移動床生物膜和活性污泥組合的BAS工藝

論文類型	技術與工程	發表日期	2006-04-01
來源	中國水網
作者	牛學義
關鍵詞	MBBR工藝活性污泥工藝 BAS工藝營養物缺乏
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），該工藝可處理進水COD較高或營養物缺乏污水，BAS工藝占地省、運行穩定、污染物處理效率高、可大幅度降低生物污泥產量和減少出水營養物的排放。

移動床生物膜和活性污泥組合的BAS工藝

牛學義
（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），該工藝可處理進水COD較高或營養物缺乏污水，BAS工藝占地省、運行穩定、污染物處理效率高、可大幅度降低生物污泥產量和減少出水營養物的排放。
　　關鍵詞：MBBR工藝；活性污泥工藝，BAS工藝；營養物缺乏

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80年代研究開發的發明專利技術，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成功的在世界上47個國家500多座城市和工業污水處理廠得到應用。

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)和傳統活性污泥工藝（Activated Sludge）的組合工藝（見圖1）。該工藝有機地結合了MBBR移動床生物膜工藝和活性污泥工藝的優點，使整個系統達到很高的處理效率。

圖1 MBBR和傳統活性污泥的組合工藝(BAS工藝)

2 BAS工藝的特點

　　通過在近百座市政、造紙、石化、制藥、食品等行業污水處理的應用，證明了BAS具有以下特點，
　　① BAS工藝處理進水COD濃度高污水時，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50-70％，從而可大幅度減輕后續活性污泥生物段的體積和污泥負荷，節省60%以上的占地。
　　② 極耐進水毒物和高負荷沖擊，沖擊后一般在1-3天內系統的生物處理功能即可全部恢復^[1]；保證了最終出水的穩定性。
　　③ 大幅度降低活性污泥段的生物污泥產量，生物污泥的產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度大，絮體菌多，絲狀菌少，避免了污泥膨脹現象的發生，易于脫水和處置，進一步減少了污泥處理費。
　　④可有效處理進水中缺乏營養物（N或P等）的污水，大幅度減少生物處理所需的營養物添加量，也有效保證N/P出水指標，節約運行成本。
　　⑤易于現有污水處理的擴容和升級改造。在現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，不僅可大大改善現有污水處理廠的出水穩定性，降低污泥產量，還可成倍的增加現有污水處理廠的處理能力和改善出水水質。
　　⑥^[1]易于降解某些工業污水中較難生物降解的有機物。在BAS工藝中，MBBR生物膜處理段的容積負荷在4kg COD/m³.d或2 kgBOD/ m³.d以上。由于MBBR生物處理段在高有機負荷下對COD的去除率很高，導致后續活性污泥段污泥負荷大幅度降低（大約0.15kgBOD/kgTSS.d以下）；另一方面，由于兩段總的污泥產量較少，所以和同樣生物池容的單純傳統活性污泥工藝相比，BAS工藝活性污泥段的污泥停留時間（SRT）相當長（可達10天以上），結果可間接導致一些工業污水中需要較長泥齡才能降解有機物（如EDTA螯合劑）的去除。

3 BAS工藝降低污泥產率原因探討

3.1 BAS工藝低污泥產率機理
　　在活性污泥工藝中，低F/M（食物/微生物）比值條件、低營養物（N或/P）和低溶解氧環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常增加高負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物缺乏導致的絲狀菌引起的污泥膨脹和過度粘稠物質（多聚糖）的產生。在BAS工藝中，活性污泥池前高COD負荷和高處理效率的MBBR生物膜處理段，可在污水進入活性污泥段前很快的將易生物降解的有機物去除，并進而控制活性污泥段絲狀菌的生長。
　　通過對應用BAS工藝污水處理廠生物污泥的運行觀察和研究^[3]發現，MBBR生物膜處理段產生的大量粘稠多聚糖物質在后續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物被降解，一部分被氧化成CO₂和水，另一部分轉化成生物量[約0.3kgTSS/（去除kgCOD）]；MBBR出水的生物量可作為后續活性污泥段內微生物的營養物，從而導致生物有機體、粘稠多聚糖等物質進一步在活性污泥段內的生物降解；在活性污泥段內的轉化過程中，每消耗1kg生物膜MBBR段產生的生物量可產生新的生物量約為0.2kgTSS/（消耗kgTSS）；所以經整個兩段生物系統處理后產生的易生物降解COD的污泥產率綜合為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被轉化為氧化成CO₂、水和生物量后污泥產率約為0.25kgTSS/（去除kgCOD）左右。
3.2 BAS工藝處理營養物缺乏污水的優勢
　　各種微生物類群在降解污水中污染物、進行生化反應和自身生長繁殖等生理活動的過程中需要營養物質，以保證正常的新陳代謝活動，并維持污水處理系統中微生物種類的動態平衡和生物活性；如污水中缺乏P、N等營養物質，污水生物處理系統中的許多微生物類群的生化反應將被抑制，營養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，整個處理系統的微生物類群、生物活性、類群和數量將被改變，引起低營養型微生物（如絲狀菌）的過量增殖和污泥膨脹現象，嚴重影響整個工藝的正常運行。
　　所以，在單純的活性污泥工藝中營養物質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定運行的關鍵因素。通常認為活性污泥微生物的正常生化處理應滿足BOD5:N:P=100:5:1，但許多工業污水（如造紙、食品加工、釀酒、制藥、皮革和石化等行業的污水）都存在P、N等營養物質缺乏的問題。P、N等營養物質的不足不但會引起活性污泥工藝運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，還會導致整個生物處理系統的崩潰。雖然在一些情況下可通過添加足夠的P、N等營養物質來控制或恢復生物體統的正常運行，但會加大運行的成本，控制也十分麻煩，加量過多對出水水質又有不利影響。
　　BAS工藝的污水處理廠運行發現^[3]，當進水營養比為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量，并且并不會因此而降低有機物的去除率。其機理是：在BAS工藝處理營養物缺乏性的污水時，營養物缺乏可誘導粘稠多聚糖的產生和增加了MBBR所產生的剩余污泥可進一步生物降解的可能性；MBBR生物膜池產生的大量粘稠生物量，本來對污泥沉降很不利，但在后續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量，出水中營養物質（P/N等）的含量也大幅度減少。

4 BAS低污泥產率運行實例

4.1 Stora Enso Hylte造紙廠
　　瑞典Stora Enso Hylte造紙廠紙產量為825000噸/年，進水中缺乏N和P，2002年該廠使用BAS工藝對原單段污水處理廠進行了改造；處理工藝包括粗格柵、初沉池、細格柵、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水量為20000 m³/d，MBBR段和活性污泥段的水力停留時間分別為6h，18h，COD設計平均負荷為50t/d（最大為82t/d）。表1為Stora Enso Hylte污水處理廠設計情況。

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

設計參數 進水值 MBBR處理段 活性污泥段 處理率或出水水質要求 COD負荷（ 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個月的運行結果如下:
　　該污水廠在開始運行的18個月內，進水COD負荷在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個月內的運行結果。

表2 Stora Enso Hylte造紙廠起始18個月內的運行結果

運行測試參數

去除率或出水水質

MBBR處理段

活性污泥段

總去除率或出水水質

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產生污泥量為0.04-0.27( kg TSS/kgCOD)，在運行調試和運行優化的80天內污泥產量最高，其后的18個月內的平均產泥率為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要求濃度標準的提高，原有單段活性污泥池不再能滿足出水標準，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工藝對其進行改造，將現有一絮凝池改造成MBBR段，處于活性污泥池前端，MBBR池設計參數見表3。

表3： Phillips煉油污水處理廠MBBR段設計參數

設計參數

單位

MBBR處理段

流量

m³/天

19,680

BOD5進水負荷

kg/天

3,018

MBBR體積

m³

1,927 m³

填料填充率

30%

BOD5 容積負荷

kgBOD/ m³/d

1.57

BOD生物膜面積單位負荷

gBOD/ m²/d

10.4

水力停留時間

2.35

　　MBBR后續的生物活性污泥處理池的水力停留時間為7.05h，主要用于完成硝化去除NH4-N的功能。
　　 1999年3月開始試運行，到1999年12月期間MBBR段的生物膜單位面積COD負荷平均為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BAS工藝的運行情況：

表4 Phillips煉油污水處理廠BAS工藝1999年運行情況

月份

進水水量

MBBR段主要去除COD

活性污泥段主要去除NH₄-N

進水COD

出水COD

進水NH₄-N

出水NH₄-N

（m³/d）

mg/l

22,480

386.2

57.8

12.42

1.15

23,048

386.4

49.9

8.09

0.59

20,247

283.3

13.29

0.74

19,491

257.1

64.1

11.5

0.46

19,983

293.8

8.78

0.51

17,750

289.2

47.8

7.94

0.51

16,198

373.4

59.2

11.36

1.85

16,652

324.2

52.2

10.56

0.99

15,706

368.5

64.9

15.08

1.15

5 結論

　　BAS工藝對有機物處理效率高，占地省，應用靈活，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污水或營養物缺乏污水，可大幅度降低活性污泥段的生物污泥產量，是我國現在城市和工業污水處理廠建設和升級改造過程中，應推廣和探討的工藝。

參考文獻

[1] Welander,T., Olsson, L.-E. and Fasth,C.(2002). Nutrient-limited biofilm pretreatment: an efficient way to upgrade activated sludge plants. Tappi Journal, 1(4),20-26
[2]李彩斌，李京.生物選擇器的作用機理和設計方法[J].中國給水排水，2003，19（4）：69-70
[3] Malmqvist,A. and Welander, T.(1999). The Natrix technology for treatment of pulp and paper industry effluent. Proc.1th PTS-CTS Symp. Env. Tech.., October 25-27,Munich, PP15:1-15:5

作者：安能國際北京代表處首席代表，高級工程師，從事污水處理技術和水務運營方面的工作

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