一、MBBR同步硝化反硝化的机理1、同步硝化反硝化生物脱氮(SND)


同步硝化反硝化脱氮技术(SND)是在同一个反应器内同时产生硝化、反硝化和除碳反应。它突破了传统观点认为硝化和反硝化不能同时发生的认识，尤其是好氧条件下，也可以发生反硝化反应，使得同步硝化和反硝化成为可能。


硝化过程消耗碱度，反硝化过程产生碱度，SND故能够有效地保持反应器中pH值稳定，无需酸碱中和，无需外加碳源；节省反应器体积，缩短反应时间，通过降低硝态氮浓度可以减少二沉池污泥漂浮，因而SND成为生物脱氮的一个研究热点。对于SND生物脱氮的可行性，目前有以下主要三种从不同角度出发得出的观点：

宏观环境角度：


该观点认为完全均匀混合状态是不存在的，反应器内DO分布不均匀能够形成好氧、缺氧、厌氧区域，在同一生物反应器缺氧/厌氧环境条件下可以发生反硝化反应，联合区段内好氧环境中有机物去除和氨氮的硝化，SND是可以实现的。


微环境角度：


该观点认为微生物絮体内的缺氧微环境是形成SND的主要原因，即由于氧的扩散(传递)限制，微生物絮体内存在溶解氧梯度，从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境。


生物学角度：


该观点认为特殊微生物种群的存在被认为是发生SND的主要原因，有的硝化细菌除了能够进行正常的硝化作用还能够进行反硝化作用，有荷兰学者分离出既可进行好氧硝化，又可进行好氧反硝化的泛养硫球菌；还有一些细菌彼此合作，进行序列反应，把氨转化为氮气，为在同一反应器在同一条件下完成生物脱氮提供了可能。


目前对生物脱氮的微生物学研究和解释较多，但都不够完善，对SND现象的认识仍在发展与探索之中。微环境理论是被普遍接受的，由于溶解氧梯度的存在，微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高，以好氧硝化菌及氨化菌为主；深入内部，氧传递受阻及外部溶解氧大量的消耗而产生缺氧区，反硝化菌为优势菌种，故可导致同步硝化反硝化的发生。该理论解释了在同一反应器中不同菌种共同存在的问题，但也存在一个缺陷，即有机碳源问题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，污水中的有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于缺氧区的反硝化菌由于得不到电子供体而降低了反硝化速率，可能影响SND的脱氮效率，故同步硝化反硝化的机理仍需要进一步完善。


二、MBBR生物移动床同步硝化反硝化脱氮机理


MBBR是结合悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法的高效新型反应器，基本设计原理是将比重接近水、可悬浮于水中的悬浮填料直接投加到反应池中作为微生物的活性载体，悬浮填料能与污水频繁多次接触，逐渐在填料表面生长出生物膜(挂膜)，强化了污染物、溶解氧和生物膜的传质效果，即而MBBR被称为“移动的生物膜”。基于迄今SND机理研究，综合微环境和生物学理论，MBBR生物膜内SND可能存在的反应模式是，分布于生物膜好氧层的好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和好氧反硝化细菌与分布于生物缺氧层的厌氧氨氧化菌、自养型亚硝酸细菌和反硝化细菌相互协作，最终达到脱氮目的。


MBBR是依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态，进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜，充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性，不仅提供了宏观和微观的好氧和厌氧环境，还解决了自养硝化菌、异养反硝化菌与异养细菌的DO之争和碳源之争。故MBBR可实现硝化和反硝化两个过程的动力学平衡，具有同步硝化反硝化非常良好的条件，能实现MBBR同步硝化反硝化脱氮。


三、MBBR同步硝化反硝化的影响因素


实现MBBR同步硝化反硝化的关键技术是控制MBBR内硝化和反硝化的反应动力学平衡，解决自养硝化菌和异养细菌的DO之争及反硝化菌和异养细菌的碳源之争等，故实现其主要控制因素有：碳氮比、溶解氧浓度、温度和酸碱度等。


1、填料对MBBR法的影响


MBBR法的技术关键在于比重接近于水、轻微搅拌下易于随水自由运动的生物填料。通常填料由聚乙烯塑料制成，每一个载体的外形为直径10mm、高8mm的小圆柱体，圆柱体中有十字支撑，外壁有突出的竖条状鳍翅，填料中空部分占整个体积的0.95，即在一个充满水和填料的容器中，每一个填料中水占的体积为95%。考虑到填料旋转以及总容器容积，填料的填充比被定义为载体所占空问的比例，为了达到最好的混合效果，填料的填充比最大为0.7。理论上填料总的比表面积是按照每一单位体积生物载体比表面积的数量来定义的，一般为700㎡/m³。当生物膜在载体内部生长时，实际有效利用的比表面积约为500㎡/m³。


此类型的生物填料有利于微生物在填料内侧附着生长，形成较稳定的生物膜，并且容易形成流化状态。当预处理要求较低或污水中含有大量纤维物质时，例如在市政污水处理中不采用初沉池或者在处理含有大量纤维的造纸废水时，采用比表面积较小、尺寸较大的生物填料，当已有较好的预处理或用于硝化时，采用比表面积大的生物填料。


2、溶解氧(DO)对MBBR法的影响


DO浓度是影响同步硝化一反硝化的一个主要的限制因素，通过对DO浓度的控制，可使生物膜的不同部位形成好氧区或缺氧区，这样便具有了实现同步硝化一反硝化的物理条件。


从理论上讲，当DO质量浓度过于高时，DO能穿透到生物膜内部，使其内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，使得出水TN仍然很高；反之，如果DO浓度很低，就会造成生物膜内部很大比例的厌氧区，生物膜反硝化能力增强(出水硝氮和亚硝氮浓度都很低)，但由于DO供应不足，MBBR工艺硝化效果下降，使得出水氨氮浓度上升，从而导致出水TN上升，影响最终的处理效果。


通过研究最终得出了MBBR法处理城市生活污水DO的一个最佳值：当DO质量浓度在2mg/L以上时，DO对MBBR硝化效果的影响不大，氨氮的去除率可达97%-99%，出水氨氮都能保持在1.0mg/L以下；DO质量浓度在1.0mg/L左右时，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮浓度有明显上升。另外，曝气池内DO也不宜过高，溶解氧过高能够导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污泥易于老化，结构松散。此外，DO过高，过量耗能，在经济上也是不适宜的。


因为MBBR法主要是通过悬浮填料来实现最终的污水处理，所以DO对悬浮填料的影响也是影响整个处理结果的关键。有研究表明反应器的充氧能力在一定范围内随着悬浮填料填充率的增大而增大。在曝气的作用下，水随填料一起流化，水流紊动程度较无填料时大，加速了气液界面的更新和氧的转移，使氧的转移速率提高。随着填料数量的增多，填料、气流和水流三者之间的这种切割作用和紊动作用不断加强。但加入填料量为60%时，填料在水中的流化效果变差，水体紊动程度也降低，使得氧的传递速率下降，氧的利用率降低。所以针对不同类型的水质，控制好DO的量对整个工艺最终的处理结果是至关重要的。


3、水力停留时间对MBBR工艺的影响


合适的水力停留时间(HRT)是确保净化效果和工程投资经济性的重要控制因素。水力停留时间的长短将直接影响到水中有机物与生物膜的接触时间，进而影响微生物对有机物的吸附和降解效率，所以针对不同的污水类型找出经济而合理的HRT是非常关键的问题之一。


另外还有试验结果表明：在中低氨氮负荷条件下，随HRT的减少，氨氮填料表面负荷逐步升高，同时去除率维持原有水平或有一定增长；当氨氮负荷升至高水平后，随着HRT的减少，氨氮去除率逐步降低。这些针对HRT的实验研究结果为今后MBBR法的推广应用奠定了基础，但同时也有许多需要改进之处，比如试验只是单纯的考虑HRT本身的影响，没有把其他因素与HRT的关系有机的结合起来，在研究中将HRT和其他因素有机的结合起来进行探讨，不仅找到实验最重要的影响因素，同时实验过程中各因素之间的相互影响、相互制约关系也得到了很好地体现。所以针对影响因素的研究我们需要更全面更综合的考虑。


4、水温对MBBR法的影响


在影响微生物生理活动的各项因素中，温度的作用非常重要。温度适宜，能够促进、强化微生物的生理活动；温度不适宜，能够减弱甚至破坏微生物的生理活动。温度不适宜还能够导致微生物形态和生理特性的改变，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最适温度是指在这一温度条件下，微生物的生理活动强劲、旺盛，表现在增殖方面则是裂殖速度快、世代时间短。


MBBR法主要是通过生物膜中各种类型微生物的新陈代谢来达到对污水中有机污染物的降解，所以生物膜生长的好坏将直接关系到废水处理的最终结果，尤其对于硝化菌、反硝化菌而言，它们的生长周期长，且对环境的变化非常敏感，硝化菌的适宜温度是20℃-30℃，反硝化菌的适宜温度是20℃-40℃，温度低于15℃时，这两类细菌的活性均降低，5~C是完全停止，所以温度的变化将直接影响这类细菌的生长。相关实验结果表明，氨氮填料表面负荷的变化基本与水温的变化趋势一致。水温低时填料表面负荷低，水温高时填料表面负荷约达到水温低时的15倍。由此可见，硝化细菌受温度影响大，低温条件下活性较弱。


5、pH值对MBBR法的影响


微生物的生理活动与环境的酸碱度密切相关，只有在适宜的酸碱度条件下，微生物才能进行正常的生理活动。pH值过大的偏离适宜数值，微生物的酶系统的催化功能就会减弱，甚至消失。不同种属的微生物生理活动适应的pH值，都有一定的范围，在这一范围内，还可分为最低pH值、最适pH值和最高pH值。在最低或最高的pH环境中，微生物虽然能够成活，但生理活动微弱，易于死亡，增殖速率大为降低。


参与污水生物处理的微生物，一般最佳的pH值范围，介于6.5-8.5之间。MBBR法作为生物膜法与活性污泥法相结合的工艺，同样依赖于微生物的生长以达到有机物降解的目的。所以保持微生物最佳pH范围是取得良好污水处理效果的必要条件，当污水(特别是工业废水)的pH值变化较大时，需要考虑设调节池，使污水的pH值调节到适宜范围后再进行曝气。


6、其他因素对MBBR法的影响


根据每一个具体试验条件的不同，还会有许多不同的影响因素。如气水比一般控制在(3～4)，这样的气量能使反应器中的填料均匀地循环转动起来；浊度也需要控制在一定范围内，相关研究结果表明：浊度大使得某些悬浮物容易覆盖在生物膜的表面，阻碍生物氧化作用的进行，导致处理效率大幅下降，同时还容易造成填料堵塞，另外整个实验对进水浊度和出水浊度进行了检测，进水浊度为17.6-160NTU，出水浊度为18.1-142NTU，结果发现中试装置对浊度基本没有去除效果，出水浊度随着进水浊度的变化而变化，所以我们需要严格控制好进水浊度的量；COD容积负荷对去除率也有很大的影响，研究表明COD容积负荷为0.48-2.93kg/(m3•d)的范围内对COD的去除率基本稳定在60%-80%。


在相同的水力停留时间下COD的去除率随负荷呈正比增加趋势，这是因为当进水COD浓度较低时微生物降解有机物的速率也较小，其降解能力不能充分发挥，当进水COD浓度增大时促进了生物膜微生物的生长，提高了降解速率，故对COD去除率得到了提高。以上各因素都会对污水处理造成不同程度的影响，此外还有营养物质、有毒物质等，如果这些物质过多的偏离微生物生长需要，就会对污水处理的最终结果产生影响。我们须根据具体的条件和要求来确定哪一个因素是主要影响MBBR法的最终结果。


四、MBBR生物脱氮应用现状和前景


MBBR不仅建设周期短、投资省、运行费用低、管理简单方便和集中与分散处理皆适宜，而且工艺运行稳定可靠，抗冲击负荷能力强，是一种经济高效的污水处理工艺。国外学者针对MBBR对有机物的去除及脱氮除磷的机理和影响因素有较为深入的研究，且在城市生活污水、小型污水厂深度处理的设计，已有超负荷运转的活性污泥处理系统的改造，垃圾渗滤液处理，造纸和食品工业废水等水处理已有较广泛的应用。在国内低浓度生活污水、少数工业废水及污水深度处理回用等工程治理中也对MBBR有少量的应用，MBBR作为脱氮工艺的处理单元，并对MBBR生物硝化特性、反硝化特性研究。


具有能耗低、投资省、池容小及容易保持pH值等诸多优势，加之处于活性污泥法和固定生物膜法之间的MBBR移动床生物膜反应器逐渐得到应用，MBBR同步硝化反硝化生物脱氮技术具有广阔的市场空间，这也赋予了MBBR同步硝化反硝化生物脱氮研究的现实意义。


基于目前的研究，应对MBBR同步硝化反硝化的作用机理和动力学模型做更深一步的探索；对MBBR同步硝化反硝化运行条件、影响因素进行进一步研究，为生物膜间的好氧细菌、厌氧细菌及异养细菌等细菌提供良好的代谢条件；加强特殊菌种的筛选，提高MBBR系统脱氮效率，为MBBR同步硝化反硝化生物脱氮技术的应用做好理论准备。