移動床生物膜和活性污泥組合的BAS工藝

牛學(xué)義
（安能國際（Anoxkaldnes），北京100028）

　　摘要：本文介紹了MBBR移動床生物膜和活性污泥組合工藝（BAS工藝），該工藝可處理進(jìn)水COD較高或營養(yǎng)物缺乏污水，BAS工藝占地省、運(yùn)行穩(wěn)定、污染物處理效率高、可大幅度降低生物污泥產(chǎn)量和減少出水營養(yǎng)物的排放。
　　關(guān)鍵詞：MBBR工藝；活性污泥工藝，BAS工藝；營養(yǎng)物缺乏

Biofilm BAS Process with high COD Removal and Low Sludge Production

Niu Xueyi
（Anoxkaldnes Beijing Office, Beijing100028, China）

Abstract：The paper is to introduce the biofilm-activated sludge process (BAS) which is a combination of the Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) and the traditional activated sludge process. BAS process may treat wastewater with high COD load or nutrient limited condition, which results in a space-saving, stable characteristics, high treatment efficiency, low sludge production and minimized nutrient discharges.
Key words: MBBR process, Activated Sludge process, BAS process, Nutrient Limited

　　移動床生物膜污水處理工藝（MBBR/Moving Bed Biofilm Reactor)是Anoxkaldnes在上世紀(jì)80年代研究開發(fā)的發(fā)明專利技術(shù)，使用該工藝的第一個城市污水處理廠建成于1989年，從此該工藝極其與其它工藝的組合工藝已經(jīng)成功的在世界上47個國家500多座城市和工業(yè)污水處理廠得到應(yīng)用。

1 MBBR-活性污泥組合工藝（BAS工藝）

　　BAS兩段生物處理工藝是移動床生物膜工藝(MBBR)和傳統(tǒng)活性污泥工藝（Activated Sludge）的組合工藝（見圖1）。該工藝有機(jī)地結(jié)合了MBBR移動床生物膜工藝和活性污泥工藝的優(yōu)點(diǎn)，使整個系統(tǒng)達(dá)到很高的處理效率。

圖1 MBBR和傳統(tǒng)活性污泥的組合工藝(BAS工藝)

2 BAS工藝的特點(diǎn)

　　通過在近百座市政、造紙、石化、制藥、食品等行業(yè)污水處理的應(yīng)用，證明了BAS具有以下特點(diǎn)，
　　① BAS工藝處理進(jìn)水COD濃度高污水時(shí)，位于活性污泥生物處理段的MBBR生物池，雖然占整個生物處理池的體積只有1/4-1/6，可因其生物量在30000～40000mg/L以上，COD處理率可高達(dá)50-70％，從而可大幅度減輕后續(xù)活性污泥生物段的體積和污泥負(fù)荷，節(jié)省60%以上的占地。
　　② 極耐進(jìn)水毒物和高負(fù)荷沖擊，沖擊后一般在1-3天內(nèi)系統(tǒng)的生物處理功能即可全部恢復(fù)^[1]；保證了最終出水的穩(wěn)定性。
　　③ 大幅度降低活性污泥段的生物污泥產(chǎn)量，生物污泥的產(chǎn)率是單純活性污泥工藝的50%以下；另一方面，活性污泥段出水絮體生物污泥密實(shí)度大，絮體菌多，絲狀菌少，避免了污泥膨脹現(xiàn)象的發(fā)生，易于脫水和處置，進(jìn)一步減少了污泥處理費(fèi)。
　　④可有效處理進(jìn)水中缺乏營養(yǎng)物（N或P等）的污水，大幅度減少生物處理所需的營養(yǎng)物添加量，也有效保證N/P出水指標(biāo)，節(jié)約運(yùn)行成本。
　　⑤易于現(xiàn)有污水處理的擴(kuò)容和升級改造。在現(xiàn)有污水處理廠生物池的前段增加占地較少的MBBR生物處理段后，不僅可大大改善現(xiàn)有污水處理廠的出水穩(wěn)定性，降低污泥產(chǎn)量，還可成倍的增加現(xiàn)有污水處理廠的處理能力和改善出水水質(zhì)。
　　⑥^[1]易于降解某些工業(yè)污水中較難生物降解的有機(jī)物。在BAS工藝中，MBBR生物膜處理段的容積負(fù)荷在4kg COD/m³.d或2 kgBOD/ m³.d以上。由于MBBR生物處理段在高有機(jī)負(fù)荷下對COD的去除率很高，導(dǎo)致后續(xù)活性污泥段污泥負(fù)荷大幅度降低（大約0.15kgBOD/kgTSS.d以下）；另一方面，由于兩段總的污泥產(chǎn)量較少，所以和同樣生物池容的單純傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，BAS工藝活性污泥段的污泥停留時(shí)間（SRT）相當(dāng)長（可達(dá)10天以上），結(jié)果可間接導(dǎo)致一些工業(yè)污水中需要較長泥齡才能降解有機(jī)物（如EDTA螯合劑）的去除。

3 BAS工藝降低污泥產(chǎn)率原因探討

3.1 BAS工藝低污泥產(chǎn)率機(jī)理
　　在活性污泥工藝中，低F/M（食物/微生物）比值條件、低營養(yǎng)物（N或/P）和低溶解氧環(huán)境等因素都能夠引起絲狀菌過度生長^[2]，雖然可通過在活性污泥池前面經(jīng)常增加高負(fù)荷的生物選擇器來抑制低F/M（食物/微生物）絲狀菌的生長；但生物選擇器不能控制營養(yǎng)物缺乏導(dǎo)致的絲狀菌引起的污泥膨脹和過度粘稠物質(zhì)（多聚糖）的產(chǎn)生。在BAS工藝中，活性污泥池前高COD負(fù)荷和高處理效率的MBBR生物膜處理段，可在污水進(jìn)入活性污泥段前很快的將易生物降解的有機(jī)物去除，并進(jìn)而控制活性污泥段絲狀菌的生長。
　　通過對應(yīng)用BAS工藝污水處理廠生物污泥的運(yùn)行觀察和研究^[3]發(fā)現(xiàn)，MBBR生物膜處理段產(chǎn)生的大量粘稠多聚糖物質(zhì)在后續(xù)的活性污泥段將被幾乎全部的去除。在MBBR生物膜段，易生物降解的可溶性有機(jī)物被降解，一部分被氧化成CO₂和水，另一部分轉(zhuǎn)化成生物量[約0.3kgTSS/（去除kgCOD）]；MBBR出水的生物量可作為后續(xù)活性污泥段內(nèi)微生物的營養(yǎng)物，從而導(dǎo)致生物有機(jī)體、粘稠多聚糖等物質(zhì)進(jìn)一步在活性污泥段內(nèi)的生物降解；在活性污泥段內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程中，每消耗1kg生物膜MBBR段產(chǎn)生的生物量可產(chǎn)生新的生物量約為0.2kgTSS/（消耗kgTSS）；所以經(jīng)整個兩段生物系統(tǒng)處理后產(chǎn)生的易生物降解COD的污泥產(chǎn)率綜合為0.06kgTSS/（去除kgCOD）[ 0.3kgTSS/（去除kgCOD）×0.2kgTSS/（消耗kgTSS）]；和單純活性污泥工藝相比，BAS工藝的生物污泥量大幅度減少。在單純活性污泥工藝中，易生物降解COD被轉(zhuǎn)化為氧化成CO₂、水和生物量后污泥產(chǎn)率約為0.25kgTSS/（去除kgCOD）左右。
3.2 BAS工藝處理營養(yǎng)物缺乏污水的優(yōu)勢
　　各種微生物類群在降解污水中污染物、進(jìn)行生化反應(yīng)和自身生長繁殖等生理活動的過程中需要營養(yǎng)物質(zhì)，以保證正常的新陳代謝活動，并維持污水處理系統(tǒng)中微生物種類的動態(tài)平衡和生物活性；如污水中缺乏P、N等營養(yǎng)物質(zhì)，污水生物處理系統(tǒng)中的許多微生物類群的生化反應(yīng)將被抑制，營養(yǎng)敏感性微生物類群的活性和微生物污染物的降解能力下降，整個處理系統(tǒng)的微生物類群、生物活性、類群和數(shù)量將被改變，引起低營養(yǎng)型微生物（如絲狀菌）的過量增殖和污泥膨脹現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整個工藝的正常運(yùn)行。
　　所以，在單純的活性污泥工藝中營養(yǎng)物質(zhì)的合理比例是影響活性污泥微生物正常生長代謝，保障污水處理工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。通常認(rèn)為活性污泥微生物的正常生化處理應(yīng)滿足BOD5:N:P=100:5:1，但許多工業(yè)污水（如造紙、食品加工、釀酒、制藥、皮革和石化等行業(yè)的污水）都存在P、N等營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的問題。P、N等營養(yǎng)物質(zhì)的不足不但會引起活性污泥工藝運(yùn)行中最麻煩的污泥膨脹、COD處理效率低、污泥沉降性能差、出水SS高等問題，還會導(dǎo)致整個生物處理系統(tǒng)的崩潰。雖然在一些情況下可通過添加足夠的P、N等營養(yǎng)物質(zhì)來控制或恢復(fù)生物體統(tǒng)的正常運(yùn)行，但會加大運(yùn)行的成本，控制也十分麻煩，加量過多對出水水質(zhì)又有不利影響。
　　BAS工藝的污水處理廠運(yùn)行發(fā)現(xiàn)^[3]，當(dāng)進(jìn)水營養(yǎng)比為BOD:N:P=200:5:0.5（甚至更低）的條件下，BAS工藝不但不會發(fā)生污泥膨脹，而且活性污泥具有很好的沉降性；和單純的活性污泥工藝相比，可大量的降低生物污泥產(chǎn)量，并且并不會因此而降低有機(jī)物的去除率。其機(jī)理是：在BAS工藝處理營養(yǎng)物缺乏性的污水時(shí)，營養(yǎng)物缺乏可誘導(dǎo)粘稠多聚糖的產(chǎn)生和增加了MBBR所產(chǎn)生的剩余污泥可進(jìn)一步生物降解的可能性；MBBR生物膜池產(chǎn)生的大量粘稠生物量，本來對污泥沉降很不利，但在后續(xù)的活性污泥段將大部分作為微生物的能源而被消耗掉；從而減少了總的生物污泥的產(chǎn)量，出水中營養(yǎng)物質(zhì)（P/N等）的含量也大幅度減少。

4 BAS低污泥產(chǎn)率運(yùn)行實(shí)例

4.1 Stora Enso Hylte造紙廠
　　瑞典Stora Enso Hylte造紙廠紙產(chǎn)量為825000噸/年，進(jìn)水中缺乏N和P，2002年該廠使用BAS工藝對原單段污水處理廠進(jìn)行了改造；處理工藝包括粗格柵、初沉池、細(xì)格柵、MBBR生物膜生物處理池（2組，每組體積2500m³）、活性污泥曝氣池（2組，每組體積7500 m³）、加藥系統(tǒng)和二沉池等，MBBR生物池填料的填充率為40%。
　　改造后造紙污水的平均進(jìn)水量為20000 m³/d，MBBR段和活性污泥段的水力停留時(shí)間分別為6h，18h，COD設(shè)計(jì)平均負(fù)荷為50t/d（最大為82t/d）。表1為Stora Enso Hylte污水處理廠設(shè)計(jì)情況。

表1： Stora Enso Hylte污水處理廠設(shè)計(jì)情況（平均處理量：20000 m³/d）

設(shè)計(jì)參數(shù) 進(jìn)水值 MBBR處理段 活性污泥段 處理率或出水水質(zhì)要求 COD負(fù)荷（ 50 (最高82) 50 (最高82) 20 (最高41) COD濃度（mg/l） 2500-3500 91%去除率 BOD5濃度（mg/l） 1000-1800 99％去除率 HRT（h） 6 18 溫度(℃ 37－40 37－40 DO（mg/l） 2－3 1.5-2 SS（mg/l） 4000-6000 50 泥齡（天） 7-10 TN（mg/l） 4.7 TP（mg/l） 0.3

　　2002年9月起18個月的運(yùn)行結(jié)果如下:
　　該污水廠在開始運(yùn)行的18個月內(nèi)，進(jìn)水COD負(fù)荷在11-69噸/日之間變化（平均值為49噸/日）；在MBBR生物膜處理段COD第1個月的去除率為60%，運(yùn)行期間的平均去除率為57%；活性污泥處理段COD的平均去除率為72%，總的BAS生物兩段處理的平均去除率：為88%(57%+(1-57%)*72%=88%)BOD總的去除率為97%－99.5％，平均值為99%。
　　下表為起始18個月內(nèi)的運(yùn)行結(jié)果。

表2 Stora Enso Hylte造紙廠起始18個月內(nèi)的運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行測試參數(shù)

去除率或出水水質(zhì)

MBBR處理段

活性污泥段

總?cè)コ驶虺鏊|(zhì)

COD去除率

57％

31％

88％

BOD去除率

平均99% (波動范圍97-99.5%)

TN（mg/l）

4.5±1.8 mg/l

TP（mg/l）

0.52±0.28 mg/l

SVI（ml/g）

平均52ml/g(波動范圍10-40)

污泥產(chǎn)量（kg TSS/kg COD去除）

平均值為0.12 kg TSS/kg COD去除(波動范圍0.04-0.27)

　　每去除1kgCOD產(chǎn)生污泥量為0.04-0.27( kg TSS/kgCOD)，在運(yùn)行調(diào)試和運(yùn)行優(yōu)化的80天內(nèi)污泥產(chǎn)量最高，其后的18個月內(nèi)的平均產(chǎn)泥率為0.12kg TSS/kgCOD，且活性污泥皆成緊密的絮凝塊狀，沉降性能很好。
4.2 美國Phillips煉油污水處理廠
　　Phillips煉油污水處理廠由于污水量增加和出水NH₄-N要求濃度標(biāo)準(zhǔn)的提高，原有單段活性污泥池不再能滿足出水標(biāo)準(zhǔn)，污水處理廠又沒有新場地建新生物池，所以Phillips石化公司決定采用Anoxkaldnes公司的MBBR與活性污泥工藝組合的BAS工藝對其進(jìn)行改造，將現(xiàn)有一絮凝池改造成MBBR段，處于活性污泥池前端，MBBR池設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3： Phillips煉油污水處理廠MBBR段設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)

單位

MBBR處理段

流量

m³/天

19,680

BOD5進(jìn)水負(fù)荷

kg/天

3,018

MBBR體積

m³

1,927 m³

填料填充率

30%

BOD5 容積負(fù)荷

kgBOD/ m³/d

1.57

BOD生物膜面積單位負(fù)荷

gBOD/ m²/d

10.4

水力停留時(shí)間

h

2.35

　　MBBR后續(xù)的生物活性污泥處理池的水力停留時(shí)間為7.05h，主要用于完成硝化去除NH4-N的功能。
　　 1999年3月開始試運(yùn)行，到1999年12月期間MBBR段的生物膜單位面積COD負(fù)荷平均為21,51 g BOD/ m²/d，MBBR段的COD去除率為62%以上，下表4為1999年從四月起B(yǎng)AS工藝的運(yùn)行情況：

表4 Phillips煉油污水處理廠BAS工藝1999年運(yùn)行情況

月份

進(jìn)水水量

MBBR段主要去除COD

活性污泥段主要去除NH₄-N

進(jìn)水COD

出水COD

進(jìn)水NH₄-N

出水NH₄-N

（m³/d）

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

4

22,480

386.2

57.8

12.42

1.15

5

23,048

386.4

49.9

8.09

0.59

6

20,247

283.3

46

13.29

0.74

7

19,491

257.1

64.1

11.5

0.46

8

19,983

293.8

53

8.78

0.51

9

17,750

289.2

47.8

7.94

0.51

10

16,198

373.4

59.2

11.36

1.85

11

16,652

324.2

52.2

10.56

0.99

12

15,706

368.5

64.9

15.08

1.15

5 結(jié)論

　　BAS工藝對有機(jī)物處理效率高，占地省，應(yīng)用靈活，適于污水處理廠的新建和升級改造；BAS工藝用于處理高濃度有機(jī)污水或營養(yǎng)物缺乏污水，可大幅度降低活性污泥段的生物污泥產(chǎn)量，是我國現(xiàn)在城市和工業(yè)污水處理廠建設(shè)和升級改造過程中，應(yīng)推廣和探討的工藝。

參考文獻(xiàn)

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作者：安能國際北京代表處首席代表，高級工程師，從事污水處理技術(shù)和水務(wù)運(yùn)營方面的工作

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