兼氧FMBR工艺介绍
兼氧FMBR工艺介绍
1.1 兼氧FMBR工艺原理介绍
兼氧FMBR处理工艺是一种将膜分离技术与生物处理单元相结合的污水处理工艺，近年来倍受关注。兼氧FMBR工艺对生活污水、高浓度有机污水、难降解有机污水具有非常高的处理效率，本项目是生活污水，污水污染物含量高、可生化性好，非常适宜采用本处理工艺。兼氧FMBR系统示意见下图：
图1 兼氧FMBR系统示意图
兼氧FMBR工艺实现菌体共生，同步处理不同污染物，大幅提高系统适应能力、处理效率。
C----有机污泥“零”排放（低能耗）
P----气化除磷降解（低能耗）
N----厌氧氨氧化脱氮（低能耗）
突破好氧MBR工艺（能耗高、易堵膜）的瓶颈
兼氧FMBR的主要特点：
兼氧FMBR污泥以兼性厌氧菌为主，有机物的降解主要是通过形
成较高浓度的污泥在兼性厌氧性菌作用下完成的。大分子有机污染物是被逐步降解为小分子有机物，最终氧化分解为二氧化碳和水等稳定的无机物质。
由于兼性厌氧菌的生成不需要溶解氧的保证，所以降低了动力消耗。曝气的主要作用是对膜丝进行冲刷、震荡，同时产生的溶解氧正好被用来氧化部分小分子有机物和维持出水的溶解氧值。
a）兼氧FMBR工艺对CODcr的去除
兼性厌氧微生物在有氧的条件下，将污水中的一部分有机物用于合成新的细胞，将另一部分有机物进行分解代谢以便获得细胞合成所需的能量，其最终产物是CO2和H2O等稳定物质。在合成代谢与分解代谢过程中，溶解性有机物（如低分子有机酸等）直接进入细胞内部被利用，而非溶解有机物则首先被吸附在微生物表面，然后被胞外酶水解后进入细胞内部被利用。
b）兼氧FMBR工艺对氮的去除
在兼氧FMBR处理工艺系统中，兼有通过以下三种途径完成对氮的去除：
I硝化-反硝化
膜区曝气气提作用，反应器内形成循环流动，使水在好氧区和缺氧区循环交替流动，形成好氧、缺氧连续交替不断的生物降解作用，在好氧条件下利用污水中硝化细菌将氮化物转化为硝酸盐，然后在缺氧条件下利用污水中反硝化细菌将硝酸盐还原成气态氮。在同一个反应器内实现了硝化反硝化。
图3-3 膜区曝气原理示意图
同时在兼氧FMBR池内污泥浓度较高，活性污泥粒径较大，在活性污泥粒内部形成厌氧区，在活性污泥粒外表面形成好氧区，从而使硝化菌和反硝化菌同时工作，形成同步硝化反硝化。
II 短程硝化-反硝化
兼氧FMBR工艺污泥泥龄接近无限长的条件下，硝化过程出现明显的短程硝化反硝化现象，氨氮向硝酸盐转化受抑制，亚硝酸盐大量积累，实现短程硝化反硝化效果。
短程硝化反硝化就是将硝化过程控制在N02-阶段，组织NO2-进一步氧化为NO3-，直接以NO2-作为电子最终受氢体进行反硝化，这一过程相当于将传统的硝化过程中从NO2-转化为NO3-与反硝化过程中再将NO3-转化为NO2-这两个过程省去，反硝化菌直接将亚硝氮还原为氮气。工艺利用硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率，即在操作温度30~35℃下，亚硝化细菌的生长速率明显高于硝化细菌的生长速率，亚硝化细菌的最小停留时间小于硝化细菌，从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶
段，同时通过缺氧环境达到反硝化的目的。
III 厌氧氨氧化
在兼氧FMBR系统在一定条件下，硝化作用产生大量的NO2-累积，厌氧氨氧化菌首先将NO2-转化成NH2OH，再以NH2OH为电子受体将NH4+氧化生成N2H4；N2H4转化成N2，并为NO2-还原成NH2OH 提供电子，实验中有少量NO2-被氧化成NO3-。由于实现了短程硝化、厌氧氨氧化作用，减少了供氧，大幅降低曝气能耗和反硝化所需碳源，从而实现了高效脱氮目的。在实施上，不仅要优化营养条件和环境条件，促进厌氧氨氧化菌的生长，同时要设法改善菌体的沉降性能并改进反应器的结构，促使功能菌有效持留。
厌氧氨氧化涉及的化学反应为：
NH2OH + NH3 → N2H4 + H2O
N2H4 → N2 + 4[H]
HNO2 + 4[H] → NH2OH + H2O
c）实现了气化除磷
污水除磷技术主要有化学除磷和生物除磷，化学除磷药剂用量大，产生的化学污泥多，运行成本高；生物除磷需通过排泥实现，存在剩余污泥处理难题，近年来，利用膜生物反应器强化生物脱氮除磷越来越受重视。污水处理系统中的磷，除了传统理论中磷只能在固体形态和溶解形态之间转化以外，还存在一种新的转化形式，即磷的化合物向气态磷化氢的转化。
国内外已有文献探讨和研究气化除磷途径对磷的有效去除：1988年Devai等人首次发现了在污水处理系统中的磷循环中磷损失达
30%~45%，并证实其中25%~50%是以气态磷化氢的形式进入大气的；随后，随着分析方法和检测手段的提高，特别是1993年Gassmann 等人采用GC-FPD检测技术，通过毛细管色谱柱和低温冷阱富集GC-NPD检测技术，使沉积物中磷化氢的检测限达到0.1ng，证明了磷化氢是水环境中普遍存在的一种磷的化合物形式；Eisman1997年的研究表明磷化氢的产生是一种微生物为媒介的过程；Rutishauser 等人（1999年）观察了在污水处理厂污泥浓缩池上部的污泥中的磷化氢的形成，他们接种杀毒后的污泥以及将污泥加入到补充了甲醛或氯化汞的媒介中时完全得不到磷化氢，证明了磷化氢形成的动力学遵循典型的微生物生长曲线，磷源和碳源的交替影响促进了磷化氢的形成；Jenkins等人（2000）测得有一些厌氧微生物可以产生磷化氢；刘志培等人（2004）测得污水处理厂初次沉淀池中污泥磷化氢含量为21307.4ng/kg，并且提出了磷化氢的产生在污水除磷中有一定的作用，这就对原有污水处理系统中磷的转化途径提出了重要的补充，认为污水处理系统中的磷不仅存在于液相和固相中，而且其中的一部分以气体的形式逸出；
所有这些研究表明，磷化氢已经成为一种不可忽视的磷的气态形式，同时反映了磷的又一迁移转化的重要途径，即向气态迁移的途径，为传统的磷只能在土体形态和溶解形态之间转化的理论提出了重要的补充。
关于磷化氢产生的机理，目前的研究还很少，生物学上认为在有机物(碳源)、无机磷酸盐等共同作用下，在兼性厌氧菌作用下合成了
微生物细胞物质，形成有机磷化合物，由于氨基酸在生物体内分解产生含C—P 键的磷脂，兼性厌氧菌在利用磷脂化合物时，使C—P 键断裂，从而生成磷化氢气体；动力学上认为磷的化合物还原成磷化氢的过程是需要能量的，这部分能量可以由生物体内储存的ATP 水解获得。因此，生物学以及动力学为磷的化合物向气态磷化氢的转化提供了解释。
图2 磷转化机理
兼氧FMBR 工艺中在特性菌在兼性条件下将污水当中磷转化为气态的PH 3，该生物气化除磷途径完全不同于传统的生物除磷工艺，是一种全新的高效低耗生物除磷新工艺。类似自然现象中某些场合下磷被转化为气体磷化氢的现象，如自然界中的“鬼火”现象，稻田、沼泽、氧化沟中的磷损失现象等。由于PH 3非常不稳定，曝气过程中瞬间氧化为磷的氧化物被带入空气中，进入磷的自然生态循环，达到从污水中去除的目的，开辟了国际公认的生物排泥除磷和化学除磷之外又一除磷新途径。
国内外研究均证明具有一种全新的除磷途径———气化除磷，兼氧FMBR 工艺是第一个将该途径应用到工程实例当中，并且在大量工程案例中的成功运用。
d ） 兼氧FMBR 工艺对SS 的去除
污水厂出水中悬浮物浓度不仅涉及到出水SS 指标，出水中的污水+无机磷酸盐
兼性厌氧菌
合成 微生物细胞
（有机磷）
兼性厌氧菌 代谢 P 2H 4/PH 3
CODcr、BOD5、PO4-P等指标也与之相关。因为采用MBBR工艺处理生活污水组成出水悬浮物的主要成分是活性污泥絮体，其本身的有机成分就高，而有机物本身就含磷，因此较高的出水悬浮物含量会使得出水的CODcr、BOD5、PO4-P增加。
由于膜的高效分离作用，分离效果远好于传统沉淀池，处理出水极其清澈，悬浮物和浊度接近与零，与此同时细菌和病毒被大幅去除。污水当中的颗粒，如胶体、固体颗粒、病毒、细菌、隐性孢子等被过滤掉，因此保证了过滤后的出水，不含任何悬浮物，长期保持高质量，可以直接使用。因此兼氧FMBR工艺是具备深度处理功能。
e）污水污泥同步处理（有机污泥零排放）
兼氧FMBR技术在实现污水处理回用的同时，实现了有机污泥的大幅度减量，实现有机剩余污泥零排放，成功解决了剩余污泥处置难题。
F/M比是影响污泥增值的重要因素，低F/M将使得生化系统中污泥处于高度内源呼吸相，进入系统有机基质最终被内源呼吸而代谢成为二氧化碳、水及少量无机盐。
新增有机物在兼性厌氧菌的作用下一部分被分解为小分子有机物，继而被氧化分解为CO2、H2O等无机物；另一部分被合成为细胞。在低污泥负荷条件下，该细胞作为营养物在兼性厌氧菌作用下一部分又被分解为小分子有机物，继而又被氧化分解为CO2、H2O等无机物；另一部分又被合成为新细胞。依此类推，在低污泥负荷条件下，该新细胞又作为营养物在兼性厌氧菌的作用下继续作分解与合成的代谢，
直至细胞最后全部代谢为CO2、H2O等无机物。由下图可见，从整个分解、合成代谢的过程来看，有机物已被彻底代谢，系统内有机污泥没有富集增长。
图3 兼性厌氧菌对有机物的分解与合成及产物示意图当系统内新增细胞等于代谢速率时，有机污泥零增长。通过长期实验，监测出当污泥自身消化与增殖达到动态平衡时，系统内的污泥负荷基本维持在0.02~0.06kg（COD）/kg（MLSS·d）之间。进水有机污染物浓度高，新增细胞多，代谢速率高，MLVSS升高；反之，进水有机污染物浓度低，新增细胞少，代谢速率低，MLVSS降低。由于膜生物反应器能够将细菌截留下来，污泥浓度随进水浓度可以在比较宽的范围内波动，确保系统能在0.05~0.1kg（COD）/kg（MLSS·d）这个污泥负荷下运行，实现有机剩余污泥近零排放。且通过不排泥方式的运行，可以维持较长污泥龄，抑制了丝状菌的增殖，解决了不排泥情况下的污泥膨胀问题。
兼氧FMBR技术自推广应用以来，已城镇污水、工业污水、养殖污水等上千项工程中得到成功应用，并有大量案例在实际运用中证明兼氧FMBR处理工艺处理生活污水在正常稳定运行的过程中不需排放有机剩余污泥。
1.2 兼氧FMBR工艺专利及荣誉
兼氧FMBR工艺入选四部委发布《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》中城镇污水治理首推技术。
图4 《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》
图5 兼氧FMBR入选十二五重大成果
图6 兼氧FMBR入选十二五重大成果
图7 中国发明专利证书
图8 美国发明专利证书
图9 中国发明专利证书
图10 中国膜工业协会科学技术一等奖
图11 亚洲水协创新大奖
1.3 兼氧FMBR工艺工程案例
1．八景镇3000吨/天污水处理工程
高安市八景镇污水处理工程处理规模3000吨/天，为重点示范工程，其污水经过处理后，稳定达到国家《城市污水再生利用·城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准要求，出水直接中水回用于工程周边地区绿化、冲厕、道路冲洗等，为八景镇污水处理实现环境效益与经济效益双丰收。
八景镇污水处理工程现场图
2．城市水系保护—大连凌水河
凌水河位于大连市区西南郊凌水镇，沿河附近居民生活污水未经处理直接排入凌水河，导致凌水河受污染严重，成为多年来给周边居民的工作生活带来很大困扰的“污水沟”。大连市政府通过调研最终确定凌水河流域治理项目采用兼氧FMBR处理工艺，该工艺突破了传统污水治理工艺，形成了治理生态化、运营低碳化、污水资源化的环保创新理念。膜技术污水处理器与传统污水处理设备相比，最大的突破就是实现了污泥的近零排放和同步除磷、除氮，排放质量稳定达标，且安装灵活，节省建设用地，运行费用低。
该项目耗时3个多月，处理规模4000m3/d。污水通过截污进入兼氧FMBR处理系统，处理后出水达城市污水再生利用水质标准，出水作为生态补充水进入凌水河，凌水河一改以往臭气熏天的状况，变得清澈透明，附近居民生活有了很大的改观。
设备安装过程安装完成现场
出水效果景观项目视频监控
河道治理前
河道治理后
3．湖泊面源污染控制—洱海
大理市洱海沿岸村落因紧邻湖区或入湖河道，其居民生活污水、养殖废水等通过农灌沟或沿地表间接或直接排入洱海，给洱海水环境保护带来严重的压力。
“问渠那得清如许，为有源头活水来”。为有效解决大理市洱海沿岸村落污水污染问题，大理州委、州政府审时度势，将大理市百村村落污水收集处理系统工程作为洱海保护治理计划的重要内容之一。该项目涉及大理市环洱海10个镇105个重点村落，通过重重筛选，最终确定采用兼氧FMBR膜技术污水处理器。
本工程实施后，洱海流域沿湖村落污水得到有效收集与处置，其入湖污染负荷将明显减少，这将有效改善洱海水源水质，遏制洱海水体富营养化发展。
本项目一期在7个乡镇建设40座村落污水处理厂已经完成，于2013年8月10日开工，2013年12月31日竣工，一期规模6175m3/d。
洱海周边设施布点图
下图为部分点安装完成后现场
喜洲镇上关村50吨/天大理镇才村码头50吨/天
大理镇感通养殖场20吨/天银桥镇马久邑凤北200吨/天
上关镇大营村150吨/天银桥镇富美邑村150吨/天