移动床生物膜和活性污泥组合的BAS工艺

移动床生物膜和活性污泥组合的BAS工艺

牛学义
（安能国际（Anoxkaldnes），北京100028）

　　摘要：本文介绍了MBBR移动床生物膜和活性污泥组合工艺（BAS工艺），该工艺可处理进水COD较高或营养物缺乏污水，BAS工艺占地省、运行稳定、污染物处理效率高、可大幅度降低生物污泥产量和减少出水营养物的排放。
　　关键词：MBBR工艺；活性污泥工艺，BAS工艺；营养物缺乏

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

　　移动床生物膜污水处理工艺（MBBR/Moving Bed Biofilm Reactor)是Anoxkaldnes在上世纪80年代研究开发的发明专利技术，使用该工艺的第一个城市污水处理厂建成于1989年，从此该工艺极其与其它工艺的组合工艺已经成功的在世界上47个国家500多座城市和工业污水处理厂得到应用。

1 MBBR-活性污泥组合工艺（BAS工艺）

　　BAS两段生物处理工艺是移动床生物膜工艺(MBBR)和传统活性污泥工艺（Activated Sludge）的组合工艺（见图1）。该工艺有机地结合了MBBR移动床生物膜工艺和活性污泥工艺的优点，使整个系统达到很高的处理效率。

图1 MBBR和传统活性污泥的组合工艺(BAS工艺)

2 BAS工艺的特点

　　通过在近百座市政、造纸、石化、制药、食品等行业污水处理的应用，证明了BAS具有以下特点，
　　① BAS工艺处理进水COD浓度高污水时，位于活性污泥生物处理段的MBBR生物池，虽然占整个生物处理池的体积只有1/4-1/6，可因其生物量在30000～40000mg/L以上，COD处理率可高达50-70％，从而可大幅度减轻后续活性污泥生物段的体积和污泥负荷，节省60%以上的占地。
　　② 极耐进水毒物和高负荷冲击，冲击后一般在1-3天内系统的生物处理功能即可全部恢复^[1]；保证了最终出水的稳定性。
　　③ 大幅度降低活性污泥段的生物污泥产量，生物污泥的产率是单纯活性污泥工艺的50%以下；另一方面，活性污泥段出水絮体生物污泥密实度大，絮体菌多，丝状菌少，避免了污泥膨胀现象的发生，易于脱水和处置，进一步减少了污泥处理费。
　　④可有效处理进水中缺乏营养物（N或P等）的污水，大幅度减少生物处理所需的营养物添加量，也有效保证N/P出水指标，节约运行成本。
　　⑤易于现有污水处理的扩容和升级改造。在现有污水处理厂生物池的前段增加占地较少的MBBR生物处理段后，不仅可大大改善现有污水处理厂的出水稳定性，降低污泥产量，还可成倍的增加现有污水处理厂的处理能力和改善出水水质。
　　⑥^[1]易于降解某些工业污水中较难生物降解的有机物。在BAS工艺中，MBBR生物膜处理段的容积负荷在4kg COD/m³.d或2 kgBOD/ m³.d以上。由于MBBR生物处理段在高有机负荷下对COD的去除率很高，导致后续活性污泥段污泥负荷大幅度降低（大约0.15kgBOD/kgTSS.d以下）；另一方面，由于两段总的污泥产量较少，所以和同样生物池容的单纯传统活性污泥工艺相比，BAS工艺活性污泥段的污泥停留时间（SRT）相当长（可达10天以上），结果可间接导致一些工业污水中需要较长泥龄才能降解有机物（如EDTA螯合剂）的去除。

3 BAS工艺降低污泥产率原因探讨

3.1 BAS工艺低污泥产率机理
　　在活性污泥工艺中，低F/M（食物/微生物）比值条件、低营养物（N或/P）和低溶解氧环境等因素都能够引起丝状菌过度生长^[2]，虽然可通过在活性污泥池前面经常增加高负荷的生物选择器来抑制低F/M（食物/微生物）丝状菌的生长；但生物选择器不能控制营养物缺乏导致的丝状菌引起的污泥膨胀和过度粘稠物质（多聚糖）的产生。在BAS工艺中，活性污泥池前高COD负荷和高处理效率的MBBR生物膜处理段，可在污水进入活性污泥段前很快的将易生物降解的有机物去除，并进而控制活性污泥段丝状菌的生长。
　　通过对应用BAS工艺污水处理厂生物污泥的运行观察和研究^[3]发现，MBBR生物膜处理段产生的大量粘稠多聚糖物质在后续的活性污泥段将被几乎全部的去除。在MBBR生物膜段，易生物降解的可溶性有机物被降解，一部分被氧化成CO₂和水，另一部分转化成生物量[约0.3kgTSS/（去除kgCOD）]；MBBR出水的生物量可作为后续活性污泥段内微生物的营养物，从而导致生物有机体、粘稠多聚糖等物质进一步在活性污泥段内的生物降解；在活性污泥段内的转化过程中，每消耗1kg生物膜MBBR段产生的生物量可产生新的生物量约为0.2kgTSS/（消耗kgTSS）；所以经整个两段生物系统处理后产生的易生物降解COD的污泥产率综合为0.06kgTSS/（去除kgCOD）[ 0.3kgTSS/（去除kgCOD）×0.2kgTSS/（消耗kgTSS）]；和单纯活性污泥工艺相比，BAS工艺的生物污泥量大幅度减少。在单纯活性污泥工艺中，易生物降解COD被转化为氧化成CO₂、水和生物量后污泥产率约为0.25kgTSS/（去除kgCOD）左右。
3.2 BAS工艺处理营养物缺乏污水的优势
　　各种微生物类群在降解污水中污染物、进行生化反应和自身生长繁殖等生理活动的过程中需要营养物质，以保证正常的新陈代谢活动，并维持污水处理系统中微生物种类的动态平衡和生物活性；如污水中缺乏P、N等营养物质，污水生物处理系统中的许多微生物类群的生化反应将被抑制，营养敏感性微生物类群的活性和微生物污染物的降解能力下降，整个处理系统的微生物类群、生物活性、类群和数量将被改变，引起低营养型微生物（如丝状菌）的过量增殖和污泥膨胀现象，严重影响整个工艺的正常运行。
　　所以，在单纯的活性污泥工艺中营养物质的合理比例是影响活性污泥微生物正常生长代谢，保障污水处理工艺稳定运行的关键因素。通常认为活性污泥微生物的正常生化处理应满足BOD5:N:P=100:5:1，但许多工业污水（如造纸、食品加工、酿酒、制药、皮革和石化等行业的污水）都存在P、N等营养物质缺乏的问题。P、N等营养物质的不足不但会引起活性污泥工艺运行中最麻烦的污泥膨胀、COD处理效率低、污泥沉降性能差、出水SS高等问题，还会导致整个生物处理系统的崩溃。虽然在一些情况下可通过添加足够的P、N等营养物质来控制或恢复生物体统的正常运行，但会加大运行的成本，控制也十分麻烦，加量过多对出水水质又有不利影响。
　　BAS工艺的污水处理厂运行发现^[3]，当进水营养比为BOD:N:P=200:5:0.5（甚至更低）的条件下，BAS工艺不但不会发生污泥膨胀，而且活性污泥具有很好的沉降性；和单纯的活性污泥工艺相比，可大量的降低生物污泥产量，并且并不会因此而降低有机物的去除率。其机理是：在BAS工艺处理营养物缺乏性的污水时，营养物缺乏可诱导粘稠多聚糖的产生和增加了MBBR所产生的剩余污泥可进一步生物降解的可能性；MBBR生物膜池产生的大量粘稠生物量，本来对污泥沉降很不利，但在后续的活性污泥段将大部分作为微生物的能源而被消耗掉；从而减少了总的生物污泥的产量，出水中营养物质（P/N等）的含量也大幅度减少。

4 BAS低污泥产率运行实例

4.1 Stora Enso Hylte造纸厂
　　瑞典Stora Enso Hylte造纸厂纸产量为825000吨/年，进水中缺乏N和P，2002年该厂使用BAS工艺对原单段污水处理厂进行了改造；处理工艺包括粗格栅、初沉池、细格栅、MBBR生物膜生物处理池（2组，每组体积2500m³）、活性污泥曝气池（2组，每组体积7500 m³）、加药系统和二沉池等，MBBR生物池填料的填充率为40%。
　　改造后造纸污水的平均进水量为20000 m³/d，MBBR段和活性污泥段的水力停留时间分别为6h，18h，COD设计平均负荷为50t/d（最大为82t/d）。表1为Stora Enso Hylte污水处理厂设计情况。

表1： Stora Enso Hylte污水处理厂设计情况（平均处理量：20000 m³/d）

设计参数 进水值 MBBR处理段 活性污泥段 处理率或出水水质要求 COD负荷（ 50 (最高82) 50 (最高82) 20 (最高41) COD浓度（mg/l） 2500-3500 91%去除率 BOD5浓度（mg/l） 1000-1800 99％去除率 HRT（h） 6 18 温度(℃ 37－40 37－40 DO（mg/l） 2－3 1.5-2 SS（mg/l） 4000-6000 50 泥龄（天） 7-10 TN（mg/l） 4.7 TP（mg/l） 0.3

　　2002年9月起18个月的运行结果如下:
　　该污水厂在开始运行的18个月内，进水COD负荷在11-69吨/日之间变化（平均值为49吨/日）；在MBBR生物膜处理段COD第1个月的去除率为60%，运行期间的平均去除率为57%；活性污泥处理段COD的平均去除率为72%，总的BAS生物两段处理的平均去除率：为88%(57%+(1-57%)*72%=88%)BOD总的去除率为97%－99.5％，平均值为99%。
　　下表为起始18个月内的运行结果。

表2 Stora Enso Hylte造纸厂起始18个月内的运行结果

运行测试参数

去除率或出水水质

MBBR处理段

活性污泥段

总去除率或出水水质

COD去除率

57％

31％

88％

BOD去除率

平均99% (波动范围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(波动范围10-40)

污泥产量（kg TSS/kg COD去除）

平均值为0.12 kg TSS/kg COD去除(波动范围0.04-0.27)

　　每去除1kgCOD产生污泥量为0.04-0.27( kg TSS/kgCOD)，在运行调试和运行优化的80天内污泥产量最高，其后的18个月内的平均产泥率为0.12kg TSS/kgCOD，且活性污泥皆成紧密的絮凝块状，沉降性能很好。
4.2 美国Phillips炼油污水处理厂
　　Phillips炼油污水处理厂由于污水量增加和出水NH₄-N要求浓度标准的提高，原有单段活性污泥池不再能满足出水标准，污水处理厂又没有新场地建新生物池，所以Phillips石化公司决定采用Anoxkaldnes公司的MBBR与活性污泥工艺组合的BAS工艺对其进行改造，将现有一絮凝池改造成MBBR段，处于活性污泥池前端，MBBR池设计参数见表3。

表3： Phillips炼油污水处理厂MBBR段设计参数

设计参数

单位

MBBR处理段

流量

m³/天

19,680

BOD5进水负荷

kg/天

3,018

MBBR体积

m³

1,927 m³

填料填充率

30%

BOD5 容积负荷

kgBOD/ m³/d

1.57

BOD生物膜面积单位负荷

gBOD/ m²/d

10.4

水力停留时间

h

2.35

　　MBBR后续的生物活性污泥处理池的水力停留时间为7.05h，主要用于完成硝化去除NH4-N的功能。
　　 1999年3月开始试运行，到1999年12月期间MBBR段的生物膜单位面积COD负荷平均为21,51 g BOD/ m²/d，MBBR段的COD去除率为62%以上，下表4为1999年从四月起BAS工艺的运行情况：

表4 Phillips炼油污水处理厂BAS工艺1999年运行情况

月份

进水水量

MBBR段主要去除COD

活性污泥段主要去除NH₄-N

进水COD

出水COD

进水NH₄-N

出水NH₄-N

（m³/d）

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

4

22,480

386.2

57.8

12.42

1.15

5

23,048

386.4

49.9

8.09

0.59

6

20,247

283.3

46

13.29

0.74

7

19,491

257.1

64.1

11.5

0.46

8

19,983

293.8

53

8.78

0.51

9

17,750

289.2

47.8

7.94

0.51

10

16,198

373.4

59.2

11.36

1.85

11

16,652

324.2

52.2

10.56

0.99

12

15,706

368.5

64.9

15.08

1.15

5 结论

　　BAS工艺对有机物处理效率高，占地省，应用灵活，适于污水处理厂的新建和升级改造；BAS工艺用于处理高浓度有机污水或营养物缺乏污水，可大幅度降低活性污泥段的生物污泥产量，是我国现在城市和工业污水处理厂建设和升级改造过程中，应推广和探讨的工艺。

参考文献

[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.生物选择器的作用机理和设计方法[J].中国给水排水，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

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作者：安能国际北京代表处首席代表，高级工程师，从事污水处理技术和水务运营方面的工作

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