懸浮填料生物膜工藝的進(jìn)展

懸浮填料生物膜工藝的研究進(jìn)展摘要懸浮填料生物膜工藝又稱為移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器工藝，是上世紀(jì)九十年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型水處理工藝，發(fā)展十分迅猛。它既可以作為獨(dú)立的生物處理系統(tǒng)，也能夠與活性污泥法組合以增加后者的處理效能，還可以作為中高濃度工業(yè)廢水的生物預(yù)處理手段。本文總結(jié)了懸浮填料生物膜工藝的流體力學(xué)、生化動(dòng)力學(xué)規(guī)律、懸浮填料的開發(fā)現(xiàn)狀，探討了工藝在市政生活污水、工業(yè)廢水、低污染物濃度的水處理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展。進(jìn)一步開發(fā)高效、廉價(jià)的功能型懸浮填料，提高填料的有效比表面積，優(yōu)化與確定工藝和運(yùn)行參數(shù)將推動(dòng)懸浮填料生物膜工藝在我國(guó)的全面應(yīng)用。關(guān)鍵詞懸浮填料生物膜生物處理生活污水工業(yè)廢水ProgressoftheStudyonSuspendedCarrierBiofilmProcessAbstractSuspendedcarrierbiofilmprocess(SCBP),alsonamedasmovingbedbiofilmreactor(MBBR),developedveryfastsinceitisinvented京買i魯n績(jī)e汗a肯r芝l室y該鎖y竄e扇a撞r經(jīng)s秤黑o趴f刪博1慮9捆9僚0動(dòng)s扁,缸園w鑰h獲i傲c喉h曉纖c溉a雖n叔校n龍o混t柳烏o桿n摔l板y奴浙b照e賤碼a嘉n才稍i設(shè)n粉d敲e析p漸e殖n漠d須e畜n卷t固藥b彈i酸o選l覺o駐g葛i閣c銹a泛l殃寶t炸r碧e屑a纏t拴m顫e躲n腰t慢龜s結(jié)y瘡s檢t迫e摘m樸,訊錘o切r鍛殃c績(jī)o禽m億b開i甩n輸e憑d李魂w島i委t銅h棗納a聽c鄙t煌i辜v津a振t零e動(dòng)d況搭s賽l根u沸d鋒g丸e憑電p悟r齊o隨c愉e優(yōu)s襖s鋤(把A洞S柳P嬸)辦既t拌o樹閑i硬n偏c至r咳e躺a萌s頭e聲曬t澡h姻e童抽c炒a渣p警a嘉c脾i梯t危y艙犯a薯n門d斧漸e芳f陶f(shuō)瓜i償c作i拖e博n嫌c策i涼e上s汪殿o具f齒爸A歉S臣P絨,守懂b續(xù)u壓t填葡a毯l益s蘆o字蚊b羅e團(tuán)揭u雹s父e藥d錢濟(jì)a奶s皮女a(chǎn)沉自b艘i疏o黃l皺o碼g券i筋c聾a茅l件則p稱r卵e機(jī)t盛r告e使a貫t逼m孫e膨n賄t攝默u惱n票i宿t階席o面f偶事m桐o岡d伯e院r止a閉t電e已-肢荷o懂r蠢淘h泡i淹g戒h鑄-朵s熱t(yī)濕r典e鄙n如g卻t育h船箏i孤n襯d戲u冷s阿t優(yōu)r煤i元a女l構(gòu)須w陜a鞋s妥t嚇e世w慶a港t崗e聾r果.圾肌I刻n模超t蜂h還i錢s六緊a巴r欄t西i叔c價(jià)l標(biāo)e隆,喂吧t指h琴e碰徑c級(jí)h生a奇r圈a桌c雖t崗e腔r柳i闖s播t欺i蓮c燙s毛寧o泳f賣廚t愁h做e唱饒h啟y糖d清r退o線m浸e崖c錦h張a濾n驚i認(rèn)c瞞s鄙沈a惡n京d漆表b超i醒o陜c茂h塞e丈m宇i柏c箭a披l巧越d協(xié)y傭n化a扮m干i齊c盟s安畢o芽f偉版S讓C哪B窄P花統(tǒng)a使r剝e搏酒s登u燕m嬌m貿(mào)a燃r顆i刷z俯e遇d漆,氣通t口h更e償決d珍e宴v別e男l(wèi)翅o血p率m煉e漫n驢t饞姐o智f亂濾s釣u斷s攪p圖e辯n殼d浴e容d組托c落a妙r膛r掏i紋e詢r(jià)駁,仙水s傍t猶u見d轎y陜走a槽n董d全畜a腎p襖p鬧l蘭i慎c斜a蹈t限i扁o智n抓我o瘦f沉裕S己C彼B黃P忍它t踩r齊e餐a運(yùn)t昂i帽n仙g夠好d嘉i殖f挎f碧e致r您e艘n噴t掏浪k蹦i誠(chéng)n的d缸s示噸o沖f軋亞w拘a拿s場(chǎng)t粗e孝w北a步t石e狹r孫硬a絨r笛e沫賠d日i鄙s砌c細(xì)u個(gè)s定s后e競(jìng)d敘練i送n閉收d別e咳t河a曲i帖l鎖.百丈T撒o容譽(yù)b事r圓o達(dá)a再d掛e講n嘆跡t曉h都e斷說(shuō)a消p拆p掛l瘦i棟c腦a丙t炊i執(zhí)o襯n粥運(yùn)o資f漿雕S粉C楊B丈P欣,欺詳i臺(tái)t密按i非s躬條n恐e溫c煩e鴨s斤s歪a地r化y掃川t片o成采d偏e史v豐e甩l六o骨p密崇l趨a需r舟g婦e傾買e弱f夢(mèng)f挖e拼c蹄t較i義v賞e骨光s怨p源e梳c享i妻f淡i蠶c鄭約s耀u凝r乎f稍a媽c廉e垃扮a泛r季e拐a紫,加翠h伍i瘋g肥h鑒-撿e趙f礦f爬i輔c冰i曾e訴n播t程薪a霸n夾d旱墨c奉h繪e岸a論p田揀f夫u房n漂c飽t科i請(qǐng)o器n毯a疏l膽制s壟u愁s鋒p呼e跡n勇d事e弟d痰疫c榴a剪r喬r堵i概e繳r趁，蠟o殖p袖t簡(jiǎn)i廊m逮i受z幅e蒸歉t幣h磚e欲傅d榆e院s芝i捧g才n報(bào)領(lǐng)a兩n叔d犬帥o堡p平e法r拋a遺t取i渾o耳n雪途p患a允r科a支m催e止t嘆e謊r疊s刮.Keywords:SuspendedCarrier,biofilm,biologicaltreatment,municipalwastewater,industrialwastewater.懸浮填料生物膜工藝（suspendedcarrierbiofilmprocess，SCBP）又稱移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（movingbedbiofilmreactor,MBBR），由挪威KaldnesMijecpteknogi公司與SINTEF研究所共同開發(fā)，目的是在原有活性污泥處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高負(fù)荷率、增加脫氮除磷的能力[1,2,3]。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，懸浮填料生物膜處理工藝無(wú)論是理論研究還是在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用均取得了快速發(fā)展，成為當(dāng)今水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文從技術(shù)原理、動(dòng)力學(xué)、填料開發(fā)以及不同水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用等方面探討工藝的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。1、工藝原理懸浮填料生物膜工藝是指在水處理構(gòu)筑物中直接投加密度與水相近的輕質(zhì)填料，利用附著生物量或者生物膜與活性污泥共同除污染。填料在池內(nèi)能夠停留于任何位置，曝氣時(shí)隨水流動(dòng)或自由流化，這種現(xiàn)象又稱為“移動(dòng)的生物膜”。懸浮填料生物膜工藝本質(zhì)上仍屬于生物膜法，但是在運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)行方式以及生物膜狀況等方面具有獨(dú)特的性質(zhì)和特點(diǎn)。1.1運(yùn)動(dòng)特性懸浮填料生物處理池的構(gòu)筑物與曝氣池相同，曝氣方式以穿孔管曝氣或微孔曝氣為主，僅在出水端設(shè)置篩網(wǎng)或柵欄防止填料流失。池內(nèi)一定范圍內(nèi)水、氣、固之間混合充分[4,5]：在曝氣管的周圍，水、氣和懸浮填料呈現(xiàn)漩流狀態(tài)，出氣孔的上方的空氣推動(dòng)填料和水快速上升，并將上方的填料推向周圍區(qū)域，隨著填料體積的增多，部分填料被推向池底，參與第二輪循環(huán)。其流態(tài)和流場(chǎng)的變化可用N-S二維方程來(lái)解析，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合[6]。池內(nèi)的漩流區(qū)域大小以及填料的流化程度與曝氣強(qiáng)度、填料的投配率（即填料的投加體積占池體有效容積的比例）、池體結(jié)構(gòu)和曝氣管的間距均有密切關(guān)系。朱文亭認(rèn)為反應(yīng)器的長(zhǎng)深比為0.5有利于填料的流化[5]。對(duì)于填料粒徑不大于15mm的小型懸浮填料，投配率受曝氣方式、曝氣管間距以及曝氣強(qiáng)度的影響較小，只要不超過(guò)70％則易于流化；隨著填料粒徑增大，曝氣管的間距、曝氣強(qiáng)度以及填料的形狀對(duì)流化的影響也愈大。孫華[7]研究了Ф50×50mm的圓柱狀填料的投配率對(duì)流化和充氧的影響，填料的投配率達(dá)到60％時(shí)流化就存在困難，充氧效率反而不如投配率為50％。筆者同樣采用Ф50×50mm的圓柱狀懸浮填料試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，穿孔曝氣管的間距為40cm時(shí)填料無(wú)法流化；管間距達(dá)到60cm，即使曝氣強(qiáng)度僅有2.80m3/m2.h，填料就開始移動(dòng)。懸浮填料合理的投配率和曝氣管間距，能夠僅根據(jù)微生物代謝所需要的空氣量來(lái)確定曝氣強(qiáng)度，而不需要額外的空氣量維持填料的流化?？梢?與生物流化床相比，在達(dá)到同樣傳質(zhì)的條件下懸浮填料生物膜工藝能大大降低能耗。1.2曝氣和充氧池內(nèi)投加懸浮填料后，空氣泡上升過(guò)程中被填料切割、穿刺和分散，而且由于填料的流態(tài)變化，增大了固、液、氣之間的摻混和傳質(zhì)效果，使氧的利用率有顯著的增加。金冬霞[8]利用自制的Ф11mm×11mm中空?qǐng)A筒狀懸浮填料試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)投配率達(dá)到30％的氧利用效率最高。課題組[7,9]利用Ф50mm柱狀懸浮填料研究穿孔管曝氣不同投配率的充氧效率，當(dāng)投配率為50％時(shí)充氧效率最高，達(dá)到了9.7％，比不加任何填料提高了1倍多。朱文亭[5]利用ф25mm的球齒狀填料，投配率達(dá)到55％時(shí)微孔曝氣的充氧效率可達(dá)到13.65％。穿孔管曝氣能夠以較低的氣水比實(shí)現(xiàn)填料流化，但對(duì)填料沖刷力度大，填料的碰撞和摩擦劇烈，不利于填料外層生長(zhǎng)生物膜；微孔管曝氣的氣泡直徑小，對(duì)填料的沖刷和碰撞相對(duì)溫和，但是微孔曝氣盤容易堵塞，而且檢修困難，生產(chǎn)應(yīng)用中采用哪種曝氣方式需要根據(jù)廢水的性質(zhì)和曝氣量等因素綜合考慮。1.3生化動(dòng)力學(xué)懸浮填料生物膜工藝的生化動(dòng)力學(xué)以生物處理池填料投加后附著生物量作為探討對(duì)象，分別從有機(jī)物去除和生物硝化兩方面來(lái)闡述。1.3.1有機(jī)物懸浮填料的總生物量與填料的比表面積和投配率有關(guān)，有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)具有復(fù)雜性。當(dāng)以附著生物量為主運(yùn)行時(shí)，有機(jī)去除負(fù)荷率（OLR）隨著生物膜量的增加而上升，生物量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，有機(jī)去除負(fù)荷率與進(jìn)水的負(fù)荷率在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[10,11]。進(jìn)一步研究溶解性COD（CODs）的去除機(jī)理發(fā)現(xiàn)，CODs的去除負(fù)荷率與進(jìn)水的CODs呈線性關(guān)系，但去除率與出水的CODs相關(guān)性不大；顆粒狀COD的去除則是生物吸附和解吸附的凈效應(yīng)[12,13]。曹斌等人利用人工配制的廢水研究有機(jī)物的降解速率與生物膜量的關(guān)系，兩者仍可以用Monod公式來(lái)擬合[11]。研究者在不同比表面積條件下得出有機(jī)物降解速率的K值與μmax不盡相同。筆者認(rèn)為這是由于曝氣強(qiáng)度和廢水的性質(zhì)不同，因而懸浮填料上的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量處于動(dòng)態(tài)變化中，以比表面積來(lái)表征懸浮填料的有機(jī)物降解速率有待進(jìn)一步研究。1.3.2生物硝化懸浮填料是硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的理想場(chǎng)所，這為SCBP或MBBR工藝研究硝化動(dòng)力學(xué)提供了有效手段。硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速度慢，在同一工況條件下細(xì)菌的數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定，以單位面積來(lái)表征硝化速率是可行的，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究很多[12～21]。硝化速率與懸浮填料的生物膜量、溫度、堿度、DO、進(jìn)水的氨氮濃度以及有機(jī)負(fù)荷率等均密切相關(guān)。G.Pastorelli[12]研究表明，如果MBBR反應(yīng)器的溶解性COD負(fù)荷率達(dá)到3～4gCOD/m2填料.d、且DO小于2～3mg/L，則生物硝化不易出現(xiàn)。AnetteAes?y利用純氧曝氣研究MBBR工藝DO與硝化速率的關(guān)系，如果DO大于12mg/L，則NH4-N的去除負(fù)荷率與進(jìn)水負(fù)荷率完全正相關(guān)，硝化速率呈零級(jí)反應(yīng)，最大比硝化速率可以達(dá)到55kgNH3-N/kgO2.d；而當(dāng)DO濃度在5～12mg/L的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)典型的一級(jí)反應(yīng)模式。見圖1(15)。圖1硝化速率與溶解氧(DO)的關(guān)系Fig1,correlationbetweenDoandnitrifyingrate有研究者指出，KMT型懸浮填料的硝化速率與進(jìn)水NH3-N濃度的關(guān)系介于零級(jí)和一級(jí)之間，可表示為：RNH3-N＝0.21C0.59，R的單位是kgNH3-N/m3.d。L(16)利用人工配制污水和中試系統(tǒng)研究懸浮填料的生物硝化過(guò)程，當(dāng)進(jìn)水的堿度充足、有機(jī)負(fù)荷率低時(shí)，進(jìn)水的NH3-N濃度與DO成為硝化反應(yīng)的限制因素；當(dāng)池內(nèi)的DO與NH3-N的比例小于2時(shí)，DO成為限制因子，如果池內(nèi)的DO達(dá)到4.5mg/L左右，硝化速率可以達(dá)到0.7～1.6gNH3-N/m2.d；硝化速率與進(jìn)水NH3-N的濃度符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模式；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率達(dá)到5gBOD7/m2填料.d以后，硝化過(guò)程受到抑制。徐斌(16,17)圖1硝化速率與溶解氧(DO)的關(guān)系Fig1,correlationbetweenDoandnitrifyingrate掛膜成熟的懸浮填料單位面積硝化速率可以達(dá)到1.0gNH3-N/m2填料.d，最多可以達(dá)到1.4～1.6gNH3-N/m2填料.d(4)。U.Welander指出，生物硝化的NH3-N去除負(fù)荷率與填料比表面積呈比例關(guān)系，但過(guò)高的比表面積也有不利之處(18,19)。液膜擴(kuò)散系數(shù)對(duì)懸浮填料生物膜工藝的生物硝化也有一定影響。如果液膜傳質(zhì)無(wú)障礙，生物膜系統(tǒng)的基質(zhì)反應(yīng)速率常為半級(jí)，但由于生物膜生長(zhǎng)于懸浮填料的內(nèi)壁，這些微區(qū)域不可能形成強(qiáng)烈的紊流和極薄的液膜層，因此，實(shí)際運(yùn)行時(shí)液膜擴(kuò)散系數(shù)仍是較重要的參數(shù)，反應(yīng)級(jí)數(shù)n＝0.7（4）。有研究者認(rèn)為(4,20)，溫度對(duì)懸浮填料生物膜工藝的生物硝化影響不明顯。U.Welander研究表明，即使在5℃低溫條件下，懸浮填料的硝化去除負(fù)荷率仍可以達(dá)到20℃的77％左右，傳質(zhì)速率而不是酶活性在低溫時(shí)起主導(dǎo)作用；B.Rusten也發(fā)現(xiàn)，7～18℃的范圍內(nèi)，溫度的差異性不突出，低溫條件下DO濃度高，可以部分抵低溫效應(yīng)。實(shí)際上，研究者均采用有效比表面積大于300m2/m3的小粒徑填料得出了上述結(jié)論。由于試驗(yàn)系統(tǒng)的HRT足夠長(zhǎng)、室溫下填料的去除負(fù)荷率遠(yuǎn)未達(dá)到飽和值，溫度降低后，這部分容量被釋放出來(lái)，因此溫度的影響不明顯。而從已有的許多試驗(yàn)來(lái)看，如果室溫條件下的硝化負(fù)荷率已經(jīng)接近最大值，則溫度降低后去除效率的變化將十分明顯。2、懸浮填料懸浮填料是工藝的核心，在固定式填料和粒狀硬質(zhì)填料的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。固定式填料和硬質(zhì)填料在水處理中均存在缺陷，20世紀(jì)90年代初，新型輕質(zhì)可自由移動(dòng)的懸浮填料開發(fā)成功，揭開了一個(gè)新的水處理方向。懸浮填料的材質(zhì)以聚乙烯、聚丙烯為主(21)，適當(dāng)添加輔助成分，密度一般控制為1.0g/cm3左右。也有采用多孔塑料材料或者聚氨酯泡沫材料(22,23)。根據(jù)形狀與大小的差異，懸浮填料可分為幾類：（1）、多孔泡沫填料：以德國(guó)LINDE公司所開發(fā)的多孔泡沫塊懸浮填料為代表。材質(zhì)多為聚氨酯泡沫塊，密度小于水，形狀為小方塊，大小不超過(guò)15mm，填料呈多孔狀，表面和內(nèi)部均長(zhǎng)滿微生物，既可以生物膜法為主獨(dú)立運(yùn)行，也可投加到活性污泥處理池以提高處理效率。（2）、Kaldnes填料：由挪威KaldnesMijecptek-nogi公司與SINTEF研究所聯(lián)合開發(fā)，其中KMT型系列填料應(yīng)用最多和最廣。大小不超過(guò)11mm，呈外棘輪狀，內(nèi)壁由十字筋連接，圖2Kaldnes圖2KaldnesKMT型懸浮填料Fig2,KaldnesKMTsuspendedcarrier圖3球狀或柱狀懸浮填料Fig3,Sphere-,cylinder-typesuspendedcarrier見圖2。由于填料碰撞和摩擦劇烈，微生物主要生長(zhǎng)于填料的內(nèi)側(cè)。為防止填料流失，需要在出水端利用篩網(wǎng)或者做成楔形出水擋墻。目前，國(guó)內(nèi)開發(fā)的部分種類的懸浮填料均由此演化而來(lái)(5,6,8,21)。（3）、大型球狀或柱狀懸浮填料：由課題組90年代中期開發(fā)成功，現(xiàn)已在水處理工程中應(yīng)用(24)。填料形狀為球狀或圓柱狀，粒徑由25mm、50mm和100mm等，見圖3。由翼板和套環(huán)組成，密度為0.95～0.98g/cm3，比表面積為100～440m2/m3。在處理池的出水端設(shè)置柵欄就可以防止填料流失。此外，還有其它類型的填料(25,26)。懸浮填料的投加方式非常靈活，在池內(nèi)幾乎沒有水頭損失，無(wú)需反沖洗，維護(hù)簡(jiǎn)單，投配率根據(jù)所處理水的水質(zhì)或工藝而定。以KMT型懸浮填料為例，最高投配率可以達(dá)到有效池容的70％；課題組開發(fā)的大粒徑懸浮填料，最佳投配率為50％(9,27)。懸浮填料的有效比表面積是常規(guī)固定式填料的數(shù)倍，附著生物量大且微生物的活性高，因而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)將污染物去除。懸浮填料的掛膜速度較快。金冬霞(21)采用非織造布開發(fā)出的懸浮填料6天就可以全部掛膜，表面有一層薄薄的黃色生物膜。課題組試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)3～4周生物膜培養(yǎng)成熟。3、懸浮填料生物膜工藝的研究與應(yīng)用懸浮填料生物膜工藝開發(fā)成功以后，逐漸在市政生活污水、工業(yè)廢水、低污染濃度水的處理等領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用,具體介紹如下。3.1市政污水處理懸浮填料生物膜工藝用于市政生活污水處理，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)去除有機(jī)物和生物硝化，負(fù)荷率高，具有穩(wěn)定和良好的出水水質(zhì)。劉霞(28)研究了懸浮填料高投配率（75％）處理市政污水的效率，水力停留時(shí)間（tHRT）僅1h，出水就可以達(dá)到二級(jí)排放要求，BOD5的負(fù)荷率達(dá)到了5.5kg/m3.d。季民(29)利用自主開發(fā)的懸浮填料處理生活污水，盡管tHRT只有2～4h，但CODCr去除率達(dá)到70～80％，出水的CODCr小于60mg/L。H.?degaard、B.Rusten(1,2,64)以MBBR結(jié)合化學(xué)除磷處理小型社區(qū)污水，出水的COD、TP、TN均達(dá)到歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)，裝置運(yùn)行非常穩(wěn)定，已在挪威等國(guó)家推廣應(yīng)用。楊殿海(30)對(duì)生活污水采用化學(xué)——生物聯(lián)合絮凝處理后再經(jīng)過(guò)懸浮填料生物硝化除NH3-N，tHRT為2.2h，NH3-N從21mg/L降低到8.5mg/L。研究表明(4,18,31)，MBBR用于生活污水的前置和后置反硝化，能夠在低溫下保持良好的反硝化能力，懸浮填料可富集和培養(yǎng)大量的耐寒微生物，即使溫度低至3.5℃，仍具有可觀的反硝化能力；15℃、tHRT為1.5h的反硝化率達(dá)到了2.7gNOX-N/m2填料.d。G.Andreottola(32)對(duì)比了MBBR和活性污泥工藝處理市政污水的差異性，發(fā)現(xiàn)兩者具有相近的除污染效率，但MBBR沒有污泥膨脹和流失的現(xiàn)象。利用懸浮填料生物膜工藝除磷是生物法除磷的新嘗試。H.Helness(33)和G.Pastorelli(34)將MBBR按照SBR方式運(yùn)行，當(dāng)總的COD負(fù)荷率足夠多以維持生物量的凈增長(zhǎng)、厭氧時(shí)段釋磷充分和有機(jī)碳吸收量充足時(shí)，生物膜法除磷才能實(shí)現(xiàn)；投加外碳源如乙酸，生物膜的吸磷能力可以達(dá)到7.5gTP/100gTSS。目前，關(guān)于生物膜法除磷還有許多技術(shù)細(xì)節(jié)需要深入研究，但該領(lǐng)域的探索為生物除磷提供了新的思路。在常規(guī)二級(jí)處理活性污泥系統(tǒng)中直接投加懸浮填料，不僅可以增加裝置的處理容量、提高裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，而且世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化細(xì)菌等能夠在填料上大量生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化(7,11,36)。E.V.Münch(26)在常規(guī)二級(jí)污水處理廠的曝氣池投加懸浮填料以提高硝化細(xì)菌數(shù)量，同時(shí)將池的前1/3改造成缺氧區(qū)，出水的TN降低到2.0mg/L，二沉池的SVI值大幅度降低，污泥的沉降性能非常好?；钚晕勰嘞到y(tǒng)投加懸浮填料后強(qiáng)化了脫氮能力，冬季低溫條件下提高DO還可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的硝化效果(37)。(38)在MBBR的基礎(chǔ)上開發(fā)出BASIN工藝，利用懸浮填料選擇性生長(zhǎng)異養(yǎng)細(xì)菌以去除有機(jī)物，tHRT僅為1.4h；后續(xù)活性污泥處理的容積減少了一半，硝化負(fù)荷率高達(dá)38.1mg/gMLSS.h，遠(yuǎn)超過(guò)普通活性污泥系統(tǒng)1.9mgNH3-N/gMLSS.h的水平?，F(xiàn)有污水處理系統(tǒng)直接改造為MBBR工藝，不僅可以提高處理能力和效率，而且投資費(fèi)用省，占地面積減少。挪威FREVAR污水廠由常規(guī)二級(jí)處理進(jìn)一步改造為具有脫氮功能的中試研究表明，10℃的硝化負(fù)荷率達(dá)到了190gTKN/m3.d，即使每年有3個(gè)月水溫只有4～5℃，但是TN的去除率仍達(dá)到了70％以上。另一個(gè)污水處理廠改造后增加MBBR作為后反硝化池，設(shè)計(jì)反硝化負(fù)荷率為1.2gNO3-N/m2填料.d（10℃），一年多運(yùn)行結(jié)果表明，總出水的TN不超過(guò)10mg/L(39)。筆者課題組在城市污水脫氮除磷的研究中將懸浮填料投加到處理池的后段，總投配率不超過(guò)20％，硝化細(xì)菌聚集于填料而聚磷細(xì)菌主要分布在活性污泥，解決了活性污泥系統(tǒng)短的水力停留時(shí)間和固體停留時(shí)間下脫氮除磷的泥齡矛盾，TN、TP都達(dá)到了排放要求(40)。3.2工業(yè)廢水工業(yè)廢水不僅水量和水質(zhì)波動(dòng)大，而且一些廢水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏或含有毒或有害物質(zhì)，對(duì)廢水處理工藝的要求高。研究者或以懸浮填料生物膜工藝為主體處理單元，或作為生物預(yù)處理手段，分別在紙漿廢水、有機(jī)中高濃度污水、化工、制藥、油田等行業(yè)的水處理領(lǐng)域獲得試驗(yàn)或應(yīng)用成功。有關(guān)的研究結(jié)果見表1。表1懸浮填料生物膜工藝在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的研究與應(yīng)用table1,studyandappicatonofsuspendedcarrierbiofilmprocessinthefieldofindustrialwastewater研究者規(guī)模（m3/d）填料種類/投配率廢水來(lái)源水溫℃HRT（h）主要污染物去除效果備注S.T.Jahren(41)小試Kaldnes/58%TMP造紙廢水5517.9COD進(jìn)水2022mg/L,去除率62％，去除負(fù)荷率1.5～2.4kg/m3.d;TN44mg/L，去除率56.8％B.Rusten(42,43)200Kaldnes/70%奶酪廢水中溫16COD進(jìn)水3070mg/L，去除率96.7％；去除負(fù)荷率2.5kg/m3.dB.Rusten(44)280Kaldnes/70%家禽加工廢水常溫15.4-14COD進(jìn)水1180～3740mg/L，出水140～240mg/L，去除負(fù)荷率為30-45kg/m3.d工程運(yùn)行結(jié)果I.C.Ambriz,U.Welander(19,45)中試Natrix/60%污泥發(fā)酵上清液常溫96COD進(jìn)水3162mg/L，去除率40％;進(jìn)水NH3-N242.0mg/L，去除率99％與SBR對(duì)比J.Suvilampi(46)小試KMT/50%糖蜜廢水高溫12-18CODf：1900mg/L，去除率62±7％對(duì)比研究ASPN.Kandl(47)中試KMT/67％Natrix/50％造紙廢水--COD的去除率50％左右，容積去除負(fù)荷率10～16kgCOD/m3.d作為預(yù)處理李鋒,龔云華(48,49)中試懸浮填料,/50％化工區(qū)混合廢水常溫13.4-17COD去除率74～81％；污泥負(fù)荷率0.17～0.77kgBOD5/kgMLSS.d陳衛(wèi)東(50)中試外棘輪式填料/50％再生紙廠廢水常溫6-12COD去除率75～87％殷渝強(qiáng)(25)中試生產(chǎn)梅花形填料/50%PTA廢水常溫18.4-23COD進(jìn)水4500-600mg/L，去除70％，負(fù)荷率5.6～10.0kgCOD/m3.d；工程的COD去除率37～53％。預(yù)處理孫華(51)中試小試懸浮填料/50％染料廢水常溫16-32COD進(jìn)水1009mg/L，去除率69.5％；NH3-N92mg/L，去除率39.1％。王學(xué)江,夏四清(27,52,53)中試懸浮填料/50%石化混合廢水常溫6-12COD進(jìn)水245.5～695.7mg/L，去除率80％以上;NH3-N8.3～53.2mg/L，去除率55.5～95.6％楊二輝(54)中試懸浮填料/40％含油廢水高溫6COD進(jìn)水253-362mg/L,去除率60.6％;NH3-N30～42mg/L,去除率98％以上;油去除率83.4%魏瑞霞(55)小試TX型填料/40－50％制藥廢水常溫8COD進(jìn)水800-2500mg/L，去除率83－86％。按SBR運(yùn)行由表可見，懸浮填料生物膜工藝作為生物處理主體，除污染效率和負(fù)荷率均顯著優(yōu)于普通活性污泥法。李鋒、龔云華在上海桃浦工業(yè)區(qū)處理化工廢水的中試結(jié)果說(shuō)明，相同工況的懸浮填料生物膜工藝對(duì)有機(jī)物的去除能力優(yōu)于SBR，且出水的水質(zhì)穩(wěn)定，抗沖擊性能優(yōu)異。孫華以MBBR工藝處理染料化工廢水，tHRT為16h的CODCr、BOD5和NH3-N去除效率與活性污泥法HRT為32h的結(jié)果相近，而抗沖擊性能更優(yōu)。MBBR處理石化廢水的對(duì)比研究結(jié)果也反映出，tHRT為10h的效果與原活性污泥處理池tHRT為23h的結(jié)果相近，但是NH3-N的去除效果更好(27,52,53)。懸浮填料生物膜工藝用于高含鹽和高水溫的油田采出水、中高濃度化工廢水、紙漿白水、以及低溫處理含較高濃度酚和甲酚廢水，均取得了試驗(yàn)成功(41,54,56,57)。此外，MBBR工藝在高含氮污泥發(fā)酵上清液、垃圾滲濾液的硝化反硝化以及原尿高NH3-N濃度的硝化穩(wěn)定等方面也表現(xiàn)出良好的性能，最大反硝化負(fù)荷率達(dá)到了55gN/m3.h的效果(19,20,45)?？梢姡琈BBR所需的HRT很低，大大了節(jié)省了處理構(gòu)筑物的面積；工藝的適應(yīng)范圍廣，能夠勝任高含鹽、高溫或低溫條件的工業(yè)廢水生物處理。懸浮填料生物膜工藝作為中高濃度工業(yè)廢水的預(yù)處理手段或與其它工藝組合應(yīng)用的研究表明(43,44,47,50,55),工藝可快速降解溶解性有機(jī)物污染物，有機(jī)負(fù)荷率高達(dá)30～45kgCOD/m3.d，單位填料的面積負(fù)荷率達(dá)到了53g/m2填料.d。預(yù)處理的最短tHRT僅有6h。廢水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后大大降低了后續(xù)處理的難度，提高了污泥的沉降性能，出水的水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)方法。3.3低濃度污水和廢氣處理水中的污染物濃度過(guò)低，采用生物膜法處理具有比較優(yōu)勢(shì)。懸浮填料生物膜工藝能夠很快培養(yǎng)出足夠的生物量，在極短的時(shí)間內(nèi)將污染物徹底氧化或分解，而且工藝可以按照活性污泥工藝運(yùn)行，適合于不同的處理規(guī)模。徐斌(16,17)利用懸浮填料床處理微污染源水，現(xiàn)場(chǎng)中試表明，tHRT不大于1h、氣水比不高于0.75，對(duì)不同進(jìn)水NH3-N濃度均能保持75％以上的去除效率，出水的NH3-N小于1.0mg/L。懸浮填料生物處理工藝用于污染河道的就地凈化(9)，tHRT為1.0h，COD可以從44～232mg/L降低到平均34.1mg/L，BOD5從19～101mg/L降低到平均9.1mg/L；如果tHRT增加到為1.5h，NH3-N也有較好的去除效果。懸浮填料生物膜工藝處理低濃度生活污水的小試、中試和生產(chǎn)性應(yīng)用結(jié)果表明(58～61)，tHRT為1～3h，CODCr可從100mg/L左右降低到30mg/L，BOD5小于5mg/L，出水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后就能夠回用。此外，郭靜等人采用懸浮填料復(fù)合式生物反應(yīng)器處理惡臭氣體也有突出的效果(62,63)，氣體溫度為11～15℃，H2S和COD的去除率分別達(dá)到了90％和80％。4、小結(jié)與展望懸浮填料生物膜工藝雖距今只有十多年的歷史，但其發(fā)展十分迅猛，在生活污水、工業(yè)廢水、低濃度水處理和惡臭氣體的除臭等領(lǐng)域均表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，特點(diǎn)總結(jié)如下：①工藝所用懸浮填料比表面積遠(yuǎn)高于常規(guī)固定式填料，為微生物提供了更多的生長(zhǎng)空間，大大提高了處理負(fù)荷率，縮短了水力停留時(shí)間，可減少池體的容積，節(jié)省工程投資。②傳質(zhì)速率快，生物膜活性高。懸浮填料在很小的氣水比條件下，即可形成流化狀態(tài)；填料的流化及與氣泡的碰撞切割，極大地提高了生物處理三要素之間（微生物、溶解氧和污染物）的傳質(zhì)效率；填料的掛膜和脫膜速度快，生物膜很薄，活性高。③填料在隨水流不斷循環(huán)流動(dòng)的同時(shí)，自身也不斷地旋轉(zhuǎn)，不會(huì)結(jié)團(tuán)堵塞，老化的生物膜可及時(shí)通過(guò)水力紊動(dòng)自動(dòng)脫落，有效地防止了填料積泥問題，生物處理池?zé)o需專門的反沖洗設(shè)施。④改善了生物處理池的通氣和過(guò)水性能，水頭損失小，對(duì)處理構(gòu)筑物的要求簡(jiǎn)單。⑤工藝既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以投加到曝氣池增加微生物量，提高除污染能力和處理水量；還可以作為預(yù)處理手段選擇性地去除某些污染物，為后續(xù)處理創(chuàng)造最佳條件。懸浮填料生物膜處理工藝的生化動(dòng)力學(xué)和微生物研究也有較快的發(fā)展，比如PCR技術(shù)應(yīng)用分析MBBR生物膜的多樣性(57)。全世界已有數(shù)百個(gè)成功的工程實(shí)例，隨著研究的深入，其應(yīng)用范圍和速度將進(jìn)一步加大。懸浮填料生物膜處理工藝也存在一定的缺陷。由于碰撞、摩擦和沖刷等原因，填料的有效比表面積只有全部表面積的60％甚至更低，降低了使用效能；填料的價(jià)格過(guò)高制約了其推廣應(yīng)用的速度，工程應(yīng)用中的填料流失和堵塞問題仍需解決。開發(fā)高效、廉價(jià)的功能性懸浮填料、提高有效比表面積以及工藝和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化等領(lǐng)域的研究將推動(dòng)懸浮填料生物處理工藝的快速發(fā)展。參考文獻(xiàn)1H?degaard,etal.Anewmovingbedbiofilmreactor.Wat.Sci.Technol.1994,29(10):2H.?degaard,B.RustenandHBadin.Smallwastewatertreatmentplantbasedonmovingbedbiofilmreactors.Wat.Sci.Technol.1993,28(10):351-3593L.J.Hemetal.Nitrificationinamovingbedbiofilmreacto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