【PPT+視頻】彭永臻團隊-城市污水厭氧氨氧化脫氮研究

近年來,隨著氮、磷有機物排放量的急劇增加,有效降低廢水中氮、磷濃度已成為現代廢水處理領域的研究開發(fā)和應用熱點。這是一份25頁的PPT，對城市污水厭氧氨氧化脫氮進行了詳細的研究，我們來看一下彭永臻院士團隊的研究成果（最下方附有相應的演講視頻）。

來源：第十一屆中國城鎮(zhèn)水務大會 水世界訂閱號

視頻：張樹軍-城市污水厭氧氨氧化脫氮技術研究

附件：

MBBR近十年的發(fā)展和應用

原創(chuàng)2017-09-28吳迪中國給水排水

題目：MBBR近十年的發(fā)展和應用

報告人： 青島思普潤水處理股份有限公司 副總經理 吳迪 博士

主持人(中國市政工程華北設計研究總院有限公司 總工/教授級高工 鄭興燦 博士)：下面有請青島思普潤水處理股份有限公司吳迪博士/副總經理，就MBBR工藝近十年的發(fā)展和應用給我們作介紹。

吳迪：各位領導，各位專家，各位同行大家上午好，我是吳迪。

今天很榮幸有這個機會跟各位專家一起分享一下MBBR近十年的發(fā)展和應用。這個技術起源挪威，上世紀90年代主要在歐美國家發(fā)展應用，當時在世界范圍內已經有50多個國家、300多座污水廠應用此工藝技術。MBBR技術于2000年初引入國內，引入初期出現一些失敗案例，這也延緩了這個工藝在國內的推廣發(fā)展。初期失敗的主要原因是把MBBR的微生物膜和傳統(tǒng)的活性污泥法的懸浮性微生物等同起來。忽視了MBBR生物膜的特點，比如填料流化的重要性、篩網攔截、填料堆堵等問題，另外沒有跟國內實際情況相結合也是導致出現這些問題原因。直到2008年無錫蘆村首次將MBBR成功用于大型污水廠，這一個技術才真正在國內開啟了工程化應用的先河。這是因為對上述MBBR出現的問題有了科學的認知，采取了一些折中和妥協辦法，探索了一些創(chuàng)新技術，凝練了延用至今升級改造路線——以鑲嵌理念，進行重新分配，優(yōu)先滿足好氧區(qū)不足的部分，通過添加填料予以補足，采用循環(huán)流動池型等等。

MBBR在國內近十年市政污水的應用上涵蓋廣泛，此技術可以應用于提標改造、新建污水廠的各種工藝、各種體量、眾多復雜水質處理的出水標準。就現在國內報道來看，總的MBBR工藝應用體量已經超過1000萬噸/天，文獻里面可以查閱到的體量是超過700萬噸/天，市政廢水可以查閱到的體量是超過600萬噸/天。然而，整體上每萬噸水的填料投加量的用量差距比較大，有些項目填料投加量甚至小于2%，這時候很難說MBBR在處理過程中能起到主導或保障性作用。MBBR工藝也有廣泛的應用于青島地區(qū)——青島高新區(qū)，城陽，青島李村河，青島岔河都有我們MBBR工藝的工程應用。

為什么MBBR在提標改造當中有重要的地位，如何正確地避免MBBR工藝失敗案例，MBBR將走向何方，這是今天討論的重點內容，以上是第一部分介紹了MBBR的起源和發(fā)展概況。

第二個是介紹MBBR的工藝原理與再認知。我們一想到生化工藝，最初想到的就是活性污泥法，此技術已經發(fā)展百年，所以我們總習慣拿活性污泥法跟MBBR工藝作比較。實際它跟活性污泥法有聯系也有區(qū)別。首先說聯系方面，它們的動力來源相同，好氧階段都是通過爆氣實現，MBBR技術的泥膜負荷工藝有污泥回流，運行方式、工藝布置流程相似。再說區(qū)別方面，傳統(tǒng)活性污泥法由于通過剩余污泥排放控制泥齡，是一個單泥齡系統(tǒng)；MBBR工藝是一個雙泥齡的系統(tǒng)，有固定態(tài)泥齡也有懸浮態(tài)泥齡，一定程度可以緩解脫氮除磷泥齡上面矛盾。傳統(tǒng)的活性污泥法微生物是階段培養(yǎng)，比如硝化菌群在好氧曝氣階段實現增殖恢復，在缺氧段又受到抑制；而MBBR是一個專性和連續(xù)的培養(yǎng)過程，生物膜在固定區(qū)域流化培養(yǎng)。MBBR工藝中的微生物固定在填料上，強沖擊來臨時，整個的菌群系統(tǒng)不受影響，沖擊過后整個系統(tǒng)的效能能很快恢復。再一個就是溶解氧不同，傳統(tǒng)的活性污泥法在溶解氧大于2毫克/L時硝化功能就不受溶解氧影響，此時是一個零級反應；而MBBR工藝可以看到隨著溶解氧的增加有兩個明顯區(qū)域，不同溶解氧水平下不光有零級反應，也有一級反應的區(qū)間。綜上所述我們認為懸浮填料MBBR工藝泥齡控制方式和活性污泥法不同，抗沖擊原理不同，微生物培養(yǎng)方式不同，溶解氧傳質的方式不同，硝化菌群所含的比例不同，硝化菌群比例一般大于10%，最多可以超過70%。所以我們認為懸浮填料是增加和持留有效生物量、強化處理效果，而不僅僅是認為就是增加了MLSS。

在此基礎之上我們有幾個問題在這里探討一下。第一個就是設計依據是什么，發(fā)展方向是什么，關注點是什么。首先設計依據方面，我們做了不同的一些研究，包括不同的水質、不同的投加區(qū)域和培養(yǎng)條件。結果我們發(fā)現它的生物量差別很大，沒有一個明確的規(guī)律性，不同功能段含量差距也很大，但我們做硝化速率測試時發(fā)現它的硝化速率比較穩(wěn)定。所以認為采用表面膜負荷作為設計依據更為科學。

再一個就是關注它的發(fā)展方向，MBBR填料直徑25mm，流道最寬10毫米，最短2.5毫米，增大生物量就意味著增加生物膜厚度，這會有效減少生物膜面積和過水斷面，相關研究表明1毫米的表面張力可以撐起14毫米的水柱，這時候沒有一個強烈的流化狀態(tài)很難讓溶解氧傳質進去，所以認為單純增大生物量并不是一個正確理念方式。我們溶解氧可以穿透的基質厚度大概在50到100微米的水平，如果增大生物量必然增厚生物膜，就會導致厭氧層變厚、發(fā)酵，甚至引起生物膜大面積脫落，危害整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。我們研究最佳生物膜厚度冬季在100微米，夏季在60微米的水平，單純增加生物膜厚度不利于生物膜的正常更新。

再一個就是解釋一下為什么生物膜長泥齡的菌群會掛在填料上面。相關實驗證明，填料百分之百填充運行半年時，填料上面并沒有掛上生物膜，只是上面沉淀。我們把填料取出一部分，讓它流化起來，最終可以掛上膜。大家可以看到膜在填料上沉淀樣子和真正掛膜以后的樣子是完全不同的。并且在一些實際工程里，我們發(fā)現填料的掛膜時間都很短，只要滿足一個條件——流化，滿足水力剪切就可以，這是填料掛膜和微生物篩選的重要外在條件。所以說懸浮填料應該按照膜面負荷設計，這是正確的發(fā)展方向。

MBBR是料上膜不是料間膜，泥齡很長，通過水力剪切動態(tài)更新泥齡而不是通過反沖洗。現在很多應用中MBBR用于強化總氮去除的功能，并且是在原池內分割池體實現，而不是另外再新建生化池體，這是第一個技術路線。MBBR應用的第二個技術路線是缺氧和好氧均投加懸浮填料強化它的處理效果。綜上來看，懸浮填料可以克服以往固定填料固有缺陷實現強化處理，由于它繼承生物膜法特質，比如耐受低溫可以到三到六度，耐受高鹽廢水，高毒性制藥廢水，MBBR工藝均有很好的效果。它可以認為是一種有活性污泥法外衣和生物膜法內涵的復合工藝。

我們的填料的處理能力和表面負荷、比表面積和填充率相關。當我們將一代填料按照45%的填充率填充時，MBBR達到跟傳統(tǒng)活性污泥法基本相當的硝化能力。如果我們采用更大比表面積填料、更大填充率，它的負荷將有更大提升，這就使得我們工藝新建的時候能夠節(jié)約占地，在改造的時候可以在很大范圍內實現提標。青島李村河就是這樣一個工程案例，2010年進行第一次提標改造時，增加了MBBR區(qū)域；2015年由于需要提量進行了第二次升級改造，原有的基礎之上重新劃分內部功能區(qū)增加后置反硝化，形成五段式結構，再就是擴大MBBR區(qū)域，增加懸浮脫氮數量，實現平滑升級，也是凝練出第三個技術升級改造路線，強化總氮處理效果。

第三個是MBBR的技術路線和工藝設計。我們確定技術路線核算生物膜面積，確定分區(qū)分級進行限制性校核。這個主要是說我們的填料填充率應該小于67%，滿足流化條件，不滿足就需要調整。再一個就是我們剛才關注的，就是表面負荷到底要怎么取值，實際上它是受溫度、填料的使用的區(qū)域、預處理情況、布置形式、有機物溶解氧、出水要求以及抑制性因素等多個因素共同影響。這一個取值建議根據工程經驗或者現場實測確定。

填料方面國內出臺水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料。規(guī)定了水處理常用填料有效比表面積和一些基本概念。在填料方面主要就是應該保障它的壽命，朝著有效比表面積更大方向發(fā)展。很多人關注曝氣，認為有填料曝氣量一定大，但實際研究來看，微孔、穿孔在滿足流化所需的最小曝氣量基本相當，氣水比涵蓋在污水廠正常生化所需要的氣道范圍內，懸浮填料流化無須額外曝氣。我們發(fā)現填料存在對氣泡有切割作用，同時填料可以延長氣泡停留時間，能夠延長它的溢出時間，兩個因素綜合起來可以提高它的氧轉移效率。隨著填充率提高，穿孔管曝氣優(yōu)勢越來越明顯。國內研究表明，當填充率大于30%時，穿孔和微孔曝氣效率比較接近，我們更推薦采用穿孔曝氣方式。

池型方面我們做了很多研究升級。最開始無錫蘆村的是一種循環(huán)流動池型，通過推流器強化它的流化；現在李村河污水廠采用微動力混合池型，它通過水力學條件綜合設置實現，這樣我們可以省去推流器，大概節(jié)約能耗8.3%，這一種池型國內有已經有近一百萬噸每天業(yè)績，是一個非常成熟技術。微動力混合池型可以看到整個系統(tǒng)沒有推流器，無論是進水端還是出水端，整個填料流化非常均勻，沒有出現任何堆積，我們參觀時可以看到。再比較一下我們的技術路線，很多人認為硝化不好應該投好氧，反硝化不好應該投缺氧，實際不盡然。好氧區(qū)投加填料，如果采用循環(huán)流動池型，能耗會增加8.3%，如果采用微動力混合池型8.3%的能耗就節(jié)約下來，整體能耗基本可以持平。一旦缺氧添加填料，能耗會隨著填充率增加逐步增加，這個能耗會更高一些。但這不是絕對的，因為我們是否在缺氧區(qū)投加填料需要有一些特定的應用背景，到底應用哪個技術路線進行升級要結合原來的曝氣系統(tǒng)，原來的碳源數量，而不是簡單的硝化不好投加好氧區(qū)，反硝化不好投加缺氧區(qū)，需要整體考量。

綜上總結，整個MBBR在國內升級改造的技術路線有三個，第一就是分割池容，投加好氧路線，第二就是好氧和缺氧都投加路線，第三個就是五段式路線。我們采用哪一種技術路線升級，需要結合我們的工藝條件，運行現況，出水標準，投資費用，運維成本因地制宜，不能一刀切一概而論。

經濟上由于整個MBBR的總體投資受水質影響很大，所以它的規(guī)律性并不強，均值是這一個水平，但實際可以看到曲線平滑，各個項目的差異性還是比較大的。運維費用上，像當時追蹤濟寧水廠改造前后的數據，改造后能耗0.3，比改造前略微增加，實際生化段能耗下降，能耗下降原因在前述中已經講過。李村河升級改造前后能耗有顯著下降，一方面是因為進水體量分母增大，再一個是我們微動力混合池型的應用降低了能耗。

最后談一談對這個的工藝反思，這一個工藝早期沒有推廣起來，失敗的原因主要還是流化失敗和攔截失敗。之所以失敗，是沒有一個系統(tǒng)化的思維，必須把填料、進出水設備和曝氣做系統(tǒng)化的設計，不能夠僅僅當成一個設備組合，水力學各方面和填料的搭配非常重要；再一個就是工程經驗，必須要有大量的工程經驗做支撐，這才能保證我們的工程應用成功。

MBBR發(fā)展應用于一體化設備，因為效果實在，要的不是裝置而是水質保證。所以MBBR的一體化設備具有系統(tǒng)靈活，效果穩(wěn)定，無人值守，管理方便，因地制宜特點。需要思考的是MBBR強化的處理效果是碳氮和部分的磷，污水處理廠要想實現全指標的保證，我們還需要和深度處理，砂濾，盤濾，深床，磁分離等結合確保出水達標。研究過程當中發(fā)現一些MBBR工藝中的比較有益的現象，李村河，團島等污水廠好氧區(qū)都存在同步硝化反硝化，這一部分的總碳去除占到15%以上，雖然設計沒有考慮，但15%的出現，有效減少運行能耗和外碳源投加，降低運行費用。今后這一個現象也是我們的研究重點，怎么把這個現象固化下來，成為我們設計的一部分。再一個是厭氧氨氧化上面的研究，由于它的菌種非常嬌貴，懸浮填料充當富集載體，效果也非常好。MBBR的發(fā)明人的概念廠技術路線，也是依據MBBR工藝和自養(yǎng)脫氮工藝建立起來的，這將是國內MBBR的發(fā)展方向。

最后介紹一下我們公司，我們是2006年成立，注冊資金6900萬，新三板高新技術企業(yè)。專注MBBR的建設。工程業(yè)績現在是近500萬噸每天，思普潤從成立開始跟MBBR結下不解之緣，專注11年。我們很早時就采用水質保障協議方式保證業(yè)主利益，就是說不達標可以不給我們錢，甚至我們體量達到三百萬噸時，公司都因為我們的協議保證而在墊資建設，這也是源于我們對自己工藝的信心。我們擁有完整的自主知識產權，發(fā)明專利，獲取國家省市的眾多獎項。我們李村河獲得水協張杰院士的審評，參與國家865的專項課題技術發(fā)展。今天就介紹到這里，謝謝大家。

主持人(中國市政工程華北設計研究總院有限公司 總工/教授級高工 鄭興燦 博士)：

最近十年思普潤在MBBR技術發(fā)展上做了很大貢獻。今天跟我們共享他們的經驗，工程經驗以及新的認知�？赡艽蠹乙郧罢J知有所不同，他們已經做到毫無保留。這是值得我們贊賞的。我們再次表示感謝。

主持人:中國市政工程華北設計研究總院有限公司 總工/教授級高工 鄭興燦 博士