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移动床生物反应器启动特性研究进展


第 37 卷 第 2 期 2011 年 2 月

水处理技术 TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT

Vol.37 No.2 Feb.,2011

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移动床生物反应器启动特性研究进展
廖榆敏 1,汤 兵 1,陈秋雯 2
(1. 广东工业大学环境科学与工程学院, 广东 广州 510006; 2.番禺区环境监测站, 广东 广州 511483)



要: 介绍了移动床生物膜反应器的工艺原理和特点、 移动床生物膜反应器启动特性研究。指出移动床生物膜反

应器采用普通悬浮填料挂膜启动时间长,移动床生物膜反应器间歇运行时如何实现快速挂膜启动以及在低温及变 温条件下, 移动床生物膜反应器挂膜启动时缺少加速生物膜生长和控制生物反应特性的运行资料等不足。

关键词: 移动床生物膜反应器; 悬浮填料; 启动 中图分类号: X703.1 文献标识码: A 文章编号: 1000-3770(2011)02-0005-004

目前, 在我国广大中小城镇地区, 乱排乱放情况 日益严重, 中小城镇由于其自身经济发展的制约, 不 能像大城市那样建造大型污水处理厂。因此开发出 高效率、 管理运行简单的污水处理工艺和设 低投入、 备对减少中小城市日益严重的点源污染具有重要的 意义。移动床生物膜反应器 (Moving-bed biofilm MBBR)的出现提供了更经济更实用的污水 reactor, 处理方法。MBBR 工艺以其占地少、 投资省; 不需活 性污泥回流或循环反冲洗; 载体生物不断脱落, 避免 堵塞; 有机负荷高、 耐冲击负荷能力强, 出水水质稳 定; 水头损失小、 动力消耗低; 处理效率高、 性能稳 定; 运行简单, 操作管理容易; 同时适用于改造工程 的优点, 日益引起广大污水处理研究者的关注。 同时 该法还能针对不同特点的污水,发展出一系列与之 相结合的组合工艺。 对于 MBBR 反应器的启动特性, 其核心是悬浮 填料的表面性能。 能否处理废水, 关键看悬浮填料挂 膜能否成功。而如今,如何实现快速挂膜俨然成为 MBBR 反应器广泛应用的难点问题。本文所研究的 正是衡量悬浮填料表面性能的启动特性研究,因此 对填料选材方面, 选择合适的制作材质, 对材质进行 适当处理以改变材质的表面特性;对评价新型悬浮 填料的表面性能的启动特性; 对填料设计方面, 设计 出更合理实用的填料等方面的研究有重大意义。

1 MBBR
工艺原理 MBBR 工艺的原理是向反应器投加密度接近于 水的悬浮填料,利用在一定条件下悬浮填料上挂膜 附着生长的大量微生物,同时在反应器中营造出合 适的溶氧量、 气水比、 水力停留时间、 营养盐等一系 列有利于悬浮填料上生长的好氧、厌氧以及兼性微 生物的生长条件,对连续通入反应器中的污水进行 生物处理, 使得污水达标出水的一种新型处理工艺。 曝气条件下 MBBR 反应器结构示意于图 1。 1.1

图 1 好氧移动床生物膜反应器结构示意图 Fig.1 Aerobic moving bed biofilm reactor structure diagram

1.2 工艺特点 MBBR 工艺相对于其他工艺, 有着自己独特的 工艺特点。 (1)进水及预处理系统简单, 进水可不经沉淀 [1] 直接进行处理 。 (2)能单独处理污水, 也能与现有

收稿日期: 2010-05-11 作者简介: 廖榆敏 (1985-), 硕士研究生, 男, 研究方向为水污染控制; 联系电话: 13570431591; E-mail: lymcomboy@163.com 联系作者: 兵, 汤 教授; 联系电话: 13380039019; E-mail: renytang@163.com

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废水处理工艺进行组合处理。 (3)由于在同一反应 器, 通过一定的曝气, 使得反应器中、 悬浮填料内均 可产生好氧、 厌氧区, 因此, 在同一反应器里微生物 对污水的处理能实现同步进行硝化反硝化。 (4)对 [2] 诸如有机农药废水 等高浓度难处理废水, 由于反 应器中生物生态系统同时具有好氧厌氧过程,使该 生物生态系统能适应许多恶劣生态环境,因此对高 浓度难处理废水具有良好的处理效果。

新型沸石组合填料,该填料比表面积为普通填料的 2~3 倍, 且挂膜容易。 笔者认为: 悬浮填料的表面特 性对挂膜启动具有重要影响。亲水性材质的悬浮填 料能有效的改善悬浮填料在污水中的水力特性, 进 而影响水体中溶解氧量,微生物在悬浮填料上的附 着情况, 污水中悬浮填料周围滞留层的厚度, 对硬性 填料的快速挂膜启动尤为重要。 2.2 营养成份 营养成份对挂膜启动有较大影响。张兴文等[32] 采用 2 座 120 m3 的 MBBR 反应器处理抚顺乙烯有 · 限公司厂区 COD 为 60~80 mg L-1 的低浓度生活污 水。由于进水浓度偏低, MBBR 反应器挂膜不利, 对 工程中采用外加营养的措施后, d 内反应器挂膜启 3 [33] 动成功。刘靖等 研究了添加营养盐对移动床生物 膜反应器启动的影响。 实验表明, 在添加氨氧化菌营 -6 养盐并通入质量分数 50×10 NO2 气体时,不仅缩短 了挂膜时间,有机物和总氮也取得良好的处理效果, 其中总氮转化率要优于未通入 NO2 气体的条件下。 同时, 2 气体的净化效率超过 90%。笔者在实际中 NO 挂膜中发现, 挂膜初期, 碳源选择葡萄糖要比选择淀 粉更容易让微生物吸收, 加快微生物增殖速度从而加 快挂膜启动。 尤其需要注意的是接种污泥后 1~2 d内 微生物的营养需要,以免微生物因缺乏碳源而自身 氧化导致污泥出现泥水分离。而接种挂膜期间需要 注意碳氮比, 按照模拟生活污水成份投加营养成份, 并且适时监测反应器中 COD, 氨氮等, 适当的调配 营养成份以适应微生物不同时期的生长需要。 2.3 挂膜启动方式 选择合适的挂膜启动方式, 让载体表面快速稳定 的形成生物膜对 MBBR 反应器实现快速挂膜启动显 得尤为重要。 好氧移动床生物膜反应器的挂膜启动方 式[13]有排泥挂膜法和闭路循环法, 缺氧移动床生物膜 反应器 (AMBBR)的挂膜启动方式[34]有搅拌排泥法 和闭路循环法。马建勇等[13]对比研究了 MBBR 处理 低负荷生活污水时排泥挂膜法与闭路循环法 2 种挂 膜启动方式对反应器处理效果的影响, 研究发现闭路 循环法比排泥挂膜法启动稍慢, 但运行初期的处理效 果比后者好。曹艳晓等[34]通过对现有污水处理厂进行 工艺优化, 提出新的脱氮组合工艺 - 水解酸化 -AMBBR- 好氧工艺,并研究其挂膜启动过程。试验中 AMBBR 分别采取了搅拌排泥法和闭路曝气法 2 种 挂膜启动方式。研究表明, 闭路曝气法首先好氧曝气 挂膜, 之后转向微氧运行的方式具有启动时间短, 生

2 MBBR 启动特性
MBBR 是在 20 世纪 90 年代中期得到开发和应 用的, 其兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优 点, 是一种新型高效的污水处理方法。 迄今为止, 国外 已应用 MBBR 进行处理生活污水[3-4]、 工业废水[5], 城 市垃圾渗滤液[6-7]、 农药废水[8]、 牛奶废水[9]、 苯酚废水[10] 等的小试、 中试或生产性实验研究, 均取得了较好的 效果。MBBR 反应器也可充当二级处理反应器来使 用[11], 当两级联用时, 1 级的反应器生物膜厚度和 前 微生物数量明显高于第 2 级反应器[12]。目前, 国内对 MBBR 工艺,在研究方面大多仍处于试验性研究阶 段, 在技术参数方面多为探索阶段, 在应用方面多为 [13-24,35] 、 工业废水[25], 一些小型工程, 且多用于生活污水 该工艺也可应用到微污染原水[26]、 有机废水 [27]、 养猪 场废水[28]、 污水处理厂的升级改造[29]、 与现有工艺进 行组合强化处理[30]。 MBBR 反应器挂膜启动时间差别较大, 从十几 天到 30 天不等, 查阅相关文献, 缩短挂膜启动时间 的方法有 5 种: (1)选择合适的悬浮填料。 (2)营养 成份。 (3)选择合适的挂膜启动方式。 (4)添加接种 污泥。 (5)优化反应条件。 2.1 悬浮填料表面性能 MBBR 反应器挂膜启动的核心是悬浮填料的 选择。 国内目前悬浮填料所用材料大多是聚乙烯、 聚 丙烯及其改性材料、 聚氨酯泡沫体等, 其大多数都是 疏水性填料, 形状通常为球状、 圆筒状或粒状, 比表 2 -3 面积多在 100~500 m· 之间,比重接近于水, m 长 了生物膜以后,在正常的曝气强度下极易达到全池 流化翻动。同时市面上也有蜂窝填料、 软性填料、 半 软性填料及复合填料等固定型填料。 一般来说, 按挂 膜难易程度分, 软性填料最好, 半软性填料次之, 硬 性填料最难,一旦填料挂上膜,硬性填料最不易脱 膜。 有学者研究某些特殊的材料制作的悬浮填料, 如 [31] 陈月芳等 将传统悬浮填料与沸石有机组合, 制得

廖榆敏等, 移动床生物反应器启动特性研究进展 物膜挂膜好, 更新速度快, 能耗低等特点, 相比于搅 拌排泥法, 该方法值得借鉴推广。

7 现,方形反应器使用改良型方形穿孔管能有效对抗 反应器死角问题。 而圆形反应器, 微孔曝气盘相对于 穿孔管更能有效的曝气,曝出来的气泡对填料上生 物膜的冲击力更小, 流化和传质效果更好, 更有利于 生物膜上生物的生长, 加速挂膜启动过程。

2.4 接种污泥 有学者 [14]认为添加接种污泥对 MBBR 挂膜启 动是不必要的, 但从实际中试应用中发现, 悬浮污泥 [1] 浓度对挂膜启动有较大的影响。朱峰 指出一般在 移动床生物膜反应器中,附着相生物膜与悬浮相活 性污泥共同发挥作用,其中悬浮相活性污泥可以占 到总生物量的 25%~35%。贾磊等[35]研究表明在低 温及进水浓度较低时,接种污泥可加快填料挂膜过 并指出挂膜初期应保持较低的悬浮污泥浓度, 避 程。 免悬浮污泥在和填料上生物膜竞争底物中占据优势 地位, 抑制生物膜生长。 并通过微生物镜检表明固定 相生物膜比悬浮相污泥要更成熟, 微生物种类更多, 更有利于硝化菌生长。可见添加接种污泥对挂膜启 动是有效的。 笔者在实际挂膜中发现, 接种污泥浓度 不宜过低, 过低悬浮生物量太低, 不利于微生物附着 在悬浮填料上, 从而增加挂膜启动时间。 2.5 优化反应条件 2.5.1 溶解氧 溶解氧量对挂膜启动有较大影响。王宇等[36]指出 反应器内氧传质系数随曝气强度的增加而增大,且填 料体积含率较大时, 增长速率加快, 但在曝气强度较高 时会导致氧传递效率降低,床层内剧烈湍流也会使动 力消耗增加、 填料碰撞磨损加剧, 不利填料挂膜。笔者 在挂膜中发现, 溶解氧太低, 反应器呈现缺氧, 甚至厌 氧状态, 反应器酸度增加, 好氧异养菌大量死亡, 污泥 矿化程度加剧, 悬浮微生物难以附着在悬浮填料上。 溶 解氧量太高, 反应器湍流程度加剧, 微生物组成的菌胶 团被打散, 附着微生物被湍流冲刷而脱落。 一般溶解氧 -1 的质量浓度维持在 2~3 mg L 比较有利于挂膜。 · 2.5.2 微生物 微生物种类对挂膜启动有较大影响。 对于好氧反 应器挂膜启动,好氧异养型微生物更能快速增殖, 形 成有效膜基底, 从而营造出更有利于悬浮微生物附着 生长的 “基地” 有利于硝化细菌的进一步附着。 , 2.5.3 温 度 温度对挂膜启动有一定影响。一般来说,常温 下, 温度对挂膜启动影响不太大, 低温对挂膜启动影 响较大。由于温度过低, 微生物的活动受到限制, 对 于硬性填料, 过低的温度更不利于挂膜。 2.5.4 曝气方式 曝气方式对挂膜启动有一定影响。笔者挂膜发

填充率 填充率对挂膜启动有一定影响。曹占平[37]等对 MBBR 反应器充氧能力进行试验研究,研究表明, 在悬浮填料载体能均匀流化的填充范围内,反应器 充氧能力随填充率的增大而增大。但笔者在挂膜中 发现填充率越大, 对方形反应器容易造成填料堆积, 反而更不利于氧传质, 从而出现氧气分布很不均匀, 造成反应器局部呈现缺氧状态,不利于反应器长期 稳定挂膜启动。 2.6 挂膜启动完成标志 此外, 有学者指出 MBBR 反应器启动完成的标 贾磊等[35]采用 COD 和氨氮去除率 2 项指标作为 志。 判断挂膜成功与否的标准。通过测定出水 COD 去 除率稳定达到 70%以上, 氨氮去除率稳定达到 60% 以上就可认定反应器挂膜成功,同时辅以微生物镜 检以检查生物膜是否成熟。 由于反应条件, 所处理的 废水种类不同,笔者认为挂膜启动成功的标志是以 COD, 氨氮的去除率达到稳定时, 并对填料上的微 生物进行镜检, 若镜检出如轮虫、 线虫等微型后生动 物则表明启动完成, 反应器进入稳定运行期。 2.5.5

3 小结与展望
MBBR 工艺集中了生物滤池和流化床的优点, MBBR 一出现, 就引起了各地专家和学者研究的兴 趣。如今, MBBR 工艺大多应用于中小型企业生活 污水以及工业有机废水的处理方面,要让该工艺走 上大型应用化,还有许多问题需要广大污水处理工 作者合力解决。 (1)在常温条件下, 反应器挂膜启动时间长。 MBBR 反应器实现快速挂膜启动的核心是悬浮填 料的表面特性, 在其它条件较恶劣的情况下, 例如处 理的废水为难处理废水时, 悬浮填料表面特性好, 易 挂膜也能弥补其它条件的不足。如今悬浮填料的材 质多为聚乙烯、聚丙烯及某些改性材料,其各有优 劣。 总的来说, 如今的悬浮填料的表面附着性能仍需 改进, 开发出亲水、 易吸附的悬浮填料, 进一步开发 出具有选择附着性的悬浮填料。这就要求在悬浮填 料的选材方面, 找到合适的材料, 设计出适用于大部

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分废水处理的能快速启动的新型悬浮填料,并拥有 一套完整体系对悬浮填料挂膜特性进行评价。 (2)对于 MBBR 反应器稳定运行之后, 停止运 行, 如何实现再次快速启动尚无文献资料。 而这对于 具有间歇性排污水的小型企业具有重要意义。 (3)在低温及变温条件下, MBBR 反应器缺少 实际挂膜启动时加速生物膜生长和控制生物反应特 性的运行资料。

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PREPARATION AND PHENOL PHOTODEGRADATION PERFORMANCES OF TIO2/AC TIVATED CARBON PHOTOCATALYST
Zhang Tingting, Xie Qiang, Jiang Yong, Yao Xin, Liu Xiaolin
(School of Chemical and Environmental Engineering, China University Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Abstract: A series TiO2/AC photocatalysts were prepared by sol-gel method with typical coal-based activated carbons and cocoanut-based activated
carbon as the catalyst supports. Then these photocatalysts were characterized by XRD, SEM, UV-vis and low temperature nitrogen sorption/desorption in the aspects of crystal structure, surface morphology and pore size distribution. Meanwhile, phenol was used as model compound to evaluate the photodegradation performance of catalysts. Besides, the effect of nature activated carbons and their particle appearances on the photoactivity of photocatalysts were investigated. The results show that although the TiO 2 are less loaded on coal-based activated carbons than that on cocoanut activated carbon, higher photocatalytic activity was observed over the photocatalysts prepared with support of coal-based activated carbon in phenol photodegradation, especially the ones of lignite-based activated carbon with moderate specific surface and large amount of macropores, and the photodegradation efficiency of phenol reached to above 80 percent that was better than P25.

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Keywords: titanium dioxide; activated carbon; photocatalyst; phenol !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

MOVING-BED BIOFILM REACTOR START-UP CHARACTERISTICS
Liao Yumin1, Tang Bing1, Chen Qiuwen2
(1.The College of Environmental Science and Engineering of Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2.Panyu Environmental Monitoring Station, Guangzhou 511483, China)

Abstract: this article, the process principles and the characteristics of moving-bed biofilm reactor are briefly reviewed. Details of the moving-bed In
biofilm reactor start-up characteristics are introduced. Finally, summary and pointed out the moving bed biofilm reactor using ordinary suspended carrier start-up for a long time, how to achieve quick start-up when the moving bed biofilm reactor intermittent running and at low temperature and variable temperature conditions, the moving bed biofilm reactor lack of the operating data that accelerate biological membrane growth and control biofilm characteristics of biological reactions, etc.

Keywords: moving-bed biofilm reactor(MBBR); suspended carrier; start-up


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