一、MBBR同步硝化反硝化的機(jī)理

1、同步硝化反硝化生物脫氮（SND）

同步硝化反硝化脫氮技術(shù)(SND)在同一反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生硝化、反硝化和除碳反應(yīng)。突破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為硝化和硝化不能同時(shí)發(fā)生的認(rèn)識(shí)，特別是在好氧條件下，也可以發(fā)生硝化反應(yīng)，可以同步硝化和硝化。

硝化過程消耗堿度，硝化過程產(chǎn)生堿度，SND能有效保持反應(yīng)器中的pH值穩(wěn)定，不需要酸堿中和，節(jié)約不需要增加碳源的反應(yīng)器體積，縮短反應(yīng)時(shí)間，降低硝態(tài)氮濃度SND生物脫氮的可行性，目前主要從三個(gè)角度出發(fā)

宏觀環(huán)境角度:該觀點(diǎn)認(rèn)為完全均勻混合狀態(tài)不存在，反應(yīng)器內(nèi)DO分布不均勻可形成好氧、缺氧、厭氧區(qū)域，在同一生物反應(yīng)器缺氧/厭氧環(huán)境條件下可發(fā)生反硝化反應(yīng)，聯(lián)合區(qū)域內(nèi)好氧環(huán)境中有機(jī)物去除和氨氮硝化

微環(huán)境視角:該視角認(rèn)為微生物棉內(nèi)缺氧微環(huán)境是形成SND的主要原因，即由于氧的擴(kuò)散(傳遞)的限制，微生物棉內(nèi)存在溶解氧梯度，形成有助于同步硝化反硝化的微環(huán)境。

從生物學(xué)的角度來看，特殊微生物種群的存在被認(rèn)為是SND發(fā)生的主要原因，硝化細(xì)菌不僅可以進(jìn)行正常的硝化作用，還可以進(jìn)行硝化作用，荷蘭學(xué)者可以分離好氧硝化，也可以進(jìn)行好氧反硝化的泛養(yǎng)硫球菌

目前，生物脫氮的微生物學(xué)研究和解釋較多，但不完善，對(duì)SND現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)仍在發(fā)展和探索中。微環(huán)境理論被普遍接受，由于溶解氧梯度的存在，微生物棉體和生物膜的外表面溶解氧濃度高，以好氧硝化菌和氨化菌為主的深入內(nèi)部，氧的傳遞受到外部溶解氧的大量消耗的阻礙，產(chǎn)生缺氧區(qū)，硝化菌為優(yōu)勢(shì)菌種，同步硝化該理論解釋了同一反應(yīng)器中不同菌種共同存在的問題，但也存在有機(jī)碳源問題的缺陷。有機(jī)碳源是異養(yǎng)反硝化的電子供應(yīng)體，也是硝化過程中的抑制物質(zhì)，污水中的有機(jī)碳源在經(jīng)過好氧層時(shí)，首先被好氧氧化，處于缺氧區(qū)的反硝化菌因無法得到電子供應(yīng)體而降低反硝化速度，可能影響SND的脫氮效率，因此同步硝化反硝化的機(jī)理還需要進(jìn)一步完善。

2、MBBR生物移動(dòng)床同步硝化反硝化脫氮機(jī)理

MBBR是結(jié)合懸浮生長(zhǎng)的活性污泥法和附著生長(zhǎng)的生物膜法的高效新型反應(yīng)器，基本設(shè)計(jì)原理是將比重接近水，懸浮在水中的懸浮填充劑直接投入反應(yīng)池作為微生物的活性載體，懸浮填充劑與污水頻繁接觸，在填充劑表面生長(zhǎng)生物膜(懸浮膜)，強(qiáng)化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質(zhì)效果根據(jù)目前為止SND機(jī)理研究，綜合微環(huán)境和生物學(xué)理論，MBBR生物膜內(nèi)SND可能存在的反應(yīng)模式，分布在生物膜好氧層的好氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和好氧反硝化菌和分布在生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養(yǎng)型亞硝酸細(xì)菌和反硝化細(xì)菌相互配合，最終達(dá)到脫氮的目的。

MBBR依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態(tài)，進(jìn)而形成懸浮生長(zhǎng)的活性污泥和附著生長(zhǎng)的生物膜，充分發(fā)揮附著相和懸浮相生物兩者的優(yōu)勢(shì)，不僅提供宏觀和微觀的好氧和厭氧環(huán)境，還解決了自營(yíng)硝化菌、異營(yíng)硝化菌和異營(yíng)菌的DO爭(zhēng)奪和碳源爭(zhēng)奪。因此，MBBR可以實(shí)現(xiàn)硝化和個(gè)過程的動(dòng)力學(xué)平衡，具有同步硝化非常好的條件，可以實(shí)現(xiàn)MBBR同步硝化。

二、MBBR同步硝化反硝化的影響因素。

實(shí)現(xiàn)MBBR同步硝化反硝化的重要技術(shù)是控制MBBR內(nèi)硝化和反硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)平衡，解決自營(yíng)硝化菌和異營(yíng)細(xì)菌的DO之爭(zhēng)和反硝化菌和異營(yíng)細(xì)菌的碳源之爭(zhēng)等，實(shí)現(xiàn)其主要控制因素有碳氮比、溶解氧濃度、溫度和酸堿度等。

1.填充劑對(duì)MBBR法的影響

MBBR法的技術(shù)重要的是比重接近水，輕微攪拌容易隨水自由運(yùn)動(dòng)的生物填充劑。通常填充材料是由聚乙烯塑料制成的，各載體的形狀為直徑10mm、高8mm的小圓柱體，圓柱體中有十字支撐，外壁有突出的垂直條狀翅膀，填充材料的中空部分占整個(gè)體積的0.95，即在充滿水和填充材料的容器中，每個(gè)填充材料中的水占95%。考慮到填充劑的旋轉(zhuǎn)和總?cè)萜魅莘e，填充劑的填充比被定義為載體所占的空問的比例，為了達(dá)到最好的混合效果，填充劑的填充比最大為0.7。理論上，填充劑的總面積是根據(jù)各單位體積生物載體比表面積的數(shù)量定義的，一般為700m2/m3。生物膜在載體內(nèi)部生長(zhǎng)時(shí)，實(shí)際有效利用的比表面積約為500m2/m3。

這種生物填充劑有助于微生物在填充劑內(nèi)側(cè)生長(zhǎng)，形成比較穩(wěn)定的生物膜，容易形成流化狀態(tài)。預(yù)處理要求低或污水中含有大量纖維物質(zhì)時(shí)，如市政污水處理中不采用初沉池或含有大量纖維的造紙廢水時(shí)，采用比表面積小、尺寸大的生物填充劑，已有較好的預(yù)處理或硝化時(shí)，采用比表面積大的生物填充劑。

2、溶氧(DO)對(duì)MBBR法的影響

DO濃度是影響同步硝化的主要限制因素，通過控制DO濃度，可以在生物膜的不同部位形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，具有實(shí)現(xiàn)同步硝化的物理?xiàng)l件。

理論上，DO質(zhì)量濃度過高時(shí)，DO可以滲透到生物膜內(nèi)部，使其內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)域，大量氨氮被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，出水TN仍然很高，相反，DO濃度低時(shí)，生物膜內(nèi)部大比例厭氧區(qū)域，生物膜反硝化能力增強(qiáng)(出水硝氮和亞硝氮濃度低)，但由于DO供應(yīng)不足，MBR工藝硝化效果下降，出水氨氮濃度上升，出水TN上升，影響最終處理效果。

研究表明，MBR法處理城市生活污水DO的最佳值:DO質(zhì)量濃度在2mg/L以上時(shí)，DO對(duì)MBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率達(dá)到97%-99%，出水氨氮保持在1.0mg/L以下的DO質(zhì)量濃度在1.0mg/L左右時(shí)，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮濃度明顯上升。另外，曝氣池內(nèi)的DO也不能過高。溶解氧過高，有機(jī)污染物分解過快，微生物營(yíng)養(yǎng)不足，活性污泥容易老化，結(jié)構(gòu)松散。另外，DO過高，能源消耗過多，經(jīng)濟(jì)上也不合適。

MBBR法主要是通過懸浮填充材料實(shí)現(xiàn)最終污水處理，DO對(duì)懸浮填充材料的影響也是影響整個(gè)處理結(jié)果的關(guān)鍵。研究表明，反應(yīng)器的充氧能力在一定范圍內(nèi)隨著懸浮填充率的增大而增大。在曝氣的作用下，水隨填充劑一起流化，水流的紊亂程度比沒有填充劑時(shí)大，加快了氣液界面的更新和氧的轉(zhuǎn)移，提高了氧的轉(zhuǎn)移速度。隨著填充劑數(shù)量的增加，填充劑、氣流和水流三者之間的這種切割作用和紊亂作用不斷加強(qiáng)。但是，填充量為60%時(shí)，填充劑在水中的流化效果變差，水體的紊亂程度也下降，氧的傳遞速度下降，氧的利用率下降。因此，對(duì)于不同類型的水質(zhì)，控制DO的數(shù)量對(duì)整個(gè)過程的最終處理結(jié)果至關(guān)重要。

3、水力停留時(shí)間對(duì)MBBR工藝的影響

適當(dāng)?shù)乃νＡ魰r(shí)間(HRT)是確保凈化效果和工程投資經(jīng)濟(jì)性的重要控制因素。水力停留時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響水中有機(jī)物與生物膜的接觸時(shí)間，影響微生物對(duì)有機(jī)物的吸附和分解效率，因此對(duì)不同的污水類型尋找經(jīng)濟(jì)合理的HRT是非常重要的問題之一。

另外還有試驗(yàn)結(jié)果表明：在中低氨氮負(fù)荷條件下，隨HRT的減少，氨氮填料表面負(fù)荷逐步升高，同時(shí)去除率維持原有水平或有一定增長(zhǎng)；當(dāng)氨氮負(fù)荷升至高水平后，隨著HRT的減少，氨氮去除率逐步降低。這些針對(duì)HRT的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為今后MBBR法的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但同時(shí)也有許多需要改進(jìn)之處，比如試驗(yàn)只是單純的考慮HRT本身的影響，沒有把其他因素與HRT的關(guān)系有機(jī)的結(jié)合起來，在研究中將HRT和其他因素有機(jī)的結(jié)合起來進(jìn)行探討，不僅找到實(shí)驗(yàn)最重要的影響因素，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中各因素之間的相互影響、相互制約關(guān)系也得到了很好地體現(xiàn)。所以針對(duì)影響因素的研究我們需要更全面更綜合的考慮。

4、水溫對(duì)MBBR法的影響

在影響微生物生理活動(dòng)的各項(xiàng)因素中，溫度的作用非常重要。溫度適宜，能夠促進(jìn)、強(qiáng)化微生物的生理活動(dòng)；溫度不適宜，能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動(dòng)。溫度不適宜還能夠?qū)е挛⑸镄螒B(tài)和生理特性的改變，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最適溫度是指在這一溫度條件下，微生物的生理活動(dòng)強(qiáng)勁、旺盛，表現(xiàn)在增殖方面則是裂殖速度快、世代時(shí)間短。

MBBR法主要是通過生物膜中各種類型微生物的新陳代謝來達(dá)到對(duì)污水中有機(jī)污染物的降解，所以生物膜生長(zhǎng)的好壞將直接關(guān)系到廢水處理的最終結(jié)果，尤其對(duì)于硝化菌、反硝化菌而言，它們的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境的變化非常敏感，硝化菌的適宜溫度是20℃-30℃，反硝化菌的適宜溫度是20℃-40℃，溫度低于15℃時(shí)，這兩類細(xì)菌的活性均降低，5~C是完全停止，所以溫度的變化將直接影響這類細(xì)菌的生長(zhǎng)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氨氮填料表面負(fù)荷的變化基本與水溫的變化趨勢(shì)一致。水溫低時(shí)填料表面負(fù)荷低，水溫高時(shí)填料表面負(fù)荷約達(dá)到水溫低時(shí)的15倍。由此可見，硝化細(xì)菌受溫度影響大，低溫條件下活性較弱。

5、pH值對(duì)MBBR法的影響

微生物的生理活動(dòng)與環(huán)境的酸堿度密切相關(guān)，只有在適宜的酸堿度條件下，微生物才能進(jìn)行正常的生理活動(dòng)。pH值過大的偏離適宜數(shù)值，微生物的酶系統(tǒng)的催化功能就會(huì)減弱，甚至消失。不同種屬的微生物生理活動(dòng)適應(yīng)的pH值，都有一定的范圍，在這一范圍內(nèi)，還可分為最低pH值、最適pH值和最高pH值。在最低或最高的pH環(huán)境中，微生物雖然能夠成活，但生理活動(dòng)微弱，易于死亡，增殖速率大為降低。

參與污水生物處理的微生物，一般最佳的pH值范圍，介于6.5-8.5之間。MBBR法作為生物膜法與活性污泥法相結(jié)合的工藝，同樣依賴于微生物的生長(zhǎng)以達(dá)到有機(jī)物降解的目的。所以保持微生物最佳pH范圍是取得良好污水處理效果的必要條件，當(dāng)污水(特別是工業(yè)廢水)的pH值變化較大時(shí)，需要考慮設(shè)調(diào)節(jié)池，使污水的pH值調(diào)節(jié)到適宜范圍后再進(jìn)行曝氣。

6、其他因素對(duì)MBBR法的影響

根據(jù)每一個(gè)具體試驗(yàn)條件的不同，還會(huì)有許多不同的影響因素。如氣水比一般控制在(3～4)，這樣的氣量能使反應(yīng)器中的填料均勻地循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來；濁度也需要控制在一定范圍內(nèi)，相關(guān)研究結(jié)果表明：濁度大使得某些懸浮物容易覆蓋在生物膜的表面，阻礙生物氧化作用的進(jìn)行，導(dǎo)致處理效率大幅下降，同時(shí)還容易造成填料堵塞，另外整個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)水濁度和出水濁度進(jìn)行了檢測(cè)，進(jìn)水濁度為17.6-160NTU，出水濁度為18.1-142NTU，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中試裝置對(duì)濁度基本沒有去除效果，出水濁度隨著進(jìn)水濁度的變化而變化，所以我們需要嚴(yán)格控制好進(jìn)水濁度的量；COD容積負(fù)荷對(duì)去除率也有很大的影響，研究表明COD容積負(fù)荷為0.48-2.93kg/(m3•d)的范圍內(nèi)對(duì)COD的去除率基本穩(wěn)定在60%-80%。

在相同的水力停留時(shí)間下COD的去除率隨負(fù)荷呈正比增加趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)水COD濃度較低時(shí)微生物降解有機(jī)物的速率也較小，其降解能力不能充分發(fā)揮，當(dāng)進(jìn)水COD濃度增大時(shí)促進(jìn)了生物膜微生物的生長(zhǎng)，提高了降解速率，故對(duì)COD去除率得到了提高。以上各因素都會(huì)對(duì)污水處理造成不同程度的影響，此外還有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有毒物質(zhì)等，如果這些物質(zhì)過多的偏離微生物生長(zhǎng)需要，就會(huì)對(duì)污水處理的最終結(jié)果產(chǎn)生影響。我們須根據(jù)具體的條件和要求來確定哪一個(gè)因素是主要影響MBBR法的最終結(jié)果。

3、MBBR生物脫氮應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

MBBR不僅建設(shè)周期短、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、管理簡(jiǎn)單方便和集中與分散處理皆適宜，而且工藝運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，是一種經(jīng)濟(jì)高效的污水處理工藝。國外學(xué)者針對(duì) MBBR對(duì)有機(jī)物的去除及脫氮除磷的機(jī)理和影響因素有較為深入的研究，且在城市生活污水、小型污水廠深度處理的設(shè)計(jì)，已有超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的活性污泥處理系統(tǒng)的改造，垃圾滲濾液處理，造紙和食品工業(yè)廢水等水處理已有較廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)低濃度生活污水、少數(shù)工業(yè)廢水及污水深度處理回用等工程治理中也對(duì)MBBR有少量的應(yīng)用，MBBR作為脫氮工藝的處理單元，并對(duì)MBBR生物硝化特性、反硝化特性研究。

具有能耗低、投資省、池容小及容易保持 pH 值等諸多優(yōu)勢(shì)，加之處于活性污泥法和固定生物膜法之間的MBBR移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器逐漸得到應(yīng)用，MBBR同步硝化反硝化生物脫氮技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)空間，這也賦予了 MBBR 同步硝化反硝化生物脫氮研究的現(xiàn)實(shí)意義。

 

 

基于目前的研究，應(yīng)對(duì) MBBR 同步硝化反硝化的作用機(jī)理和動(dòng)力學(xué)模型做更深一步的探索; 對(duì) MBBR 同步硝化反硝化運(yùn)行條件、影響因素進(jìn)行進(jìn)一步研究，為生物膜間的好氧細(xì)菌、厭氧細(xì)菌及異養(yǎng)細(xì)菌等細(xì)菌提供良好的代謝條件; 加強(qiáng)特殊菌種的篩選，提高M(jìn)BBR系統(tǒng)脫氮效率，為 MBBR 同步硝化反硝化生物脫氮技術(shù)的應(yīng)用做好理論基礎(chǔ)！