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MBBR是如何實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的？看完你就明白了！
來(lái)源：科柏盛環(huán)保 發(fā)布時(shí)間：2022-01-24
一、什么是MBBR？
MBBR工藝是運(yùn)用生物膜法的基本原理，通過(guò)向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提高反應(yīng)器中的生物量及生物種類(lèi)，從而提高反應(yīng)器的處理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝氣的時(shí)候，與水呈完全混合狀態(tài)，微生物生長(zhǎng)的環(huán)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(xì)小，增加了氧氣的利用率。另外，每個(gè)載體內(nèi)外均具有不同的生物種類(lèi)，內(nèi)部生長(zhǎng)一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好氧菌，這樣每個(gè)載體都為一個(gè)微型反應(yīng)器，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時(shí)存在，從而提高了處理效果。
二、MBBR的同步硝化反硝化是如何實(shí)現(xiàn)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(shù)( SND) 是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生硝化、反硝化和除碳反應(yīng)。它突破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為硝化和反硝化不能同時(shí)發(fā)生的認(rèn)識(shí)，尤其是好氧條件下，也可以發(fā)生反硝化反應(yīng)，使得同步硝化和反硝化成為可能。
硝化過(guò)程消耗堿度，反硝化過(guò)程產(chǎn)生堿度，SND故能夠有效地保持反應(yīng)器中pH值穩(wěn)定，無(wú)需酸堿中和，無(wú)需外加碳源；節(jié)省反應(yīng)器體積，縮短反應(yīng)時(shí)間，通過(guò)降低硝態(tài)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(gè)研究熱點(diǎn)。對(duì)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(fā)得出的觀點(diǎn)：
宏觀環(huán)境角度：該觀點(diǎn)認(rèn)為完全均勻混合狀態(tài)是不存在的，反應(yīng)器內(nèi) DO分布不均勻能夠形成好氧、缺氧、厭氧區(qū)域，在同一生物反應(yīng)器缺氧/厭氧環(huán)境條件下可以發(fā)生反硝化反應(yīng)，聯(lián)合區(qū)段內(nèi)好氧環(huán)境中有機(jī)物去除和氨氮的硝化，SND是可以實(shí)現(xiàn)的。
微環(huán)境角度：該觀點(diǎn)認(rèn)為微生物絮體內(nèi)的缺氧微環(huán)境是形成 SND的主要原因，即由于氧的擴(kuò)散( 傳遞) 限制，微生物絮體內(nèi)存在溶解氧梯度，從而形成有利于實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的微環(huán)境。
生物學(xué)角度：該觀點(diǎn)認(rèn)為特殊微生物種群的存在被認(rèn)為是發(fā)生 SND的主要原因，有的硝化細(xì)菌除了能夠進(jìn)行正常的硝化作用還能夠進(jìn)行反硝化作用，有荷蘭學(xué)者分離出既可進(jìn)行好氧硝化，又可進(jìn)行好氧反硝化的泛養(yǎng)硫球菌；還有一些細(xì)菌彼此合作，進(jìn)行序列反應(yīng)，把氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)�，為在同一反�?yīng)器在同一條件下完成生物脫氮提供了可能。
目前對(duì)生物脫氮的微生物學(xué)研究和解釋較多，但都不夠完善，對(duì) SND 現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)仍在發(fā)展與探索之中。微環(huán)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(nèi)部，氧傳遞受阻及外部溶解氧大量的消耗而產(chǎn)生缺氧區(qū)，反硝化菌為優(yōu)勢(shì)菌種，故可導(dǎo)致同步硝化反硝化的發(fā)生。該理論解釋了在同一反應(yīng)器中不同菌種共同存在的問(wèn)題，但也存在一個(gè)缺陷，即有機(jī)碳源問(wèn)題。有機(jī)碳源既是異養(yǎng)反硝化的電子供體，又是硝化過(guò)程的抑制物質(zhì)，污水中的有機(jī)碳源在穿過(guò)好氧層時(shí)，*先被好氧氧化，處于缺氧區(qū)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(jī)理仍需要進(jìn)一步完善。
2、MBBR生物移動(dòng)床同步硝化反硝化脫氮機(jī)理
MBBR是結(jié)合懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法和附著生長(zhǎng)的生物膜法的高效新型反應(yīng)器，基本設(shè)計(jì)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(yīng)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(zhǎng)出生物膜( 掛膜) ，強(qiáng)化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質(zhì)效果，即而 MBBR被稱(chēng)為“移動(dòng)的生物膜”�；谄馭ND機(jī)理研究，綜合微環(huán)境和生物學(xué)理論，MBBR生物膜內(nèi)SND可能存在的反應(yīng)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(xì)菌與分布于生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養(yǎng)型亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌相互協(xié)作，*終達(dá)到脫氮目的。
MBBR是依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài)，進(jìn)而形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜，充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物兩者的優(yōu)越性，不僅提供了宏觀和微觀的好 氧和厭氧環(huán)境，還解決了自養(yǎng)硝化菌、異養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)和碳源之爭(zhēng)。故MBBR可實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的條件，能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn) MBBR 同步硝化反硝化的關(guān)鍵技術(shù)是控制 MBBR 內(nèi)硝化和反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡，解決自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)及反硝化菌和異養(yǎng)細(xì)菌的碳源之爭(zhēng)等，故實(shí)現(xiàn)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(duì)MBBR法的影響
MBBR法的技術(shù)關(guān)鍵在于比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運(yùn)動(dòng)的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一個(gè)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(gè)體積的0.95，即在一個(gè)充滿(mǎn)水和填料的容器中，每一個(gè)填料中水占的體積為95%�？紤]到填料旋轉(zhuǎn)以及總?cè)萜魅莘e，填料的填充比被定義為載體所占空問(wèn)的比例，為了達(dá)到*好的混合效果，填料的填充比*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(shù)量來(lái)定義的，一般為700m2/m3。當(dāng)生物膜在載體內(nèi)部生長(zhǎng)時(shí)，實(shí)際有效利用的比表面積約為500m2/m3。
此類(lèi)型的生物填料有利于微生物在填料內(nèi)側(cè)附著生長(zhǎng)，形成較穩(wěn)定的生物膜，并且容易形成流化狀態(tài)。當(dāng)預(yù)處理要求較低或污水中含有大量纖維物質(zhì)時(shí)，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(shí)，采用比表面積較小、尺寸較大的生物填料，當(dāng)已有較好的預(yù)處理或用于硝化時(shí)，采用比表面積大的生物填料。
2、溶解氧(DO)對(duì)MBBR法的影響
DO濃度是影響同步硝化一反硝化的一個(gè)主要的限制因素，通過(guò)對(duì)DO濃度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧區(qū)或缺氧區(qū)，這樣便具有了實(shí)現(xiàn)同步硝化一反硝化的物理?xiàng)l件。
從理論上講，當(dāng)DO質(zhì)量濃度過(guò)于高時(shí)，DO能穿透到生物膜內(nèi)部，使其內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)，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(huì)造成生物膜內(nèi)部很大比例的厭氧區(qū)，生物膜反硝化能力增強(qiáng)(出水硝氮和亞硝氮濃度都很低)，但由于DO供應(yīng)不足，MBBR工藝硝化效果下降，使得出水氨氮濃度上升，從而導(dǎo)致出水TN上升，影響*終的處理效果。
通過(guò)研究*終得出了MBBR法處理城市生活污水DO的一個(gè)*佳值：當(dāng)DO質(zhì)量濃度在2mg/L以上時(shí)，DO對(duì)MBBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率可達(dá)97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO質(zhì)量濃度在1.0mg/L左右時(shí)，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(nèi)DO也不宜過(guò)高，溶解氧過(guò)高能夠?qū)е掠袡C(jī)污染物分解過(guò)快，從而使微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構(gòu)松散。此外，DO過(guò)高，過(guò)量耗能，在經(jīng)濟(jì)上也是不適宜的。
因?yàn)镸BBR法主要是通過(guò)懸浮填料來(lái)實(shí)現(xiàn)*終的污水處理，所以DO對(duì)懸浮填料的影響也是影響整個(gè)處理結(jié)果的關(guān)鍵。有研究表明反應(yīng)器的充氧能力在一定范圍內(nèi)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(dòng)程度較無(wú)填料時(shí)大，加速了氣液界面的更新和氧的轉(zhuǎn)移，使氧的轉(zhuǎn)移速率提高。隨著填料數(shù)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(dòng)作用不斷加強(qiáng)。但加入填料量為60%時(shí)，填料在水中的流化效果變差，水體紊動(dòng)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(duì)不同類(lèi)型的水質(zhì)，控制好DO的量對(duì)整個(gè)工藝*終的處理結(jié)果是至關(guān)重要的。
MBBR工藝是運(yùn)用生物膜法的基本原理，通過(guò)向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提高反應(yīng)器中的生物量及生物種類(lèi)，從而提高反應(yīng)器的處理效率。由于填料密度接近于水，所以在曝氣的時(shí)候，與水呈完全混合狀態(tài)，微生物生長(zhǎng)的環(huán)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(xì)小，增加了氧氣的利用率。另外，每個(gè)載體內(nèi)外均具有不同的生物種類(lèi)，內(nèi)部生長(zhǎng)一些厭氧菌或兼氧菌，外部為好氧菌，這樣每個(gè)載體都為一個(gè)微型反應(yīng)器，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時(shí)存在，從而提高了處理效果。
二、MBBR的同步硝化反硝化是如何實(shí)現(xiàn)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(shù)( SND) 是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生硝化、反硝化和除碳反應(yīng)。它突破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為硝化和反硝化不能同時(shí)發(fā)生的認(rèn)識(shí)，尤其是好氧條件下，也可以發(fā)生反硝化反應(yīng)，使得同步硝化和反硝化成為可能。
硝化過(guò)程消耗堿度，反硝化過(guò)程產(chǎn)生堿度，SND故能夠有效地保持反應(yīng)器中pH值穩(wěn)定，無(wú)需酸堿中和，無(wú)需外加碳源；節(jié)省反應(yīng)器體積，縮短反應(yīng)時(shí)間，通過(guò)降低硝態(tài)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(gè)研究熱點(diǎn)。對(duì)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(fā)得出的觀點(diǎn)：
宏觀環(huán)境角度：該觀點(diǎn)認(rèn)為完全均勻混合狀態(tài)是不存在的，反應(yīng)器內(nèi) DO分布不均勻能夠形成好氧、缺氧、厭氧區(qū)域，在同一生物反應(yīng)器缺氧/厭氧環(huán)境條件下可以發(fā)生反硝化反應(yīng)，聯(lián)合區(qū)段內(nèi)好氧環(huán)境中有機(jī)物去除和氨氮的硝化，SND是可以實(shí)現(xiàn)的。
微環(huán)境角度：該觀點(diǎn)認(rèn)為微生物絮體內(nèi)的缺氧微環(huán)境是形成 SND的主要原因，即由于氧的擴(kuò)散( 傳遞) 限制，微生物絮體內(nèi)存在溶解氧梯度，從而形成有利于實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的微環(huán)境。
生物學(xué)角度：該觀點(diǎn)認(rèn)為特殊微生物種群的存在被認(rèn)為是發(fā)生 SND的主要原因，有的硝化細(xì)菌除了能夠進(jìn)行正常的硝化作用還能夠進(jìn)行反硝化作用，有荷蘭學(xué)者分離出既可進(jìn)行好氧硝化，又可進(jìn)行好氧反硝化的泛養(yǎng)硫球菌；還有一些細(xì)菌彼此合作，進(jìn)行序列反應(yīng)，把氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)�，為在同一反�?yīng)器在同一條件下完成生物脫氮提供了可能。
目前對(duì)生物脫氮的微生物學(xué)研究和解釋較多，但都不夠完善，對(duì) SND 現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)仍在發(fā)展與探索之中。微環(huán)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(nèi)部，氧傳遞受阻及外部溶解氧大量的消耗而產(chǎn)生缺氧區(qū)，反硝化菌為優(yōu)勢(shì)菌種，故可導(dǎo)致同步硝化反硝化的發(fā)生。該理論解釋了在同一反應(yīng)器中不同菌種共同存在的問(wèn)題，但也存在一個(gè)缺陷，即有機(jī)碳源問(wèn)題。有機(jī)碳源既是異養(yǎng)反硝化的電子供體，又是硝化過(guò)程的抑制物質(zhì)，污水中的有機(jī)碳源在穿過(guò)好氧層時(shí)，*先被好氧氧化，處于缺氧區(qū)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(jī)理仍需要進(jìn)一步完善。
2、MBBR生物移動(dòng)床同步硝化反硝化脫氮機(jī)理
MBBR是結(jié)合懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法和附著生長(zhǎng)的生物膜法的高效新型反應(yīng)器，基本設(shè)計(jì)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(yīng)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(zhǎng)出生物膜( 掛膜) ，強(qiáng)化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質(zhì)效果，即而 MBBR被稱(chēng)為“移動(dòng)的生物膜”�；谄馭ND機(jī)理研究，綜合微環(huán)境和生物學(xué)理論，MBBR生物膜內(nèi)SND可能存在的反應(yīng)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(xì)菌與分布于生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養(yǎng)型亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌相互協(xié)作，*終達(dá)到脫氮目的。
MBBR是依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài)，進(jìn)而形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜，充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物兩者的優(yōu)越性，不僅提供了宏觀和微觀的好 氧和厭氧環(huán)境，還解決了自養(yǎng)硝化菌、異養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)和碳源之爭(zhēng)。故MBBR可實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的條件，能實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn) MBBR 同步硝化反硝化的關(guān)鍵技術(shù)是控制 MBBR 內(nèi)硝化和反硝化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡，解決自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)及反硝化菌和異養(yǎng)細(xì)菌的碳源之爭(zhēng)等，故實(shí)現(xiàn)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(duì)MBBR法的影響
MBBR法的技術(shù)關(guān)鍵在于比重接近于水、輕微攪拌下易于隨水自由運(yùn)動(dòng)的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一個(gè)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(gè)體積的0.95，即在一個(gè)充滿(mǎn)水和填料的容器中，每一個(gè)填料中水占的體積為95%�？紤]到填料旋轉(zhuǎn)以及總?cè)萜魅莘e，填料的填充比被定義為載體所占空問(wèn)的比例，為了達(dá)到*好的混合效果，填料的填充比*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(shù)量來(lái)定義的，一般為700m2/m3。當(dāng)生物膜在載體內(nèi)部生長(zhǎng)時(shí)，實(shí)際有效利用的比表面積約為500m2/m3。
此類(lèi)型的生物填料有利于微生物在填料內(nèi)側(cè)附著生長(zhǎng)，形成較穩(wěn)定的生物膜，并且容易形成流化狀態(tài)。當(dāng)預(yù)處理要求較低或污水中含有大量纖維物質(zhì)時(shí)，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(shí)，采用比表面積較小、尺寸較大的生物填料，當(dāng)已有較好的預(yù)處理或用于硝化時(shí)，采用比表面積大的生物填料。
2、溶解氧(DO)對(duì)MBBR法的影響
DO濃度是影響同步硝化一反硝化的一個(gè)主要的限制因素，通過(guò)對(duì)DO濃度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧區(qū)或缺氧區(qū)，這樣便具有了實(shí)現(xiàn)同步硝化一反硝化的物理?xiàng)l件。
從理論上講，當(dāng)DO質(zhì)量濃度過(guò)于高時(shí)，DO能穿透到生物膜內(nèi)部，使其內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)，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(huì)造成生物膜內(nèi)部很大比例的厭氧區(qū)，生物膜反硝化能力增強(qiáng)(出水硝氮和亞硝氮濃度都很低)，但由于DO供應(yīng)不足，MBBR工藝硝化效果下降，使得出水氨氮濃度上升，從而導(dǎo)致出水TN上升，影響*終的處理效果。
通過(guò)研究*終得出了MBBR法處理城市生活污水DO的一個(gè)*佳值：當(dāng)DO質(zhì)量濃度在2mg/L以上時(shí)，DO對(duì)MBBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率可達(dá)97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO質(zhì)量濃度在1.0mg/L左右時(shí)，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(nèi)DO也不宜過(guò)高，溶解氧過(guò)高能夠?qū)е掠袡C(jī)污染物分解過(guò)快，從而使微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構(gòu)松散。此外，DO過(guò)高，過(guò)量耗能，在經(jīng)濟(jì)上也是不適宜的。
因?yàn)镸BBR法主要是通過(guò)懸浮填料來(lái)實(shí)現(xiàn)*終的污水處理，所以DO對(duì)懸浮填料的影響也是影響整個(gè)處理結(jié)果的關(guān)鍵。有研究表明反應(yīng)器的充氧能力在一定范圍內(nèi)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(dòng)程度較無(wú)填料時(shí)大，加速了氣液界面的更新和氧的轉(zhuǎn)移，使氧的轉(zhuǎn)移速率提高。隨著填料數(shù)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(dòng)作用不斷加強(qiáng)。但加入填料量為60%時(shí)，填料在水中的流化效果變差，水體紊動(dòng)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(duì)不同類(lèi)型的水質(zhì)，控制好DO的量對(duì)整個(gè)工藝*終的處理結(jié)果是至關(guān)重要的。
