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MBBR是如何实现同步硝化反硝化的?看完你就明白了!

来源:科柏盛环保     发布时间:2022-01-24

       一、什么是MBBR?

       MBBR工艺是运用生物膜法的基本原理,通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体,提高反应器中的生物量及生物种类,从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水,所以在曝气的时候,与水呈完全混合状态,微生物生长的环境为气、液、固三相。

       载体在水中的碰撞和剪切作用,使空气气泡更加细小,增加了氧气的利用率。另外,每个载体内外均具有不同的生物种类,内部生长一些厌氧菌或兼氧菌,外部为好氧菌,这样每个载体都为一个微型反应器,使硝化反应和反硝化反应同时存在,从而提高了处理效果。

       二、MBBR的同步硝化反硝化是如何实现的?

       1、同步硝化反硝化生物脱氮( SND)的概念

       同步硝化反硝化脱氮技术( SND) 是在同一个反应器内同时产生硝化、反硝化和除碳反应。它突破了传统观点认为硝化和反硝化不能同时发生的认识,尤其是好氧条件下,也可以发生反硝化反应,使得同步硝化和反硝化成为可能。

       硝化过程消耗碱度,反硝化过程产生碱度,SND故能够有效地保持反应器中pH值稳定,无需酸碱中和,无需外加碳源;节省反应器体积,缩短反应时间,通过降低硝态氮浓度可以减少二沉池污泥漂浮,因而 SND 成为生物脱氮的一个研究热点。对于 SND 生物脱氮的可行性,目前有以下主要三种从不同角度出发得出的观点:

       宏观环境角度:该观点认为完全均匀混合状态是不存在的,反应器内 DO分布不均匀能够形成好氧、缺氧、厌氧区域,在同一生物反应器缺氧/厌氧环境条件下可以发生反硝化反应,联合区段内好氧环境中有机物去除和氨氮的硝化,SND是可以实现的。

       微环境角度:该观点认为微生物絮体内的缺氧微环境是形成 SND的主要原因,即由于氧的扩散( 传递) 限制,微生物絮体内存在溶解氧梯度,从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境。

       生物学角度:该观点认为特殊微生物种群的存在被认为是发生 SND的主要原因,有的硝化细菌除了能够进行正常的硝化作用还能够进行反硝化作用,有荷兰学者分离出既可进行好氧硝化,又可进行好氧反硝化的泛养硫球菌;还有一些细菌彼此合作,进行序列反应,把氨转化为氮气,为在同一反应器在同一条件下完成生物脱氮提供了可能。

       目前对生物脱氮的微生物学研究和解释较多,但都不够完善,对 SND 现象的认识仍在发展与探索之中。微环境理论是被普遍接受的,由于溶解氧梯度的存在,微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高,以好氧 硝化菌及氨化菌为主;深入内部,氧传递受阻及外部溶解氧大量的消耗而产生缺氧区,反硝化菌为优势菌种,故可导致同步硝化反硝化的发生。该理论解释了在同一反应器中不同菌种共同存在的问题,但也存在一个缺陷,即有机碳源问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体,又是硝化过程的抑制物质,污水中的有机碳源在穿过好氧层时,首先被好氧氧化,处于缺氧区的反硝化菌由于得不到电子供体而降低了反硝化速率,可能影响SND的脱氮效率,故同步硝化反硝化的机理仍需要进一步完善。

       2、MBBR生物移动床同步硝化反硝化脱氮机理

       MBBR是结合悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的高效新型反应器,基本设计原理是将比重接近水、可悬浮于水中的悬浮填料直接投加到反应池中作为微生物的活性载体,悬浮填料能与污水频繁多 次接触,逐渐在填料表面生长出生物膜( 挂膜) ,强化了污染物、溶解氧和生物膜的传质效果,即而 MBBR被称为“移动的生物膜”。基于迄今SND机理研究,综合微环境和生物学理论,MBBR生物膜内SND可能存在的反应模式是,分布于生物膜好氧层的好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和好氧反硝化细菌与分布于生物缺氧层的厌氧氨氧化菌、自养型亚硝酸细菌和反硝化细菌相互协作,最终达到脱氮目的。

       MBBR是依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态,进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜,充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性,不仅提供了宏观和微观的好 氧和厌氧环境,还解决了自养硝化菌、异养反硝化菌与异养细菌的DO之争和碳源之争。故MBBR可实现硝化和反硝化两个过程的动力学平衡,具有同步硝化反硝化非常良好的条件,能实现MBBR同步硝化反硝化脱氮。

       三、MBBR同步硝化反硝化的影响因素

       实现 MBBR 同步硝化反硝化的关键技术是控制 MBBR 内硝化和反硝化的反应动力学平衡,解决自养硝化菌和异养细菌的DO之争及反硝化菌和异养细菌的碳源之争等,故实现其主要控制因素有:碳氮比、溶解氧浓度、温度和酸碱度等。

       1、填料对MBBR法的影响

       MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成,每一个载体的外形为直径10mm、高8mm的小圆柱体,圆柱体中有十字支撑,外壁有突出的竖条状鳍翅,填料中空部分占整个体积的0.95,即在一个充满水和填料的容器中,每一个填料中水占的体积为95%。考虑到填料旋转以及总容器容积,填料的填充比被定义为载体所占空问的比例,为了达到最好的混合效果,填料的填充比最大为0.7。理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的,一般为700m2/m3。当生物膜在载体内部生长时,实际有效利用的比表面积约为500m2/m3。

       此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长,形成较稳定的生物膜,并且容易形成流化状态。当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时,例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时,采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料,当已有较好的预处理或用于硝化时,采用比表面积大的生物填料。

       2、溶解氧(DO)对MBBR法的影响

       DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素,通过对DO浓度的控制,可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区,这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。

       从理论上讲,当DO质量浓度过于高时,DO能穿透到生物膜内部,使其内部难以形成缺氧区,大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐,使得出水TN仍然很高;反之,如果DO浓度很低,就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区,生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低),但由于DO供应不足,MBBR工艺硝化效果下降,使得出水氨氮浓度上升,从而导致出水TN上升,影响最终的处理效果。

       通过研究最终得出了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1.0mg/L以下;DO质量浓度在1.0mg/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。另外,曝气池内DO也不宜过高,溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快,从而使微生物缺乏营养,活性污泥易于老化,结构松散。此外,DO过高,过量耗能,在经济上也是不适宜的。

       因为MBBR法主要是通过悬浮填料来实现最终的污水处理,所以DO对悬浮填料的影响也是影响整个处理结果的关键。有研究表明反应器的充氧能力在一定范围内随着悬浮填料填充率的增大而增大。在曝气的作用下,水随填料一起流化,水流紊动程度较无填料时大,加速了气液界面的更新和氧的转移,使氧的转移速率提高。随着填料数量的增多,填料、气流和水流三者之间的这种切割作用和紊动作用不断加强。但加入填料量为60%时,填料在水中的流化效果变差,水体紊动程度也降低,使得氧的传递速率下降,氧的利用率降低。所以针对不同类型的水质,控制好DO的量对整个工艺最终的处理结果是至关重要的。
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