一、MBBR同步硝化反硝化的機理

1、同步硝化反硝化生物脫氮（SND）

同步硝化反硝化脫氮技術(SND)在同一反應器內同時產生硝化、反硝化和除碳反應。突破了傳統觀點認為硝化和硝化不能同時發生的認識，特別是在好氧條件下，也可以發生硝化反應，可以同步硝化和硝化。

硝化過程消耗堿度，硝化過程產生堿度，SND能有效保持反應器中的pH值穩定，不需要酸堿中和，節約不需要增加碳源的反應器體積，縮短反應時間，降低硝態氮濃度SND生物脫氮的可行性，目前主要從三個角度出發

宏觀環境角度:該觀點認為完全均勻混合狀態不存在，反應器內DO分布不均勻可形成好氧、缺氧、厭氧區域，在同一生物反應器缺氧/厭氧環境條件下可發生反硝化反應，聯合區域內好氧環境中有機物去除和氨氮硝化

微環境視角:該視角認為微生物棉內缺氧微環境是形成SND的主要原因，即由于氧的擴散(傳遞)的限制，微生物棉內存在溶解氧梯度，形成有助于同步硝化反硝化的微環境。

從生物學的角度來看，特殊微生物種群的存在被認為是SND發生的主要原因，硝化細菌不僅可以進行正常的硝化作用，還可以進行硝化作用，荷蘭學者可以分離好氧硝化，也可以進行好氧反硝化的泛養硫球菌

目前，生物脫氮的微生物學研究和解釋較多，但不完善，對SND現象的認識仍在發展和探索中。微環境理論被普遍接受，由于溶解氧梯度的存在，微生物棉體和生物膜的外表面溶解氧濃度高，以好氧硝化菌和氨化菌為主的深入內部，氧的傳遞受到外部溶解氧的大量消耗的阻礙，產生缺氧區，硝化菌為優勢菌種，同步硝化該理論解釋了同一反應器中不同菌種共同存在的問題，但也存在有機碳源問題的缺陷。有機碳源是異養反硝化的電子供應體，也是硝化過程中的抑制物質，污水中的有機碳源在經過好氧層時，首先被好氧氧化，處于缺氧區的反硝化菌因無法得到電子供應體而降低反硝化速度，可能影響SND的脫氮效率，因此同步硝化反硝化的機理還需要進一步完善。

2、MBBR生物移動床同步硝化反硝化脫氮機理

MBBR是結合懸浮生長的活性污泥法和附著生長的生物膜法的高效新型反應器，基本設計原理是將比重接近水，懸浮在水中的懸浮填充劑直接投入反應池作為微生物的活性載體，懸浮填充劑與污水頻繁接觸，在填充劑表面生長生物膜(懸浮膜)，強化了污染物、溶解氧和生物膜的傳質效果根據目前為止SND機理研究，綜合微環境和生物學理論，MBBR生物膜內SND可能存在的反應模式，分布在生物膜好氧層的好氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌和好氧反硝化菌和分布在生物缺氧層的厭氧氨氧化菌、自養型亞硝酸細菌和反硝化細菌相互配合，最終達到脫氮的目的。

MBBR依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用使載體處于流化狀態，進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜，充分發揮附著相和懸浮相生物兩者的優勢，不僅提供宏觀和微觀的好氧和厭氧環境，還解決了自營硝化菌、異營硝化菌和異營菌的DO爭奪和碳源爭奪。因此，MBBR可以實現硝化和個過程的動力學平衡，具有同步硝化非常好的條件，可以實現MBBR同步硝化。

二、MBBR同步硝化反硝化的影響因素。

實現MBBR同步硝化反硝化的重要技術是控制MBBR內硝化和反硝化反應動力學平衡，解決自營硝化菌和異營細菌的DO之爭和反硝化菌和異營細菌的碳源之爭等，實現其主要控制因素有碳氮比、溶解氧濃度、溫度和酸堿度等。

1.填充劑對MBBR法的影響

MBBR法的技術重要的是比重接近水，輕微攪拌容易隨水自由運動的生物填充劑。通常填充材料是由聚乙烯塑料制成的，各載體的形狀為直徑10mm、高8mm的小圓柱體，圓柱體中有十字支撐，外壁有突出的垂直條狀翅膀，填充材料的中空部分占整個體積的0.95，即在充滿水和填充材料的容器中，每個填充材料中的水占95%。考慮到填充劑的旋轉和總容器容積，填充劑的填充比被定義為載體所占的空問的比例，為了達到最好的混合效果，填充劑的填充比最大為0.7。理論上，填充劑的總面積是根據各單位體積生物載體比表面積的數量定義的，一般為700m2/m3。生物膜在載體內部生長時，實際有效利用的比表面積約為500m2/m3。

這種生物填充劑有助于微生物在填充劑內側生長，形成比較穩定的生物膜，容易形成流化狀態。預處理要求低或污水中含有大量纖維物質時，如市政污水處理中不采用初沉池或含有大量纖維的造紙廢水時，采用比表面積小、尺寸大的生物填充劑，已有較好的預處理或硝化時，采用比表面積大的生物填充劑。

2、溶氧(DO)對MBBR法的影響

DO濃度是影響同步硝化的主要限制因素，通過控制DO濃度，可以在生物膜的不同部位形成好氧區和缺氧區，具有實現同步硝化的物理條件。

理論上，DO質量濃度過高時，DO可以滲透到生物膜內部，使其內部難以形成缺氧區域，大量氨氮被氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，出水TN仍然很高，相反，DO濃度低時，生物膜內部大比例厭氧區域，生物膜反硝化能力增強(出水硝氮和亞硝氮濃度低)，但由于DO供應不足，MBR工藝硝化效果下降，出水氨氮濃度上升，出水TN上升，影響最終處理效果。

研究表明，MBR法處理城市生活污水DO的最佳值:DO質量濃度在2mg/L以上時，DO對MBR硝化效果的影響不大，氨氮的去除率達到97%-99%，出水氨氮保持在1.0mg/L以下的DO質量濃度在1.0mg/L左右時，氨氮的去除率在84%左右，出水氨氮濃度明顯上升。另外，曝氣池內的DO也不能過高。溶解氧過高，有機污染物分解過快，微生物營養不足，活性污泥容易老化，結構松散。另外，DO過高，能源消耗過多，經濟上也不合適。

MBBR法主要是通過懸浮填充材料實現最終污水處理，DO對懸浮填充材料的影響也是影響整個處理結果的關鍵。研究表明，反應器的充氧能力在一定范圍內隨著懸浮填充率的增大而增大。在曝氣的作用下，水隨填充劑一起流化，水流的紊亂程度比沒有填充劑時大，加快了氣液界面的更新和氧的轉移，提高了氧的轉移速度。隨著填充劑數量的增加，填充劑、氣流和水流三者之間的這種切割作用和紊亂作用不斷加強。但是，填充量為60%時，填充劑在水中的流化效果變差，水體的紊亂程度也下降，氧的傳遞速度下降，氧的利用率下降。因此，對于不同類型的水質，控制DO的數量對整個過程的最終處理結果至關重要。

3、水力停留時間對MBBR工藝的影響

適當的水力停留時間(HRT)是確保凈化效果和工程投資經濟性的重要控制因素。水力停留時間的長短直接影響水中有機物與生物膜的接觸時間，影響微生物對有機物的吸附和分解效率，因此對不同的污水類型尋找經濟合理的HRT是非常重要的問題之一。

另外還有試驗結果表明：在中低氨氮負荷條件下，隨HRT的減少，氨氮填料表面負荷逐步升高，同時去除率維持原有水平或有一定增長；當氨氮負荷升至高水平后，隨著HRT的減少，氨氮去除率逐步降低。這些針對HRT的實驗研究結果為今后MBBR法的推廣應用奠定了基礎，但同時也有許多需要改進之處，比如試驗只是單純的考慮HRT本身的影響，沒有把其他因素與HRT的關系有機的結合起來，在研究中將HRT和其他因素有機的結合起來進行探討，不僅找到實驗最重要的影響因素，同時實驗過程中各因素之間的相互影響、相互制約關系也得到了很好地體現。所以針對影響因素的研究我們需要更全面更綜合的考慮。

4、水溫對MBBR法的影響

在影響微生物生理活動的各項因素中，溫度的作用非常重要。溫度適宜，能夠促進、強化微生物的生理活動；溫度不適宜，能夠減弱甚至破壞微生物的生理活動。溫度不適宜還能夠導致微生物形態和生理特性的改變，甚至可能使微生物死亡。而微生物的最適溫度是指在這一溫度條件下，微生物的生理活動強勁、旺盛，表現在增殖方面則是裂殖速度快、世代時間短。

MBBR法主要是通過生物膜中各種類型微生物的新陳代謝來達到對污水中有機污染物的降解，所以生物膜生長的好壞將直接關系到廢水處理的最終結果，尤其對于硝化菌、反硝化菌而言，它們的生長周期長，且對環境的變化非常敏感，硝化菌的適宜溫度是20℃-30℃，反硝化菌的適宜溫度是20℃-40℃，溫度低于15℃時，這兩類細菌的活性均降低，5~C是完全停止，所以溫度的變化將直接影響這類細菌的生長。相關實驗結果表明，氨氮填料表面負荷的變化基本與水溫的變化趨勢一致。水溫低時填料表面負荷低，水溫高時填料表面負荷約達到水溫低時的15倍。由此可見，硝化細菌受溫度影響大，低溫條件下活性較弱。

5、pH值對MBBR法的影響

微生物的生理活動與環境的酸堿度密切相關，只有在適宜的酸堿度條件下，微生物才能進行正常的生理活動。pH值過大的偏離適宜數值，微生物的酶系統的催化功能就會減弱，甚至消失。不同種屬的微生物生理活動適應的pH值，都有一定的范圍，在這一范圍內，還可分為最低pH值、最適pH值和最高pH值。在最低或最高的pH環境中，微生物雖然能夠成活，但生理活動微弱，易于死亡，增殖速率大為降低。

參與污水生物處理的微生物，一般最佳的pH值范圍，介于6.5-8.5之間。MBBR法作為生物膜法與活性污泥法相結合的工藝，同樣依賴于微生物的生長以達到有機物降解的目的。所以保持微生物最佳pH范圍是取得良好污水處理效果的必要條件，當污水(特別是工業廢水)的pH值變化較大時，需要考慮設調節池，使污水的pH值調節到適宜范圍后再進行曝氣。

6、其他因素對MBBR法的影響

根據每一個具體試驗條件的不同，還會有許多不同的影響因素。如氣水比一般控制在(3～4)，這樣的氣量能使反應器中的填料均勻地循環轉動起來；濁度也需要控制在一定范圍內，相關研究結果表明：濁度大使得某些懸浮物容易覆蓋在生物膜的表面，阻礙生物氧化作用的進行，導致處理效率大幅下降，同時還容易造成填料堵塞，另外整個實驗對進水濁度和出水濁度進行了檢測，進水濁度為17.6-160NTU，出水濁度為18.1-142NTU，結果發現中試裝置對濁度基本沒有去除效果，出水濁度隨著進水濁度的變化而變化，所以我們需要嚴格控制好進水濁度的量；COD容積負荷對去除率也有很大的影響，研究表明COD容積負荷為0.48-2.93kg/(m3•d)的范圍內對COD的去除率基本穩定在60%-80%。

在相同的水力停留時間下COD的去除率隨負荷呈正比增加趨勢，這是因為當進水COD濃度較低時微生物降解有機物的速率也較小，其降解能力不能充分發揮，當進水COD濃度增大時促進了生物膜微生物的生長，提高了降解速率，故對COD去除率得到了提高。以上各因素都會對污水處理造成不同程度的影響，此外還有營養物質、有毒物質等，如果這些物質過多的偏離微生物生長需要，就會對污水處理的最終結果產生影響。我們須根據具體的條件和要求來確定哪一個因素是主要影響MBBR法的最終結果。

3、MBBR生物脫氮應用現狀和前景

MBBR不僅建設周期短、投資省、運行費用低、管理簡單方便和集中與分散處理皆適宜，而且工藝運行穩定可靠，抗沖擊負荷能力強，是一種經濟高效的污水處理工藝。國外學者針對 MBBR對有機物的去除及脫氮除磷的機理和影響因素有較為深入的研究，且在城市生活污水、小型污水廠深度處理的設計，已有超負荷運轉的活性污泥處理系統的改造，垃圾滲濾液處理，造紙和食品工業廢水等水處理已有較廣泛的應用。在國內低濃度生活污水、少數工業廢水及污水深度處理回用等工程治理中也對MBBR有少量的應用，MBBR作為脫氮工藝的處理單元，并對MBBR生物硝化特性、反硝化特性研究。

具有能耗低、投資省、池容小及容易保持 pH 值等諸多優勢，加之處于活性污泥法和固定生物膜法之間的MBBR移動床生物膜反應器逐漸得到應用，MBBR同步硝化反硝化生物脫氮技術具有廣闊的市場空間，這也賦予了 MBBR 同步硝化反硝化生物脫氮研究的現實意義。

 

 

基于目前的研究，應對 MBBR 同步硝化反硝化的作用機理和動力學模型做更深一步的探索; 對 MBBR 同步硝化反硝化運行條件、影響因素進行進一步研究，為生物膜間的好氧細菌、厭氧細菌及異養細菌等細菌提供良好的代謝條件; 加強特殊菌種的篩選，提高MBBR系統脫氮效率，為 MBBR 同步硝化反硝化生物脫氮技術的應用做好理論基礎！