【PPT+視頻】彭永臻團(tuán)隊(duì)-城市污水厭氧氨氧化脫氮研究
【PPT+視頻】彭永臻團(tuán)隊(duì)-城市污水厭氧氨氧化脫氮研究
近年來,隨著氮、磷有機(jī)物排放量的急劇增加,有效降低廢水中氮、磷濃度已成為現(xiàn)代廢水處理領(lǐng)域的研究開發(fā)和應(yīng)用熱點(diǎn)。這是一份25頁的PPT，對(duì)城市污水厭氧氨氧化脫氮進(jìn)行了詳細(xì)的研究，我們來看一下彭永臻院士團(tuán)隊(duì)的研究成果（最下方附有相應(yīng)的演講視頻）。
來源：第十一屆中國(guó)城鎮(zhèn)水務(wù)大會(huì) 水世界訂閱號(hào)
視頻：張樹軍-城市污水厭氧氨氧化脫氮技術(shù)研究
附件：
MBBR近十年的發(fā)展和應(yīng)用
原創(chuàng)2017-09-28吳迪中國(guó)給水排水
題目：MBBR近十年的發(fā)展和應(yīng)用
報(bào)告人： 青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司 副總經(jīng)理 吳迪 博士
主持人(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 總工/教授級(jí)高工 鄭興燦 博士)：下面有請(qǐng)青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司吳迪博士/副總經(jīng)理，就MBBR工藝近十年的發(fā)展和應(yīng)用給我們作介紹。
吳迪：各位領(lǐng)導(dǎo)，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(gè)機(jī)會(huì)跟各位專家一起分享一下MBBR近十年的發(fā)展和應(yīng)用。這個(gè)技術(shù)起源挪威，上世紀(jì)90年代主要在歐美國(guó)家發(fā)展應(yīng)用，當(dāng)時(shí)在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有50多個(gè)國(guó)家、300多座污水廠應(yīng)用此工藝技術(shù)。MBBR技術(shù)于2000年初引入國(guó)內(nèi)，引入初期出現(xiàn)一些失敗案例，這也延緩了這個(gè)工藝在國(guó)內(nèi)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(diǎn)，比如填料流化的重要性、篩網(wǎng)攔截、填料堆堵等問題，另外沒有跟國(guó)內(nèi)實(shí)際情況相結(jié)合也是導(dǎo)致出現(xiàn)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(gè)技術(shù)才真正在國(guó)內(nèi)開啟了工程化應(yīng)用的先河。這是因?yàn)閷?duì)上述MBBR出現(xiàn)的問題有了科學(xué)的認(rèn)知，采取了一些折中和妥協(xié)辦法，探索了一些創(chuàng)新技術(shù)，凝練了延用至今升級(jí)改造路線——以鑲嵌理念，進(jìn)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(bǔ)足，采用循環(huán)流動(dòng)池型等等。
MBBR在國(guó)內(nèi)近十年市政污水的應(yīng)用上涵蓋廣泛，此技術(shù)可以應(yīng)用于提標(biāo)改造、新建污水廠的各種工藝、各種體量、眾多復(fù)雜水質(zhì)處理的出水標(biāo)準(zhǔn)。就現(xiàn)在國(guó)內(nèi)報(bào)道來看，總的MBBR工藝應(yīng)用體量已經(jīng)超過1000萬噸/天，文獻(xiàn)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(xiàng)目填料投加量甚至小于2%，這時(shí)候很難說MBBR在處理過程中能起到主導(dǎo)或保障性作用。MBBR工藝也有廣泛的應(yīng)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(yīng)用。
為什么MBBR在提標(biāo)改造當(dāng)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(diǎn)內(nèi)容，以上是第一部分介紹了MBBR的起源和發(fā)展概況。
第二個(gè)是介紹MBBR的工藝原理與再認(rèn)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(shù)已經(jīng)發(fā)展百年，所以我們總習(xí)慣拿活性污泥法跟MBBR工藝作比較。實(shí)際它跟活性污泥法有聯(lián)系也有區(qū)別。首先說聯(lián)系方面，它們的動(dòng)力來源相同，好氧階段都是通過爆氣實(shí)現(xiàn)，MBBR技術(shù)的泥膜負(fù)荷工藝有污泥回流，運(yùn)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(gè)單泥齡系統(tǒng)；MBBR工藝是一個(gè)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(shí)現(xiàn)增殖恢復(fù)，在缺氧段又受到抑制；而MBBR是一個(gè)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(qiáng)沖擊來臨時(shí)，整個(gè)的菌群系統(tǒng)不受影響，沖擊過后整個(gè)系統(tǒng)的效能能很快恢復(fù)。再一個(gè)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(shí)硝化功能就不受溶解氧影響，此時(shí)是一個(gè)零級(jí)反應(yīng)；而MBBR工藝可以看到隨著溶解氧的增加有兩個(gè)明顯區(qū)域，不同溶解氧水平下不光有零級(jí)反應(yīng)，也有一級(jí)反應(yīng)的區(qū)間。綜上所述我們認(rèn)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(zhì)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(rèn)為懸浮填料是增加和持留有效生物量、強(qiáng)化處理效果，而不僅僅是認(rèn)為就是增加了MLSS。
在此基礎(chǔ)之上我們有幾個(gè)問題在這里探討一下。第一個(gè)就是設(shè)計(jì)依據(jù)是什么，發(fā)展方向是什么，關(guān)注點(diǎn)是什么。首先設(shè)計(jì)依據(jù)方面，我們做了不同的一些研究，包括不同的水質(zhì)、不同的投加區(qū)域和培養(yǎng)條件。結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)它的生物量差別很大，沒有一個(gè)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(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)它的硝化速率比較穩(wěn)定。所以認(rèn)為采用表面膜負(fù)荷作為設(shè)計(jì)依據(jù)更為科學(xué)。
再一個(gè)就是關(guān)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(huì)有效減少生物膜面積和過水?dāng)嗝�，相關(guān)研究表明1毫米的表面張力可以撐起14毫米的水柱，這時(shí)候沒有一個(gè)強(qiáng)烈的流化狀態(tài)很難讓溶解氧傳質(zhì)進(jìn)去，所以認(rèn)為單純?cè)龃笊锪坎⒉皇且粋�(gè)正確理念方式。我們?nèi)芙庋蹩梢源┩傅幕|(zhì)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(huì)導(dǎo)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)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?cè)黾由锬ず穸炔焕谏锬さ恼８隆?/span>
再一個(gè)就是解釋一下為什么生物膜長(zhǎng)泥齡的菌群會(huì)掛在填料上面。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，填料百分之百填充運(yùn)行半年時(shí)，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(shí)際工程里，我們發(fā)現(xiàn)填料的掛膜時(shí)間都很短，只要滿足一個(gè)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(yīng)該按照膜面負(fù)荷設(shè)計(jì)，這是正確的發(fā)展方向。
MBBR是料上膜不是料間膜，泥齡很長(zhǎng)，通過水力剪切動(dòng)態(tài)更新泥齡而不是通過反沖洗�，F(xiàn)在很多應(yīng)用中MBBR用于強(qiáng)化總氮去除的功能，并且是在原池內(nèi)分割池體實(shí)現(xiàn)，而不是另外再新建生化池體，這是第一個(gè)技術(shù)路線。MBBR應(yīng)用的第二個(gè)技術(shù)路線是缺氧和好氧均投加懸浮填料強(qiáng)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)化處理，由于它繼承生物膜法特質(zhì)，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(rèn)為是一種有活性污泥法外衣和生物膜法內(nèi)涵的復(fù)合工藝。
我們的填料的處理能力和表面負(fù)荷、比表面積和填充率相關(guān)。當(dāng)我們將一代填料按照45%的填充率填充時(shí)，MBBR達(dá)到跟傳統(tǒng)活性污泥法基本相當(dāng)?shù)南趸芰�。如果我們采用更大比表面積填料、更大填充率，它的負(fù)荷將有更大提升，這就使得我們工藝新建的時(shí)候能夠節(jié)約占地，在改造的時(shí)候可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)提標(biāo)。青島李村河就是這樣一個(gè)工程案例，2010年進(jìn)行第一次提標(biāo)改造時(shí)，增加了MBBR區(qū)域；2015年由于需要提量進(jìn)行了第二次升級(jí)改造，原有的基礎(chǔ)之上重新劃分內(nèi)部功能區(qū)增加后置反硝化，形成五段式結(jié)構(gòu)，再就是擴(kuò)大MBBR區(qū)域，增加懸浮脫氮數(shù)量，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，也是凝練出第三個(gè)技術(shù)升級(jí)改造路線，強(qiáng)化總氮處理效果。
第三個(gè)是MBBR的技術(shù)路線和工藝設(shè)計(jì)。我們確定技術(shù)路線核算生物膜面積，確定分區(qū)分級(jí)進(jìn)行限制性校核。這個(gè)主要是說我們的填料填充率應(yīng)該小于67%，滿足流化條件，不滿足就需要調(diào)整。再一個(gè)就是我們剛才關(guān)注的，就是表面負(fù)荷到底要怎么取值，實(shí)際上它是受溫度、填料的使用的區(qū)域、預(yù)處理情況、布置形式、有機(jī)物溶解氧、出水要求以及抑制性因素等多個(gè)因素共同影響。這一個(gè)取值建議根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定。
填料方面國(guó)內(nèi)出臺(tái)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(yīng)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(guān)注曝氣，認(rèn)為有填料曝氣量一定大，但實(shí)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(dāng)，氣水比涵蓋在污水廠正常生化所需要的氣道范圍內(nèi)，懸浮填料流化無須額外曝氣。我們發(fā)現(xiàn)填料存在對(duì)氣泡有切割作用，同時(shí)填料可以延長(zhǎng)氣泡停留時(shí)間，能夠延長(zhǎng)它的溢出時(shí)間，兩個(gè)因素綜合起來可以提高它的氧轉(zhuǎn)移效率。隨著填充率提高，穿孔管曝氣優(yōu)勢(shì)越來越明顯。國(guó)內(nèi)研究表明，當(dāng)填充率大于30%時(shí)，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(jí)。最開始無錫蘆村的是一種循環(huán)流動(dòng)池型，通過推流器強(qiáng)化它的流化；現(xiàn)在李村河污水廠采用微動(dòng)力混合池型，它通過水力學(xué)條件綜合設(shè)置實(shí)現(xiàn)，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(guó)內(nèi)有已經(jīng)有近一百萬噸每天業(yè)績(jī)，是一個(gè)非常成熟技術(shù)。微動(dòng)力混合池型可以看到整個(gè)系統(tǒng)沒有推流器，無論是進(jìn)水端還是出水端，整個(gè)填料流化非常均勻，沒有出現(xiàn)任何堆積，我們參觀時(shí)可以看到。再比較一下我們的技術(shù)路線，很多人認(rèn)為硝化不好應(yīng)該投好氧，反硝化不好應(yīng)該投缺氧，實(shí)際不盡然。好氧區(qū)投加填料，如果采用循環(huán)流動(dòng)池型，能耗會(huì)增加8.3%，如果采用微動(dòng)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(huì)隨著填充率增加逐步增加，這個(gè)能耗會(huì)更高一些。但這不是絕對(duì)的，因?yàn)槲覀兪欠裨谌毖鯀^(qū)投加填料需要有一些特定的應(yīng)用背景，到底應(yīng)用哪個(gè)技術(shù)路線進(jìn)行升級(jí)要結(jié)合原來的曝氣系統(tǒng)，原來的碳源數(shù)量，而不是簡(jiǎn)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(jié)，整個(gè)MBBR在國(guó)內(nèi)升級(jí)改造的技術(shù)路線有三個(gè)，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(gè)就是五段式路線。我們采用哪一種技術(shù)路線升級(jí)，需要結(jié)合我們的工藝條件，運(yùn)行現(xiàn)況，出水標(biāo)準(zhǔn)，投資費(fèi)用，運(yùn)維成本因地制宜，不能一刀切一概而論。
經(jīng)濟(jì)上由于整個(gè)MBBR的總體投資受水質(zhì)影響很大，所以它的規(guī)律性并不強(qiáng)，均值是這一個(gè)水平，但實(shí)際可以看到曲線平滑，各個(gè)項(xiàng)目的差異性還是比較大的。運(yùn)維費(fèi)用上，像當(dāng)時(shí)追蹤濟(jì)寧水廠改造前后的數(shù)據(jù)，改造后能耗0.3，比改造前略微增加，實(shí)際生化段能耗下降，能耗下降原因在前述中已經(jīng)講過。李村河升級(jí)改造前后能耗有顯著下降，一方面是因?yàn)檫M(jìn)水體量分母增大，再一個(gè)是我們微動(dòng)力混合池型的應(yīng)用降低了能耗。
最后談一談對(duì)這個(gè)的工藝反思，這一個(gè)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(gè)系統(tǒng)化的思維，必須把填料、進(jìn)出水設(shè)備和曝氣做系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，不能夠僅僅當(dāng)成一個(gè)設(shè)備組合，水力學(xué)各方面和填料的搭配非常重要；再一個(gè)就是工程經(jīng)驗(yàn)，必須要有大量的工程經(jīng)驗(yàn)做支撐，這才能保證我們的工程應(yīng)用成功。
MBBR發(fā)展應(yīng)用于一體化設(shè)備，因?yàn)樾Ч麑?shí)在，要的不是裝置而是水質(zhì)保證。所以MBBR的一體化設(shè)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(diǎn)。需要思考的是MBBR強(qiáng)化的處理效果是碳氮和部分的磷，污水處理廠要想實(shí)現(xiàn)全指標(biāo)的保證，我們還需要和深度處理，砂濾，盤濾，深床，磁分離等結(jié)合確保出水達(dá)標(biāo)。研究過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)一些MBBR工藝中的比較有益的現(xiàn)象，李村河，團(tuán)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(shè)計(jì)沒有考慮，但15%的出現(xiàn)，有效減少運(yùn)行能耗和外碳源投加，降低運(yùn)行費(fèi)用。今后這一個(gè)現(xiàn)象也是我們的研究重點(diǎn)，怎么把這個(gè)現(xiàn)象固化下來，成為我們?cè)O(shè)計(jì)的一部分。再一個(gè)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(dāng)富集載體，效果也非常好。MBBR的發(fā)明人的概念廠技術(shù)路線，也是依據(jù)MBBR工藝和自養(yǎng)脫氮工藝建立起來的，這將是國(guó)內(nèi)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(cè)資金6900萬，新三板高新技術(shù)企業(yè)。專注MBBR的建設(shè)。工程業(yè)績(jī)現(xiàn)在是近500萬噸每天，思普潤(rùn)從成立開始跟MBBR結(jié)下不解之緣，專注11年。我們很早時(shí)就采用水質(zhì)保障協(xié)議方式保證業(yè)主利益，就是說不達(dá)標(biāo)可以不給我們錢，甚至我們體量達(dá)到三百萬噸時(shí)，公司都因?yàn)槲覀兊膮f(xié)議保證而在墊資建設(shè)，這也是源于我們對(duì)自己工藝的信心。我們擁有完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，發(fā)明專利，獲取國(guó)家省市的眾多獎(jiǎng)項(xiàng)。我們李村河獲得水協(xié)張杰院士的審評(píng)，參與國(guó)家865的專項(xiàng)課題技術(shù)發(fā)展。今天就介紹到這里，謝謝大家。
主持人(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 總工/教授級(jí)高工 鄭興燦 博士)：
最近十年思普潤(rùn)在MBBR技術(shù)發(fā)展上做了很大貢獻(xiàn)。今天跟我們共享他們的經(jīng)驗(yàn)，工程經(jīng)驗(yàn)以及新的認(rèn)知�？赡艽蠹乙郧罢J(rèn)知有所不同，他們已經(jīng)做到毫無保留。這是值得我們贊賞的。我們?cè)俅伪硎靖兄x。
主持人:中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 總工/教授級(jí)高工 鄭興燦 博士
