赵春明. MBBR处理低浓度污水的工程应用[J].环境工程，2002.20（5）：12-14
[3] 张永丽，许唯临，刘钟文，刘应才.多孔悬浮填料SBR工艺和传统SBR工艺的对比研究[J]. 四川大学学报（ 工程科学版），2007.39（2）：66-70
[4] 万田英，李多松. MBBR工艺及其运行中易出现问题的探讨[J].电力环境保护，2006.22（1）：35-36
[5] 李景贤，罗麟，杨慧霞.MBBR法工艺的应用现状及其研究进展[J].四川环境，2007.26（5）：97-101
[6] 范懋功.MBBR法在工业废水处理中的应用[J].工业用水与废水，2003.34（3）：9-11
[7] 王学江. 用移动床生物膜反应器处理石化废水[J].化工环保，2001，21 （6） ： 333 - 336.
[8] 吕晓辉，胡龙兴.移动床生物膜反应器脱氮除磷技术[J] .化学工程师，2004，108（9）：20 - 21.
[9] 孙华，张菊萍，李湘霖.投加悬浮填料改善活性污泥法处理性能的试验研究[J].重庆环境科学，2001，23（6）：37 -40.
[10]H. Фdeegaard. Advanced compact wastewater treatment based on coagulation and moving bed biofilm processes. Water Science and TechnologyVo142 No12 pp33～48
[11]张景丽，幸福堂.移动床生物膜工艺特点、研究现状及发展[J].工业安全与环保.2003 ，29 （4）：13-15
[12]朱文亭等.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
[13] J.Lars Hem， BjΦrn Rusten and Hallvard Φdegaard.Nitrification in a Moving Bed Biofilm Reactor [J].Wat.Res.1994 ，28 （6）：1425-1433
[14] B.Rusten，B.GHellstrom，F.Hellstrom，O.Sehested，E.Skjelfoss and B.Svendsen.Pilot Testing and Preliminary Design of Moving Bed Biofilm Reactors for Nitrogen Removal at the FREVAR Wastewater Treatment Plant[J].Wat.Sci.Teeh. 2000，41（4-5）：13一20
[15] 王学江等.用移动床生物膜反应器处理石化废水[J].化工环保.2001，21（6）：333一336.
[16] 王学江，夏四清，陈玲，等.DO对MBBR同步硝化反硝化生物脱氮影响研究[ J ]. 同济大学学报（自然科学版） ， 2006， 34（4） ： 514-518.
[17] Broch D.A.，Anderson R.and Opheim B.（1997） Treatment of integrated mill wastewater in moving bed biofilm reactors，Wat.Sci.Technol.，35（2-3）：173-180.
[18]徐斌，夏四清，高廷耀，等. MBBR工艺预处理黄浦江微污染原水[J]. 中国给水排水， 2004，20（8）：5-9.
[19]万田英，蒋家超，李多松.MBBR工艺及其应用[J].中国环保产业，2005年10月：20-21.
[20]楼菊青.新型移动床生物膜反应器水力特性的研究[J].环境科学与技术，2007，30（9）：31-35.
[21]桂红艳，张小明，陈繁忠，盛国英，傅家谟.将传统活性污泥处理工艺改造为复合生物处理工艺的研究[J].给水排水（增刊），2006年32期：43-46.
[22]曹占平，张景丽.移动床生物膜反应器充氧能力的试验研究[J].工业安全与环保，2003 ， 29（11）：15-17.
关键词：MBBR 工艺特点 影响因素 运行问题 解决措施
移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor，简称MBBR）是近年来在生物接触氧化法和生物流化床的基础上开发的一种新型高效的生物膜反应器。它是为解决固定床反应器需要定时反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的[1]。它与传统的好氧处理工艺相比具有很多优点，如不易发生堵塞，无需反冲洗，水头损失小，有机负荷高，一般不需要污泥回流等[2]，因此具有良好的发展前景。
一、处理原理及工艺特点
1.处理原理
1.1工艺原理
MBBR反应器是向传统的活性污泥工艺曝气池中投加悬浮物料，为曝气池的微生物提供了大量可供栖息的表面积和有利的环境，大大提高了反应池耐冲击负荷能力，提高了净化效率 [3]。
污水连续通过MBBR 反应器内的悬浮填料并逐渐在填料内外表面形成生物膜，生物膜上的微生物使得污水得以净化。填料在反应器内混合液回旋翻转的作用下自由移动[4]。如图1所示。对于好氧反应器，通过曝气使填料移动，对于厌氧反应器，则是依靠机械搅拌。
1.2 脱氮除磷机理
1.2.1脱氮机理
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，硝菌、亚硝化菌等生长世代较长，在空间上的相对独立生长增强了脱氮功能[7，8]。
1.2.2 除磷机理
MBBR以厌氧-好氧的序批式方式运行，可以起到除磷的作用。脱落的生物膜随水排出，泥水分离实现除磷[8]。
2.工艺特点
MBBR反应器吸取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法两者的优点，其核心部分就是以比重接近水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的活性载体， 依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用而处于流化状态， 当微生物附着在载体上，在反应器内随着混合液的回旋翻转作用而自由移动， 从而达到污水处理的目的[5]。
MBBR法兼具活性污泥法和生物膜法两者的优点，并具有空间小、能扩容、操作管理简单、不易堵塞、生物易恢复活力、易于管理等优点，但填料价格比较昂贵[6]。
二、MBBR工艺影响因素分析
1.填料
填料是MBBR工艺的核心部分，多用聚乙烯、聚丙烯、聚氨脂等特性塑料或树脂制成，密度接近于水，比表面积可达200～500m2·m-3。挂膜后通过曝气或搅拌极易达到流化，填料的流化、碰撞可以提高传质系数，维持生物膜较高的活性[8]。
孙华[9]等人的研究表明，向传统的活性污泥反应池投加填料，可明显的增大氧气的传递效率。。H. Фdegaard[10]等人研究表明，为了保证填料能够自由悬浮，填充率（填料的填充率是填料堆积体积占曝气池有效体积的百分比要低于70%。
填料的比重一般接近于水，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。
2.工艺条件
朱文亭等人用经过改造的MBBR处理人工配置的葡萄糖水[12]，结果表明MBBR处理生活污水具有良好的效果。挪威的J.Lars Hem 等人对MBBR影响硝化反应速率的因素进行了探讨[13]。实验结果显示当氧和氨氮的浓度比小于2.0 O2/NH3-N时，反应速率主要受氧浓度的限制，当氧和氨氮的浓度比大于5.0 O2/NH3-N时，氨氮浓度才是限制条件。挪威的B.Rusten等人在FRWVAR废水处理厂对MBBR的脱氮作用进行中试[14]。实验结果表明，在一定的DO浓度下，硝化速度随温度的升高而增加。当DO浓度增加时，硝化速率也有显著的提高。王学江[16]等人得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值： 当DO质量浓度在2mg/L以上时， DO对MBBR硝化效果的影响不大， 氨氮的去除率可达97～99%， 出水氨氮都能保持在110mg/L 以下；DO质量浓度在110mg/L左右时， 氨氮的去除率在84%左右， 出水氨氮浓度有明显上升。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浓度的增加而增加。
Broch[17]等人在一项采用中试规模的移动床生物膜反应器处理新闻纸厂的污水研究表明，适当延长水力停留时间，可提高COD和BOD的平均去除率。王学江等人应用MBBR处理上海石油化工股份有限公司的石化废水[15]，在HRT分别为10h、8h和6h三种条件下COD去除率分别为80.1%、78%和72%。
MBBR反应器的浊度也需要控制在一定范围内， 相关研究结果表明： 浊度大阻碍生物氧化作用的进行，同时还容易造成填料堵塞[18]。
三、MBBR反应器运行中易出现的问题及解决措施
1.填料堆积的问题
MBBR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，使处理效率降低。因此需通过池型做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。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。新型的移动床生物膜反应器在普通床生物膜反应器中引入导流板来改善此问题，或者通过导流板的强制循环来解决池内死角的问题[19，20]。此外，微孔曝气较表面曝气的曝气效果均匀，微孔曝气较表面曝气更不易形成死角[22]。
为了防止填料随处理水的流失，移动床生物膜反应器的出口需要设置格栅板。但在运行调试过程中易出现格栅堵塞的问题，可加强对出水区格栅处曝气，同时选取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[19]。 2.填料上浮的问题
MBBR在实际运行中经常出现填料漂浮在水面上的问题，楼菊青[20]等人的研究表明，在进气量较小的情况下，大部分填料浮在水面，若给填料一个向下的推力，填料可在较小气量下循环移动。因此，可考虑在填料易上浮和堆积处增加水下推进器。另外，填料挂膜后，填料密度高于净填料，循环移动所需的气量小于未挂膜前，填料不易上浮。因此，通过控制实际的运行条件和生物量，达到最佳的处理效果。
3.填料流化问题
填料投配比会影响填料的流化状态，当填料填充率过大时，填料处于拥挤状态，导致填料在曝气池中的流化程度降低，同时，附着在填料上的生物膜组分更新变慢，生物的活性也会变差[21]。为了保证填料能够自由悬浮，填充率（填料的填充率是填料堆积体积占曝气池有效体积的百分比）要低于70%。
此外，曝气量也会影响填料的流化程度[9]。确定最优的水力条件对解决填料流化、堆积和上浮问题是一个重要的研究方向。
4.反应器充氧能力
曹占平[22]等人的实验研究表明，加入30%的填料，氧的充氧能力比无填料时增加了近1倍；加入50%的填料，氧的充氧能力比30%时仍有增加，加入60%的填料时，曝气池内的填料流化已有些困难，氧的传递系数比50%时有所下降。因此，对于MBBR反应器的充氧能力在添加填料比无填料时大；在悬浮载体能够均匀流化的填充率范围内，反应器充氧能力随着填充率的增大而增大，当填充率大于可以均匀流化的最大填充率时，反应器的充氧能力略有下降。因此，投配比率将影响MBBR反应器的充氧能力。
三、结语
MBBR反应器集悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的优点为一体，具有良好的发展潜力，近年来也出现了很多MBBR的组合工艺，并有良好的处理效果。填料的特性是影响MBBR的反应器处理效果和水力特性的重要因素，因此，新型填料的研究和MBBR反应池水力特性的研究将是一个重要的发展方向，对解决MBBR反应池的工程应用中的问题将是重要的突破。
参考文献
[1] Rusten B.，Hem L.J.andΦdegaard H.（1995a），Nitrification of municipal wastewater in moving-bed biofilm reactors[J]， Water Envioron.Res.，67（1）：75-86
[2] 张兴文，杨凤林，马建勇，张捍民，万鹏，何顺，赵春明. MBBR处理低浓度污水的工程应用[J].环境工程，2002.20（5）：12-14
[3] 张永丽，许唯临，刘钟文，刘应才.多孔悬浮填料SBR工艺和传统SBR工艺的对比研究[J]. 四川大学学报（ 工程科学版），2007.39（2）：66-70
[4] 万田英，李多松. MBBR工艺及其运行中易出现问题的探讨[J].电力环境保护，2006.22（1）：35-36
[5] 李景贤，罗麟，杨慧霞.MBBR法工艺的应用现状及其研究进展[J].四川环境，2007.26（5）：97-101
[6] 范懋功.MBBR法在工业废水处理中的应用[J].工业用水与废水，2003.34（3）：9-11
[7] 王学江. 用移动床生物膜反应器处理石化废水[J].化工环保，2001，21 （6） ： 333 - 336.
[8] 吕晓辉，胡龙兴.移动床生物膜反应器脱氮除磷技术[J] .化学工程师，2004，108（9）：20 - 21.
[9] 孙华，张菊萍，李湘霖.投加悬浮填料改善活性污泥法处理性能的试验研究[J].重庆环境科学，2001，23（6）：37 -40.
[10]H. Фdeegaard. Advanced compact wastewater treatment based on coagulation and moving bed biofilm processes. Water Science and TechnologyVo142 No12 pp33～48
[11]张景丽，幸福堂.移动床生物膜工艺特点、研究现状及发展[J].工业安全与环保.2003 ，29 （4）：13-15
[12]朱文亭等.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
[13] J.Lars Hem， BjΦrn Rusten and Hallvard Φdegaard.Nitrification in a Moving Bed Biofilm Reactor [J].Wat.Res.1994 ，28 （6）：1425-1433
[14] B.Rusten，B.GHellstrom，F.Hellstrom，O.Sehested，E.Skjelfoss and B.Svendsen.Pilot Testing and Preliminary Design of Moving Bed Biofilm Reactors for Nitrogen Removal at the FREVAR Wastewater Treatment Plant[J].Wat.Sci.Teeh. 2000，41（4-5）：13一20
[15] 王学江等.用移动床生物膜反应器处理石化废水[J].化工环保.2001，21（6）：333一336.
[16] 王学江，夏四清，陈玲，等.DO对MBBR同步硝化反硝化生物脱氮影响研究[ J ]. 同济大学学报（自然科学版） ， 2006， 34（4） ： 514-518.
[17] Broch D.A.，Anderson R.and Opheim B.（1997） Treatment of integrated mill wastewater in moving bed biofilm reactors，Wat.Sci.Technol.，35（2-3）：173-180.
[18]徐斌，夏四清，高廷耀，等. MBBR工艺预处理黄浦江微污染原水[J]. 中国给水排水， 2004，20（8）：5-9.
[19]万田英，蒋家超，李多松.MBBR工艺及其应用[J].中国环保产业，2005年10月：20-21.
[20]楼菊青.新型移动床生物膜反应器水力特性的研究[J].环境科学与技术，2007，30（9）：31-35.
[21]桂红艳，张小明，陈繁忠，盛国英，傅家谟.将传统活性污泥处理工艺改造为复合生物处理工艺的研究[J].给水排水（增刊），2006年32期：43-46.
[22]曹占平，张景丽.移动床生物膜反应器充氧能力的试验研究[J].工业安全与环保，2003 ， 29（11）：15-17.