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MBBR是如何實現同步硝化反硝化的?看完你就明白了!
2022-02-23

一、什么是MBBR?

MBBR工藝是運用生物膜法的基本原理,通過向反應器中投加一定數量的懸浮載體,提高反應器中的生物量及生物種類,從而提高反應器的處理效率。由于填料密度接近于水,所以在曝氣的時候,與水呈完全混合狀態,微生物生長的環境為氣、液、固三相。



載體在水中的碰撞和剪切作用,使空氣氣泡更加細小,增加了氧氣的利用率。另外,每個載體內外均具有不同的生物種類,內部生長一些厭氧菌或兼氧菌,外部為好氧菌,這樣每個載體都為一個微型反應器,使硝化反應和反硝化反應同時存在,從而提高了處理效果。


圖:運行中的MBBR


二、MBBR的同步硝化反硝化是如何實現的?

1、同步硝化反硝化生物脫氮(SND)的概念

同步硝化反硝化脫氮技術(SND) 是在同一個反應器內同時產生硝化、反硝化和除碳反應。它突破了傳統觀點認為硝化和反硝化不能同時發生的認識,尤其是好氧條件下,也可以發生反硝化反應,使得同步硝化和反硝化成為可能。


硝化過程消耗堿度,反硝化過程產生堿度,SND故能夠有效地保持反應器中pH值穩定,無需酸堿中和,無需外加碳源;節省反應器體積,縮短反應時間,通過降低硝態氮濃度可以減少二沉池污泥漂浮,因而SND成為生物脫氮的一個研究熱點。對于SND生物脫氮的可行性,目前有以下主要三種從不同角度出發得出的觀點:


宏觀環境角度:該觀點認為完全均勻混合狀態是不存在的,反應器內DO分布不均勻能夠形成好氧、缺氧、厭氧區域,在同一生物反應器缺氧/厭氧環境條件下可以發生反硝化反應,聯合區段內好氧環境中有機物去除和氨氮的硝化,SND是可以實現的。


微環境角度:該觀點認為微生物絮體內的缺氧微環境是形成SND的主要原因,即由于氧的擴散(傳遞)限制,微生物絮體內存在溶解氧梯度,從而形成有利于實現同步硝化反硝化的微環境。


生物學角度:該觀點認為特殊微生物種群的存在被認為是發生SND的主要原因,有的硝化細菌除了能夠進行正常的硝化作用還能夠進行反硝化作用,有荷蘭學者分離出既可進行好氧硝化,又可進行好氧反硝化的泛養硫球菌;還有一些細菌彼此合作,進行序列反應,把氨轉化為氮氣,為在同一反應器在同一條件下完成生物脫氮提供了可能。


目前對生物脫氮的微生物學研究和解釋較多,但都不夠完善,對SND現象的認識仍在發展與探索之中。微環境理論是被普遍接受的,由于溶解氧梯度的存在,微生物絮體或生物膜的外表面溶解氧濃度高,以好氧硝化菌及氨化菌為主;深入內部,氧傳遞受阻及外部溶解氧大量的消耗而產生缺氧區,反硝化菌為優勢菌種,故可導致同步硝化反硝化的發生。該理論解釋了在同一反應器中不同菌種共同存在的問題,但也存在一個缺陷,即有機碳源問題。有機碳源既是異養反硝化的電子供體,又是硝化過程的抑制物質,污水中的有機碳源在穿過好氧層時,首先被好氧氧化,處于缺氧區的反硝化菌由于得不到電子供體而降低了反硝化速率,可能影響SND的脫氮效率,故同步硝化反硝化的機理仍需要進一步完善。


2、MBBR生物移動床同步硝化反硝化脫氮機理

MBBR是結合懸浮生長的活性污泥法和附著生長的生物膜法的高效新型反應器,基本設計原理是將比重接近水、可懸浮于水中的懸浮填料直接投加到反應池中作為微生物的活性載體,懸浮填料能與污水頻繁多 次接觸,逐漸在填料表面生長出生物膜( 掛膜) ,強化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質效果,即而MBBR被稱為“移動的生物膜”?;谄馭ND機理研究,綜合微環境和生物學理論,MBBR生物膜內SND可能存在的反應模式是,分布于生物膜好氧層的好氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和好氧反硝化細菌與分布于生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養型亞硝酸細菌和反硝化細菌相互協作,最終達到脫氮目的。


MBBR是依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態,進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜,充分發揮附著相和懸浮相生物兩者的優越性,不僅提供了宏觀和微觀的好 氧和厭氧環境,還解決了自養硝化菌、異養反硝化菌與異養細菌的DO之爭和碳源之爭。故MBBR可實現硝化和反硝化兩個過程的動力學平衡,具有同步硝化反硝化非常良好的條件,能實現MBBR同步硝化反硝化脫氮。



三、MBBR同步硝化反硝化的影響因素

實現MBBR同步硝化反硝化的關鍵技術是控制 MBBR 內硝化和反硝化的反應動力學平衡,解決自養硝化菌和異養細菌的DO之爭及反硝化菌和異養細菌的碳源之爭等,故實現其主要控制因素有:碳氮比、溶解氧濃度、溫度和酸堿度等。


1、填料對MBBR法的影響

MBBR法的技術關鍵在于比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運動的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成,每一個載體的外形為直徑10mm、高8mm的小圓柱體,圓柱體中有十字支撐,外壁有突出的豎條狀鰭翅,填料中空部分占整個體積的0.95,即在一個充滿水和填料的容器中,每一個填料中水占的體積為95%??紤]到填料旋轉以及總容器容積,填料的填充比被定義為載體所占空間的比例,為了達到最好的混合效果,填料的填充比最大為0.7。理論上填料總的比表面積是按照每一單位體積生物載體比表面積的數量來定義的,一般為700㎡/m3。當生物膜在載體內部生長時,實際有效利用的比表面積約為500㎡/m3。


此類型的生物填料有利于微生物在填料內側附著生長,形成較穩定的生物膜,并且容易形成流化狀態。當預處理要求較低或污水中含有大量纖維物質時,例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,采用比表面積較小、尺寸較大的生物填料,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。



2、溶解氧(DO)對MBBR法的影響

DO濃度是影響同步硝化一反硝化的一個主要的限制因素,通過對DO濃度的控制,可使生物膜的不同部位形成好氧區或缺氧區,這樣便具有了實現同步硝化一反硝化的物理條件。


從理論上講,當DO質量濃度過于高時,DO能穿透到生物膜內部,使其內部難以形成缺氧區,大量的氨氮被氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽,使得出水TN仍然很高;反之,如果DO濃度很低,就會造成生物膜內部很大比例的厭氧區,生物膜反硝化能力增強(出水硝氮和亞硝氮濃度都很低),但由于DO供應不足,MBBR工藝硝化效果下降,使得出水氨氮濃度上升,從而導致出水TN上升,影響最終的處理效果。


通過研究最終得出了MBBR法處理城市生活污水DO的一個最佳值:當DO質量濃度在2mg/L以上時,DO對MBBR硝化效果的影響不大,氨氮的去除率可達97%-99%,出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下;DO質量濃度在1.0mg/L左右時,氨氮的去除率在84%左右,出水氨氮濃度有明顯上升。另外,曝氣池內DO也不宜過高,溶解氧過高能夠導致有機污染物分解過快,從而使微生物缺乏營養,活性污泥易于老化,結構松散。此外,DO過高,過量耗能,在經濟上也是不適宜的。


因為MBBR法主要是通過懸浮填料來實現最終的污水處理,所以DO對懸浮填料的影響也是影響整個處理結果的關鍵。有研究表明反應器的充氧能力在一定范圍內隨著懸浮填料填充率的增大而增大。在曝氣的作用下,水隨填料一起流化,水流紊動程度較無填料時大,加速了氣液界面的更新和氧的轉移,使氧的轉移速率提高。隨著填料數量的增多,填料、氣流和水流三者之間的這種切割作用和紊動作用不斷加強。但加入填料量為60%時,填料在水中的流化效果變差,水體紊動程度也降低,使得氧的傳遞速率下降,氧的利用率降低。所以針對不同類型的水質,控制好DO的量對整個工藝最終的處理結果是至關重要的。



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