悬浮填料生物膜工艺的研究与进展

1悬浮填料生物膜工艺的研究进展1摘要悬浮填料生物膜工艺又称为移动床生物膜反应器工艺，是上世纪九十年代初发展起来的一种新型水处理工艺，发展十分迅猛。它既可以作为独立的生物处理系统，也能够与活性污泥法组合以增加后者的处理效能，还可以作为中高浓度工业废水的生物预处理手段。本文总结了悬浮填料生物膜工艺的流体力学、生化动力学规律、悬浮填料的开发现状，探讨了工艺在市政生活污水、工业废水、低污染物浓度的水处理领域的研究和应用进展。进一步开发高效、廉价的功能型悬浮填料，提高填料的有效比表面积，优化与确定工艺和运行参数将推动悬浮填料生物膜工艺在我国的全面应用。关键词悬浮填料生物膜生物处理生活污水工业废水ProgressoftheStudyonSuspendedCarrierBiofilmProcessAbstractSuspendedcarrierbiofilmprocess(SCBP),alsonamedasmovingbedbiofilmreactor(MBBR),developedveryfastsinceitisinventedinearlyyearsof1990s,whichcannotonlybeanindependentbiologicaltreatmentsystem,orcombinedwithactivatedsludgeprocess(ASP)toincreasethecapacityandefficienciesofASP,butalsobeusedasabiologicalpretreatmentunitofmoderate-orhigh-strengthindustrialwastewater.Inthisarticle,thecharacteristicsofthehydromechanicsandbiochemicaldynamicsofSCBParesummarized,thedevelopmentofsuspendedcarrier,studyandapplicationofSCBPtreatingdifferentkindsofwastewaterarediscussedindetail.TobroadentheapplicationofSCBP,itisnecessarytodeveloplargeeffectivespecificsurfacearea,high-efficientandcheapfunctionalsuspendedcarrier，optimizethedesignandoperationparameters.Keywords:SuspendedCarrier,biofilm,biologicaltreatment,municipalwastewater,industrialwastewater.悬浮填料生物膜工艺（suspendedcarrierbiofilmprocess，SCBP）又称移动床生物膜反应器（movingbedbiofilmreactor,MBBR），由挪威KaldnesMijecpteknogi公司与2SINTEF研究所共同开发，目的是在原有活性污泥处理系统的基础上提高负荷率、增加脱氮除磷的能力[1,2,3]。经过十多年的发展，悬浮填料生物膜处理工艺无论是理论研究还是在水处理领域的应用均取得了快速发展，成为当今水处理领域的热点。本文从技术原理、动力学、填料开发以及不同水处理领域的研究与应用等方面探讨工艺的特点与发展趋势。1、工艺原理悬浮填料生物膜工艺是指在水处理构筑物中直接投加密度与水相近的轻质填料，利用附着生物量或者生物膜与活性污泥共同除污染。填料在池内能够停留于任何位置，曝气时随水流动或自由流化，这种现象又称为“移动的生物膜”。悬浮填料生物膜工艺本质上仍属于生物膜法，但是在运动特性、运行方式以及生物膜状况等方面具有独特的性质和特点。1.1运动特性悬浮填料生物处理池的构筑物与曝气池相同，曝气方式以穿孔管曝气或微孔曝气为主，仅在出水端设置筛网或栅栏防止填料流失。池内一定范围内水、气、固之间混合充分[4,5]：在曝气管的周围，水、气和悬浮填料呈现漩流状态，出气孔的上方的空气推动填料和水快速上升，并将上方的填料推向周围区域，随着填料体积的增多，部分填料被推向池底，参与第二轮循环。其流态和流场的变化可用N-S二维方程来解析，数值模拟与实测结果基本吻合[6]。池内的漩流区域大小以及填料的流化程度与曝气强度、填料的投配率（即填料的投加体积占池体有效容积的比例）、池体结构和曝气管的间距均有密切关系。朱文亭认为反应器的长深比为0.5有利于填料的流化[5]。对于填料粒径不大于15mm的小型悬浮填料，投配率受曝气方式、曝气管间距以及曝气强度的影响较小，只要不超过70％则易于流化；随着填料粒径增大，曝气管的间距、曝气强度以及填料的形状对流化的影响也愈大。孙华[7]研究了Ф50×50mm的圆柱状填料的投配率对流化和充氧的影响，填料的投配率达到60％时流化就存在困难，充氧效率反而不如投配率为50％。笔者同样采用Ф50×50mm的圆柱状悬浮填料试验发现，穿孔曝气管的间距为40cm时填料无法流化；管间距达到60cm，即使曝气强度仅有2.80m3/m2.h，填料就开始移动。悬浮填料合理的投配率和曝气管间距，能够仅根据微生物代谢所需要的空气量来确定曝气强度，而不需要额外的空气量维持填料的流化。可见,与生物流化床相比，在达到同样传质的条件下悬浮填料生物膜工艺能大大降低能耗。1.2曝气和充氧池内投加悬浮填料后，空气泡上升过程中被填料切割、穿刺和分散，而且由于填料的流3态变化，增大了固、液、气之间的掺混和传质效果，使氧的利用率有显著的增加。金冬霞[8]利用自制的Ф11mm×11mm中空圆筒状悬浮填料试验，发现投配率达到30％的氧利用效率最高。课题组[7,9]利用Ф50mm柱状悬浮填料研究穿孔管曝气不同投配率的充氧效率，当投配率为50％时充氧效率最高，达到了9.7％，比不加任何填料提高了1倍多。朱文亭[5]利用ф25mm的球齿状填料，投配率达到55％时微孔曝气的充氧效率可达到13.65％。穿孔管曝气能够以较低的气水比实现填料流化，但对填料冲刷力度大，填料的碰撞和摩擦剧烈，不利于填料外层生长生物膜；微孔管曝气的气泡直径小，对填料的冲刷和碰撞相对温和，但是微孔曝气盘容易堵塞，而且检修困难，生产应用中采用哪种曝气方式需要根据废水的性质和曝气量等因素综合考虑。1.3生化动力学悬浮填料生物膜工艺的生化动力学以生物处理池填料投加后附着生物量作为探讨对象，分别从有机物去除和生物硝化两方面来阐述。1.3.1有机物悬浮填料的总生物量与填料的比表面积和投配率有关，有机物降解动力学具有复杂性。当以附着生物量为主运行时，有机去除负荷率（OLR）随着生物膜量的增加而上升，生物量相对稳定时，有机去除负荷率与进水的负荷率在一定范围内呈线性关系[10,11]。进一步研究溶解性COD（CODs）的去除机理发现，CODs的去除负荷率与进水的CODs呈线性关系，但去除率与出水的CODs相关性不大；颗粒状COD的去除则是生物吸附和解吸附的净效应[12,13]。曹斌等人利用人工配制的废水研究有机物的降解速率与生物膜量的关系，两者仍可以用Monod公式来拟合[11]。研究者在不同比表面积条件下得出有机物降解速率的K值与μmax不尽相同。笔者认为这是由于曝气强度和废水的性质不同，因而悬浮填料上的异养细菌数量处于动态变化中，以比表面积来表征悬浮填料的有机物降解速率有待进一步研究。1.3.2生物硝化悬浮填料是硝化细菌生长的理想场所，这为SCBP或MBBR工艺研究硝化动力学提供了有效手段。硝化细菌的生长速度慢，在同一工况条件下细菌的数量相对稳定，以单位面积来表征硝化速率是可行的，国内外在这方面的研究很多[12～21]。4硝化速率与悬浮填料的生物膜量、温度、碱度、DO、进水的氨氮浓度以及有机负荷率等均密切相关。G.Pastorelli[12]研究表明，如果MBBR反应器的溶解性COD负荷率达到3～4gCOD/m2填料.d、且DO小于2～3mg/L，则生物硝化不易出现。AnetteAesØy利用纯氧曝气研究MBBR工艺DO与硝化速率的关系，如果DO大于12mg/L，则NH4-N的去除负荷率与进水负荷率完全正相关，硝化速率呈零级反应，最大比硝化速率可以达到55kgNH3-N/kgO2.d；而当DO浓度在5～12mg/L的范围内，呈现典型的一级反应模式。见图1(15)。有研究者指出，KMT型悬浮填料的硝化速率与进水NH3-N浓度的关系介于零级和一级之间，可表示为：RNH3-N＝0.21C0.59，R的单位是kgNH3-N/m3.d。Lars.J.Hem(16)利用人工配制污水和中试系统研究悬浮填料的生物硝化过程，当进水的碱度充足、有机负荷率低时，进水的NH3-N浓度与DO成为硝化反应的限制因素；当池内的DO与NH3-N的比例小于2时，DO成为限制因子，如果池内的DO达到4.5mg/L左右，硝化速率可以达到0.7～1.6gNH3-N/m2.d；硝化速率与进水NH3-N的浓度符合一级反应动力学模式；当有机负荷率达到5gBOD7/m2填料.d以后，硝化过程受到抑制。徐斌(16,17)分析了悬浮填料处理微污染源水的生物硝化动力学，指出当池内的DO达到7.5mg/L以上，则进水NH3-N成为限制因子，硝化反应动力学呈近似一级反应，硝化速率常数为0.72/h。挂膜成熟的悬浮填料单位面积硝化速率可以达到1.0gNH3-N/m2填料.d，最多可以达到1.4～1.6gNH3-N/m2填料.d(4)。U.Welander指出，生物硝化的NH3-N去除负荷率与填料比表面积呈比例关系，但过高的比表面积也有不利之处(18,19)。液膜扩散系数对悬浮填料生物膜工艺的生物硝化也有一定影响。如果液膜传质无障碍，生物膜系统的基质反应速率常为半级，但由于生物膜生长于悬浮填料的内壁，这些微区域不可能形成强烈的紊流和极薄的液膜层，因此，实际运行时液膜扩散系数仍是较重要的参数，反应级数n＝0.7（4）。有研究者认为(4,20)，温度对悬浮填料生物膜工艺的生物硝化影响不明显。U.Welander研究表明，即使在5℃低温条件下，悬浮填料的硝化去除负荷率仍可以达到20℃的77％左右，图1硝化速率与溶解氧(DO)的关系Fig1,correlationbetweenDoandnitrifyingrate5传质速率而不是酶活性在低温时起主导作用；B.Rusten也发现，7～18℃的范围内，温度的差异性不突出，低温条件下DO浓度高，可以部分抵低温效应。实际上，研究者均采用有效比面积大于300m2/m3的小粒径填料得出了上述结论。由于试验系统的HRT足够长、室温下填料的去除负荷率远未达到饱和值，温度降低后，这部分容量被释放出来，因此温度的影响不明显。而从已有的许多试验来看，如果室温条件下的硝化负荷率已经接近最大值，则温度降低后去除效率的变化将十分明显。2、悬浮填料悬浮填料是工艺的核心，在固定式填料和粒状硬质填料的基础上发展而来。固定式填料和硬质填料在水处理中均存在缺陷，20世纪90年代初，新型轻质可自由移动的悬浮填料开发成功，揭开了一个新的水处理方向。悬浮填料的材质以聚乙烯、聚丙烯为主(21)，适当添加辅助成分，密度一般控制为1.0g/cm3左右。也有采用多孔塑料材料或者聚氨酯泡沫材料(22,23)。根据形状与大小的差异，悬浮填料可分为几类：（1）、多孔泡沫填料：以德国LINDE公司所开发的多孔泡沫块悬浮填料为代表。材质多为聚氨酯泡沫块，密度小于水，形状为小方块，大小不超过15mm，填料呈多孔状，表面和内部均长满微生物，既可以生物膜法为主独立运行，也可投加到活性污泥处理池以提高处理效率。（2）、Kaldnes填料：由挪威KaldnesMijecptek-nogi公司与SINTEF研究所联合开发，其中KMT型系列填料应用最多和最广。大小不超过11mm，呈外棘轮状，内壁由十字筋连接，见图2。由于填料碰撞和摩