工艺技术 干货：移动床生物膜[MBBR]工艺影响因素分析及应用

01

移动床生物膜[MBBR]工艺影响因素分析

1 填料对MBBR法的影响

MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一个载体的外形为直径10mm、高8mm的小圆柱体，圆柱体中有十字支撑，外壁有突出的竖条状鳍翅，填料中空部分占整个体积的0.95，即在一个充满水和填料的容器中，每一个填料中水占的体积为95%。

考虑到填料旋转以及总容器容积，填料的填充比被定义为载体所占空问的比例，为了达到最好的混合效果，填料的填充比最大为0.7。理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的，一般为700m2/m3。当生物膜在载体内部生长时，实际有效利用的比表面积约为500m2/m3。

此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长，形成较稳定的生物膜，并且容易形成流化状态。当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时，例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时，采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料，当已有较好的预处理或用于硝化时，采用比表面积大的生物填料。

2 溶解氧(DO)对MBBR法的影响

王学江等对DO在MBBR中同步硝化一反硝化生物脱氮过程中的影响机理进行了详细分析，认为DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素。通过对DO浓度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区，这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。

从理论上讲，当DO质量浓度过于高时，DO能穿透到生物膜内部，使其内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，使得出水TN仍然很高;反之，如果DO浓度很低，就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区，生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低)，但由于DO供应不足，MBBR工艺硝化效果下降，使得出水氨氮浓度上升，从而导致出水TN上升，影响最终的处理效果。

通过研究最终得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值：当DO质量浓度在2mg/L以上时，DO对MBBR硝化效果的影响不大，氨氮的去除率可达97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下;DO质量浓度在1.0mg/L左右时，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮浓度有明显上升。另外，曝气池内DO也不宜过高，溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外，DO过高，过量耗能，在经济上也是不适宜的。

因为MBBR法主要是通过悬浮填料来实现最终的污水处理，所以DO对悬浮填料的影响也是影响整个处理结果的关键。曹占平等对MBBR法充氧能力进行了实验研究，结果表明反应器的充氧能力在一定范围内随着悬浮填料填充率的增大而增大。在曝气的作用下，水随填料一起流化，水流紊动程度较无填料时大，加速了气液界面的更新和氧的转移，使氧的转移速率提高。

随着填料数量的增多，填料、气流和水流三者之间的这种切割作用和紊动作用不断加强。但加入填料量为60%时，填料在水中的流化效果变差，水体紊动程度也降低，使得氧的传递速率下降，氧的利用率降低。所以针对不同类型的水质，控制好DO的量对整个工艺最终的处理结果是至关重要的。

3 水力停留时间对MBBR工艺的影响

合适的水力停留时间(HRT)是确保净化效果和工程投资经济性的重要控制因素。水力停留时间的长短将直接影响到水中有机物与生物膜的接触时间，进而影响微生物对有机物的吸附和降解效率，所以针对不同的污水类型找出经济而合理的HRT是非常关键的问题之一。

国内外对HRT的研究并没有局限于研究HRT本身的影响，而是通过实验去宏观把握。SHHosseini等副在用MBBR法对含酚类工业废水进行了实验研究，结果表明：在一般情况下，随着HRT的逐渐延长，出水COD浓度会逐渐降低。但同时他也发现了一个更重要的影响因素，即废水中酚类物质的COD浓度与总的COD浓度的比值(CODph/CODtot)，当这一比值达到0.6(即CODDph的浓度为480mg/L)时，COD的去除效率最高并不受水力停留时间的影响。

国内的实验大多认为出水COD平均浓度随着水力停留时间的延长而降低，若要缩短水力停留时间可通过加大填料的投加比例(高达70%)来实现，当对出水水质要求不高时可减少填料的投加比例引。

另外还有试验结果表明：在中低氨氮负荷条件下，随HRT的减少，氨氮填料表面负荷逐步升高，同时去除率维持原有水平或有一定增长;当氨氮负荷升至高水平后，随着HRT的减少，氨氮去除率逐步降低。这些针对HRT的实验研究结果为今后MBBR法的推广应用奠定了基础，

但同时也有许多需要改进之处，比如试验只是单纯的考虑HRT本身的影响，没有把其他因素与HRT的关系有机的结合起来，而SHHosseini等在酚类废水处理的研究中将HRT和其他因素有机的结合起来进行探讨，不仅找到实验最重要的影响因素，同时实验过程中各因素之间的相互影响、相互制约关系也得到了很好地体现。所以针对影响因素的研究我们需要更全面更综合的考虑。

4 水温对MBBR法的影响

在影响微生物生理活动的各项因素中，温度的作用非常重要。温度适宜，能够促进、强化微生物的生理活动;温度不适宜，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。温度不适宜还能够导致微生物形态和生理特性的改变，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最适温度是指在这一温度条件下，微生物的生理活动强劲、旺盛，表现在增殖方面则是裂殖速度快、世代时间短。

MBBR法主要是通过生物膜中各种类型微生物的新陈代谢来达到对污水中有机污染物的降解，所以生物膜生长的好坏将直接关系到废水处理的最终结果，尤其对于硝化菌、反硝化菌而言，它们的生长周期长，且对环境的变化非常敏感，硝化菌的适宜温度是20℃-30℃，反硝化菌的适宜温度是20℃-40℃，温度低于15℃时，这两类细菌的活性均降低，5℃是完全停止，所以温度的变化将直接影响这类细菌的生长。

相关实验结果表明，氨氮填料表面负荷的变化基本与水温的变化趋势一致。水温低时填料表面负荷低，水温高时填料表面负荷约达到水温低时的15倍。由此可见，硝化细菌受温度影响大，低温条件下活性较弱。

5 pH值对MBBR法的影响

微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的酸碱度条件下，微生物才能进行正常的生理活动。pH值过大的偏离适宜数值，微生物的酶系统的催化功能就会减弱，甚至消失。不同种属的微生物生理活动适应的pH值，都有一定的范围，在这一范围内，还可分为最低pH值、最适pH值和最高pH值。

在最低或最高的pH环境中，微生物虽然能够成活，但生理活动微弱，易于死亡，增殖速率大为降低。参与污水生物处理的微生物，一般最佳的pH值范围，介于6.5-8.5之间。MBBR法作为生物膜法与活性污泥法相结合的工艺，同样依赖于微生物的生长以达到有机物降解的目的。

所以保持微生物最佳pH范围是取得良好污水处理效果的必要条件，当污水(特别是工业废水)的pH值变化较大时，需要考虑设调节池，使污水的pH值调节到适宜范围后再进行曝气。

6 其他因素对MBBR法的影响

根据每一个具体试验条件的不同，还会有许多不同的影响因素。如气水比一般控制在(3～4)，这样的气量能使反应器中的填料均匀地循环转动起来;浊度也需要控制在一定范围内，相关研究结果表明：浊度大使得某些悬浮物容易覆盖在生物膜的表面，阻碍生物氧化作用的进行，导致处理效率大幅下降，同时还容易造成填料堵塞，另外整个实验对进水浊度和出水浊度进行了检测，进水浊度为17.6-160NTU，出水浊度为18.1-142NTU，结果发现中试装置对浊度基本没有去除效果，出水浊度随着进水浊度的变化而变化，所以我们需要严格控制好进水浊度的量;COD容积负荷对去除率也有很大的影响，研究表明COD容积负荷为0.48-2.93kg/(m3•d)的范围内对COD的去除率基本稳定在60%-80%。

在相同的水力停留时间下COD的去除率随负荷呈正比增加趋势，这是因为当进水COD浓度较低时微生物降解有机物的速率也较小，其降解能力不能充分发挥，当进水COD浓度增大时促进了生物膜微生物的生长，提高了降解速率，故对COD去除率得到了提高。

以上各因素都会对污水处理造成不同程度的影响，此外还有营养物质、有毒物质等，如果这些物质过多的偏离微生物生长需要，就会对污水处理的最终结果产生影响。我们须根据具体的条件和要求来确定哪一个因素是主要影响MBBR法的最终结果。

02

国内外对MBBR的研究应用现状

1 国外对MBBR的研究应用现状

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、工业废水的小试、中试及生产性实验研究，均取得了较好的效果。

其中，美国的Captor工艺和德国的Linpor工艺是目前两种比较成熟的多孔悬浮载体系统。在完全混合反应器中加入聚氨酯泡沫块供微生物附着生长，用于处理城市生活污水，研究了其对BOD的去除和硝化作用。

结果表明，硝化细菌优先附着生长在载体上，硝化活性达0.33mgN/h•块载体(载体体积为8cm3/块)，在4h内，BOD可完全去除，并继而发生硝化作用，硝化作用可在10h内完成。在过去的l0年中，移动床生物膜技术在挪威得到了发展，现已有100多个基于此技术的污水处理厂在l7个国家中投入使用或在建造之中，它们主要用于去除市政污水或工业废水中的有机物及氨氮。

微生物赖以栖息的新型载体的研制开发是移动生物膜法处理废水的关键技术之一，其性能直接影响着污水的处理效果和投资费用。科研工作者以改进填料为突破口，不断推动移动生物膜法的发展。

目前的悬浮填料大多是由聚乙烯、聚丙烯及其改性材料、聚氨酯泡沫体等制成的，比重接近于水，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。悬浮填料的形状通常为球状、圆筒状或粒状，一般认为球状有良好的水力学特性，是最理想的形状。但受到生产技术的限制，有时将材料作成球状很困难;而圆筒状填料当其长径比为1时接近于球状，因此悬浮填料一般选择圆筒状。

另外，填充在生物膜反应器的填料的比表面积多在100～500m2/m3。之问。由聚乙烯制成的悬浮填料分两种：一种为Φ10×7(mm)、比表面积为335m2/m3，另一种为Φ15×15(mm)、比表面积为235m2/m3;由聚丙烯制成的悬浮填料，密度为0.94g/cm3，形状为有波纹的圆柱体，尺寸为Φ15～20(mm)×20～30(mm)。

2 国内对MBBR的研究现状

近年来，我国不少学者也进行了MBBR工艺的研究，但大多仍处于试验性研究阶段。其关键技术在于对悬浮填料的研究，如同济大学的专利产品为中Φ50×50(mm)的圆筒状悬浮填料，比表面积为278m2/m3，材料为改性的聚乙烯;李峰报道的悬浮填料由聚丙烯塑料制成，为Φ50×50(mm)的圆筒状，比表面积为350m2/m3。一般来说，国内使用的载体外形尺寸比国外的要大，这主要是受整个工艺和出水格栅的限制。

总体而言，我国目前对悬浮填料的研究才刚刚起步，新型悬浮填料在我国污水处理工程中的应用具有广泛的发展空间。目前，国内常用的填料有蜂窝填料、软性填料、半软性填料及复合填料等固定型填料，但这些填料在使用中常会遇到堵塞、结团、布气布水不均匀等问题，影响了生物处理效果。另外，上述填料均需安装在辅助支架上，这就给填料的安装、更换等造成诸多不便，使工程投资和运行管理费用相对提高。

从经济、实用、高效的角度出发，高性能的新型填料在材质方面，应具有价格低廉、使用寿命长、易挂膜等特点;在结构方面，设计的比表面积应尽可能地大，并可以制造一些功能区，适应不同要求的厌氧、好氧微生物的生长，又兼顾易脱膜的特点。同时，应尽可能地降低悬浮填料的造价，最大程度发挥其优点，使悬浮填料能更广泛地应用到污水处理中。
3 MBBR工艺的应用概况
目前，国内对MBBR工艺的应用多为一些小型工程，在技术参数方面多为探索阶段。

目前，国内外已对MBBR工艺进行了多项试验性研究，并在实际应用中取得了较好的效果。由于MBBR可减少现有污水处理系统的体积，易于在现有污水处理厂基础上升级，且处理效果好，欧洲、美国、日本、新西兰以及我国均建有MBBR型污水处理厂。

1、处理高负荷污水

MBBR工艺在高负荷条件下性能稳定，可多级联用处理污水。如可将3个MBBR连接使用处理肉类加工废水，第一个反应器的COD负荷高达10kg/m3，HRT约为4h，TC0D去除率为50%-75%{第二个和第三个反应器的总HRT为4～13h，TCOD去除率为75%、SCOD去除率为70%～88%，有机物去除率与有机负荷呈线性关系。

季民等采用厌氧复合床生物膜反应器处理高浓度有机废水实验，取得了良好效果。在进水C0D为5300～20140mg/L、COD容积负荷为5.38～20.62kg/m3.d、HRT为0.98d的操作条件下，COD去除率>90%。垃圾渗滤液的成分复杂，有机物浓度较高，是一种很难处理的废水，M.X.Loukidou采用MBBR和SBR联合工艺对垃圾渗滤液进行了处理，载体使用聚亚胺酯和颗粒活性炭，该工艺对污染物同时具有物理、化学和生物降解作用，可有效去除垃圾渗滤液的有机物、色度和浊度。

2、处理低负荷污水

有些单位将生活污水与冲洗水混合排放，导致生活污水中有机物浓度较低，不适合普通的活性污泥法处理。张兴文等利用MBBR工艺处理中国石化抚顺乙烯有限公司厂区内生活污水及冲洗水的混合排放污水。

具体工艺流程为调节池-MBBR-沉淀池-纤维球过滤罐-活性炭过滤罐。进水水质为COD76mg/L、BOD37mg/L，在水力停留时间为2.4h、气水比为4：1的情况下，出水各项水质指标均可达到国家环保冷却水回用标准要求。

马建勇等研究了MBBR处理低负荷生活污水时启动和运行的性能和特点，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。同时还考察了悬浮污泥与填料生物膜之间的关系，发现悬浮污泥对填料生物有抑制作用，不利于反应器的长期稳定运行。

3、脱氮效果

MBBR中生物膜主要固着在填料上，污泥停留时间与水力停留时间无关，硝化菌、亚硝化菌等生长世代时间较长、比增长速率很小的微生物都可以在填料上生长，从而增强了脱氮能力。脱氮过程分为硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。MBBR可以实现硝化菌与反硝化菌在空间上相对独立生长，从而优化了两种菌群的生长条件。

MBBR用于生物脱氮取得了较好的效果。RustenN在FREVAR废水处理厂使用KaldneS型KI填料中试进行废水的脱氮处理，进水为预处理过的生活污水，温度为4.8℃～20℃。结果表明，10℃时，硝化速率达190gTNK/m2.d，反应器的pH>7。前期脱氮效果主要受水中易降解有机物浓度和MBBR缺氧区进水中溶解氧浓度的影响。该设计将MBBR与前硝化、后脱氮、絮凝剂最后的固体分离系统结合使用，如进水为25mgTN/L，总氮的去除Ng为70%，空床HRT可达4-5h。

2，3-二甲基苯胺是一种环状结构且有毒不易降解的有机物，在生产染料和甲灭酸工厂排出的废水中，含有大量该物质。邢国平等采用循环MBBR对该废水进行处理，当HRT较短时，氨氮的去除率较大，因为主要发生的是微生物的耗氧，且氨氮的去除率与其容积负荷成反比。

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MBBR工艺在运行中易出现的问题

1 MBBR反应器的流化态

反应器中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，在实际操作中，经常出现由于整个池内进气分布不均匀而导致局部填料堆积的现象。因此需通过池型作水力特性计算来改进进气管路的布置和优化池内曝气头的分布，再根据实际的曝隋况调节各曝气头上紧固橡皮垫的螺母松紧程度，调节单个曝气头的曝气量。除保证池内出水端具有较大曝气量，以便使整个池内填料呈均匀流化状态外，还可以采用穿孔曝气管，便于使池四边和四角进气分布均匀。反应器的构造在很大程度上决定了它的水力特性。试验表明，反应器的长深比为0.5左右时有利于填料完全移动，或者通过导流板的强制循环来解决池内死角的问题，这样能使气水比降到4：1左右。在实际工程设计时应通过大量试验来优化反应器的构造和水力特性，降低能耗，进一步提高MBBR的经济效益。

2 填料格栅板

为了防止填料随处理水流失，移动床生物膜反应池的出水口要设置格栅板。但在运行调试过程中易出现格栅堵塞的问题，在实验室采用钻孔塑料板作格栅时也出现了大团悬浮污泥将出水格栅板堵死的情况。虽然通过加强对出水区格栅处进行曝气，可以防止填料对格栅的堵塞，但对于悬浮污泥的附着问题，只能从格栅的材料和间距上解决，如选择光滑吸附性小的材料，间隙在保证能截留填料的前提下尽量加大，使其不易被悬浮物质附着等，这需要在实验和实际工程操作中不断改进，以避免该问题影响整个污水处理系统的正常运行。

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对MBBR工艺的建议

1 悬浮填料的研究和开发

应对填料表面的化学特性及悬浮填料的脱落机制进行深入的研究，增加填料的比表面积;应尽可能地降低悬浮填料的造价，使悬浮填料能更广泛地应用于污水处理。可采用活性炭、淀粉、明胶等作为生物活性添加剂，使悬浮填料能够促进微生物的生长和繁殖。

2 MBBR与其它工艺的组合

多级MBBR、MBBR和A/O法联合工艺等都具有各自的优点，对这些组合工艺应加强研究并进行实际应用。

3 MBBR工艺反应器的研究

通过对反应器流体力学的研究，确定反应器的形状，以达到最优化的反应器结构，从而避免填料堆积，降低能耗。可以初步研究多级串联连续式悬浮填料移动床反应器的结构型式与操控方案，为项目技术的推广应用奠定基础。

目前，MBBR工艺在国外应用较多，在国内应用较少。MBBR工艺运行稳定可靠，抗冲击负荷能力强，脱氮效果好，是一种经济高效的污水处理工艺。在处理生活污水方面，有机物和氨氮的去除率相对传统生物膜AO工艺可以提高10%以上。MBBR工艺具有很大的研究价值和应用前景。