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1、MBBR 技术简介及研究现状分析摘 要：简述了移动床生物膜反应器的工艺原理、结构和特性，并分析了污水处理中影响反应器运行的主要因素。概述了国内外移动床生物膜反应器在含碳有机物去除、硝化与反硝化、除磷和反应动力学方面的最新研究进展以及实际应用。通过对比不同生物膜法对焦化废水的处理效果，指出移动床生物膜反应器是一种经济、高效的焦化废水处理方法，最后提出移动床生物膜反应器在实际工程应用中存在的问题以及发展趋势。关键词：移动床生物膜反应器；污水处理；影响因素；焦化废水Research Status and Prospect of Wastewater Treatment by Moving Bed B
2、iofilm ReactorAbstract: The article presents the principle, structure and characteristics of Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), and analyses the factors influencing its function. The research and application on MBBR technology conducted at home and abroad has been introduced simply. With its high ef
3、ficiency, the moving bed Biofilm reactor is suggested to be used in the coking wastewater process. The problems in the practical projects and development trend of MBBR are also discussed. Key words: MBBR; wastewater treatment; factor; coking wastewater移动床生物膜反应器（Moving-bed Biofilm Reactor，MBBR）是一种革新型
4、生物膜反应器，因其填料可移动的特性，对于废水的脱氮具有较好的效果而受到广泛的关注 1。焦化废水是典型的高氨氮浓度、有毒难降解工业废水，我国焦化厂外排废水常因氨氮含量严重超标而污染环境。随着人们对环境质量要求的日益提高，如何提高焦化废水的处理能力成为焦化厂面临的重要问题。目前在焦化废水处理中，已经推广应用的工艺有 A2O 工艺和SBR 工艺 2-5，但其缺点是运行和操作费用高、耐冲击性和适应性差。MBBR 技术是为解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体回流、淹没式生物滤池需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的 6。此外，MBBR 中可随污水流动的填料起到了增加污泥量和延长污泥停留时间
5、的作用，有利于生长速率慢的硝化细菌的生长，可以提高 NH4+的硝化效果，改善出水水质。MBBR 不但可以提高微生物的浓度，具有处理负荷大、抗冲击和抗毒性的优点，还能解决 A/O 工艺占地面积大、投资费用高的问题，所以 MBBR 非常适合焦化废水中的脱氮 7。1 移动床生物膜反应器移动床生物膜反应器是一种新型低能耗的生物废水处理装置，该反应器工艺简单，是介于固定填料生物接触氧化法和生物流化床之间的一项新工艺，结合了悬浮生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法的优点，克服了接触氧化法填料易堵塞、生物膜过厚易结团的缺点；同时也解决了生物流化床三项分离困难、动力消耗高的问题。将其应用于工业废水的处理，既提
6、高污水厂的脱氮效率，改善运行效果，又不需要增加原有反应器的容积。1.1 工艺原理及结构MBBR 的主要原理就是将密度接近水的悬浮填料直接投加到反应器中，作为微生物生长附着的载体，在一定条件进行挂膜，使填料上附着大量微生物。然后向反应器内连续通入污水和空气，并创造良好的混合接触条件，栖息在填料表面上的微生物不断摄取水中氧和有机物，从而达到净化污水的目的。MBBR 的结构如图 1 所示。MBBR 既可在好氧条件下运行（见图 1a） ，也可以在缺氧和厌氧条件下运行（见图 1b） 。在好氧 MBBR 中，填料依靠曝气和水流的提升作用，在反应器内自由流动；在缺氧和厌氧 MBBR 中，通过机械搅拌或者沼气
7、搅拌即可使填料呈流化状。（a）好氧移动床反应器 （b）厌氧/缺氧移动床反应器图 1 移动床生物膜反应器示意图1.2 工艺特点移动床生物膜反应器工艺的优势 8-10概括体现在以下几个方面：（1 ）微生物量大，污泥浓度是普通活性污泥的 5 倍10 倍，净化功能显著提高；微生物相多样化，生物的食物链长；（2 ）生物膜上脱落下来的生物污泥含动物成分多，密度大，污泥颗粒大，沉降性能好，易于固液分离，并且剩余污泥量少，减少了污泥处理费用；（3 ）载体密度轻，流化过程能耗低，加大了传质速率，氧转移效率高；不需要反冲洗，水头损失小，不发生堵塞，无需污泥回流，剩余污泥量少；（4 ）耐冲击负荷，对水质、水量变动有
8、较强的适应性，并能处理高浓度污水；（5 ）在这个生物生态系统中同时具有好氧和厌氧代谢活性，硝化和反硝化反应能在一个反应器内发生，对氨氮的去除具有良好的效果。而且对毒性以及其他不利于生物处理环境因素的敏感度低，适应性强；（6 ）结构紧凑，占地少，能耗低，易于运行和管理，减少污泥膨胀问题，投资和运行费用低；（7 ）生化池的设计弹性大，适于已建污水系统的扩建。2 影响因素2.1DO2.1.1DO 对挂膜启动的影响曝气强度影响填料的流化程度。合适的流化程度起到平衡填料上生物膜生长，加速老化生物膜脱落，维持生物膜活性的作用；而过于强烈的流化作用会减少填料上的生物量，降低填料的除污效果。因此，在保证供氧充
9、分和维持填料流化的前提下，应减小曝气量，降低填料流化强度。研究 11表明 DO 质量浓度为 5mg/L 时，由于曝气量比较大，滚动剧烈，生物膜的形成比较困难，填料表面挂膜困难，对污水的 COD 处理效果低。2.1.2DO 对挂膜时期 COD 去除率的影响在挂膜初期，DO 质量浓度不宜太大，随着反应器运行时间的延长，应适当增加曝气量。因为在挂膜初期，由于曝气量较小，悬浮填料移动缓慢，有利于初期微生物在膜表面粘附，有利于生物膜的形成。而随着运行时间的推移，微生物的量不断增长，进水 COD 的值也在增加，DO 即成为 COD 降解的限制因素。所以，应逐渐增加曝气量，使填料维持正常的流化状态，避免生物
10、膜上形成大比例的缺氧层，保证好氧微生物的正常代谢需氧量。2.1.3DO 对挂膜时期 NH3-N 去除率的影响NH3-N 的去除主要是硝化反应的作用，氧（O）是生物硝化作用中的电子受体，硝化反应必须在好氧条件下运行，相关研究 12-14表明悬浮载体生物膜及其他生物膜工艺在保持较高的硝化效果时，均需较高的 DO 质量浓度，反应器中 DO 的大小必将影响硝化反应的速率，最终必将影响着 NH3-N 去除率，故 DO 的增加有利于 NH3-N 去除率的明显提高。但曝气量太大不利于微生物在填料表面吸附，因此，在挂膜初期要适当减小曝气量，在运行一段时间后，可以增大曝气量。这样更有利于挂膜和缩短启动时间。2.
11、2HRT2.2.1HRT 对挂膜时期 COD 去除率的影响HRT 是影响污水中 COD 去除率的一个重要因素。HRT 过短，流化作用过于强烈，不利于填料表面微生物的附着生长，此时水中营养物质丰富，大部分微生物处于对数生长期，微生物生长旺盛，细胞表面的粘液层和荚膜尚未形成，运动活跃，不易自行凝聚成菌胶团，对污水的处理效果不够理想。然而由于反应器内的微生物的总数是有限的，其处理污水的能力也有限，因而当水力停留时间过长时，COD 的去除率趋于稳定。因此，HRT 的选择应适中，一般可选择 46h。2.2.2HRT 对挂膜时期 NH3-N 去除率的影响较短的 HRT 不利于挂膜过程中微生物的生长，填料上
12、生物膜增长趋势减缓。为确保反应器中存活并维持一定数量和性能稳定的硝化菌，反应器必须有足够的 HRT。对一定进水底物质量浓度而言，在一定范围内延长 HRT，会降低容积负荷，提高氧浓度，从而提高MBBR 的 NH3-N 去除率 15。超出这一范围，延长 HRT，NH 3-N 去除率会增大，但很有限。HRT 过长，氨氮的去除率反而降低，因为水力停留时间过长减弱了生物膜中固着态微生物的生长速度，使填料表面的生物膜变得松散。此外，HRT 的延长会增加池容，增加基建费用，不经济。2.3 填料悬浮填料是 MBBR 工艺的核心部分，它是生物膜附着生长和降解有机物的重要场所，是加强传质、改善反应器内水力条件和生
13、化反应条件的基本手段。填料的性能好坏，直接影响到挂膜的难易程度、反应器中生物量的多少及反应器的处理效果 16。研究 17表明，改性填料具有更高的废水处理效率和更大的挂膜量。改性填料具有良好的亲水性和生物亲和性，使得生物活性高，处理效果好。郭志涛 18等的研究表明，填料的亲水性与生物亲和性对处理效果的影响大于填料比表面积对处理效果的影响。此外，悬浮填料的种类还影响填料表面生物膜的种群结构 19。为了使填料能在反应器内自由运动，填料最大填充比例应小于 70%，最好在 67%左右 20。填料的有效比表面积是影响运行效果的主要因素，填料大小、形状居次要地位 21。2.4 搅拌类型和搅拌方式在好氧反应器
14、中，一般采用空气搅拌。由于好氧反应器中污泥产量高、增殖快，填料的挂膜较为容易，考虑到好氧微生物对氧气的需求，故多采用连续搅拌的方式。在厌氧反应器中，采用水力、机械、沼气来搅拌。在厌氧反应器挂膜的初期，可采用间歇搅拌的方式，缩短厌氧挂膜的启动时间。挂膜成功后，可增加搅拌的次数，采用间歇或连续搅拌方式。2.5 有机负荷有机负荷较高时,对污泥的沉降性有一定的影响。据 Odegarrd20等的研究，污泥的沉降性随着有机负荷的增加而降低,因此,需在高速移动床生物膜反应器的出水中投加絮凝剂或其他分离技术,以提高污泥的沉降性。3 研究现状及应用 213.1 研究现状3.1.1 工艺条件的研究朱文亭等用经过改
15、造的 MBBR 处理人工配制的葡萄糖废水，对工艺条件进行了研究。结果表明，当进水 COD 为 200700mg/L、气水比为 10 : 1、水力停留时间为 4h 时，COD平均去除率可达 88.8%。挪威的 Rusten 等在 FREVAR 废水处理厂对 MBBR 脱氮作用的中试结果表明，在一定的 DO 浓度下，硝化速率随着温度的升高而增加。当 DO 浓度增加时，硝化速率也有显著的提高。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(可生物降解的可溶 COD)浓度的增加而增加。3.1.2 净化功能及效率的探讨3.1.2.1 含碳有机物的去除孙华等采用 MBBR 处理染料化
16、工废水。运行数据表明，出水 BOD5、氨氮和苯胺等可以达到排放标准，COD 的去除率为 70%左右。在意大利的 Villa Rendena 有一个应用 MBBR 工艺的污水处理厂。在夏季时，系统操作温度为 1016C，在平均 TCOD (总量 COD )有机负荷为 9.9gTCOD/m2d 时，去除率达到了 79%。在冬季时，水温范围为 4.88.2，MBBR 单元平均负荷为 7. 9gCOD/m2d，去除率为 73%。李锋等用 MBBR 工艺处理上海桃浦工业区废水。试验结果显示，MBBR 法对 COD 的平均去除率大于 75%，当进水 COD 浓度在 800mg/L时，出水基本达到 200mg /L 的出水要求，而且出水较稳定。 3.1.2.2 含氨的硝化去除生物脱氮中，一般认为，硝化反应在好氧条件下进行，反硝化反应在厌氧条件下进行。因而，目前的生物脱氮工艺大多单独设立缺氧和厌氧环境。近年来，一些研究发现硝化和反硝化可同时进行。对一定
