PCG填料技術(shù)研究性能說(shuō)明
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
MBBR工藝是移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)英文的縮寫，起源于20 世紀(jì)70年代，是一種新型污水處理技術(shù)，旨在強(qiáng)化生化池深度脫氮除磷，實(shí)現(xiàn) 經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，廣泛應(yīng)用于污水廠提標(biāo)、提量改造。自 1989 年挪威 Stensholt 市政污水廠工 程首次應(yīng)用MBBR以來(lái)，至今全球已有超過(guò)600座污水處理廠采用MBBR工藝。2000 年初，MBBR從國(guó)外引進(jìn)國(guó)內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)研究和部分項(xiàng)目的使用，受限于當(dāng)時(shí)相關(guān)技術(shù)不成熟，出現(xiàn)過(guò)失敗案例， 使得MBBR工藝的國(guó)內(nèi)推廣受阻。直到 2008 年，MBBR首次成功應(yīng)用于無(wú)錫蘆村污水處理廠，突破了MBBR實(shí)際應(yīng)用中包括流化與攔截在內(nèi)的一系列工程問(wèn)題，增加了行業(yè)對(duì)MBBR的信心，MBBR在國(guó)內(nèi)開始大規(guī)模推廣，應(yīng)用規(guī)模超過(guò) 8
00 × 104m3/d且每年遞增。
雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行了大量研究，MBBR工藝作為成熟的污水生物處 理技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用。但因其獨(dú)有的特點(diǎn)，仍是污水處理 領(lǐng)域開發(fā)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。針對(duì)目前廢水污染物種類繁多的現(xiàn)狀，對(duì)其的研究主要集中在對(duì)懸浮填料的改性、以及與其他工藝相結(jié)合等。
懸浮填料是 MBBR 工藝的核心，它作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，它的性能可直接影響到該工藝的掛膜能力、生物膜生長(zhǎng)情況 以及對(duì)污染物的處理效果。如今 ，盡管填料的種類非常豐富，但有時(shí)仍需對(duì)填料的材質(zhì)、表面性質(zhì)或者結(jié)
構(gòu)進(jìn)行必要的改性，以使其能夠更好地滿足特定的需求。有學(xué)者通過(guò)添加能促進(jìn)生物酶催化的納米材料對(duì)填料進(jìn)行改性后，形成的生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定生物量多，而且對(duì)氨氮有較好的去除效果。又有研究表明采用可生物降解的材料制作填料，發(fā)現(xiàn)改性后的填料的掛膜速率更快，并在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化脫氮。 關(guān)于通過(guò)聚氨酯泡沫填料的表面進(jìn)行改性以增加其親水性，提高掛膜能力的研究同樣層出不窮。此外也有對(duì)填料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，如通過(guò)向傳統(tǒng)塑料填料中添加海綿來(lái)改變?cè)盍系慕Y(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化其掛膜和處理能力。
目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上流通的可作為MBBR的填料主要分為，多孔型載體和凝膠型載體（非多孔體）兩大類。多孔型載體以廉價(jià)易得的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛，例舉有，聚烯烴材質(zhì)多孔體（聚乙烯/聚丙烯），聚氨酯多孔體及纖維素多孔體等。這類填料設(shè)計(jì)為多孔構(gòu)造以增加其比表面積負(fù)載更多生物總量，但聚烯烴和聚氨酯多孔體本為疏水性材質(zhì)，水中流動(dòng)性差，缺乏生物親和力，常常事與愿違。纖維素多孔體雖為親水但極容易被微生物所侵蝕分解，受用壽命極短。另一類凝膠類載體例舉有，聚丙烯酰胺凝膠，聚乙二醇凝膠，聚乙烯醇凝膠，海藻酸凝膠等，凝膠類載體具有高保水性能，生物親和力極高，可包埋菌落，但價(jià)格極高且強(qiáng)度極差，在應(yīng)用中需要投入大量的成本，而且極其容易受到破損，影響系統(tǒng)整體運(yùn)行造成經(jīng)濟(jì)損失。
考慮經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，多數(shù)工程案例中會(huì)選擇機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的高密度聚乙烯作為填料的基礎(chǔ)材質(zhì)，但同樣在運(yùn)行中，其有限的比表面積限制了工藝本身的進(jìn)步，同時(shí)不斷地刮擦對(duì)其他設(shè)備造成的損害仍然有待解決。
PCG懸浮填料技術(shù)性能說(shuō)明
PCG懸浮填料是我團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年高分子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)累積耗時(shí)數(shù)年研究開發(fā)的一種自帶鎖水基團(tuán)極具親水性能的高分子凝膠狀多孔體，其密度接近于水，生物親和力極強(qiáng)，優(yōu)良的通氣結(jié)構(gòu)保證了作為生物載體時(shí)內(nèi)外傳質(zhì)的通暢性，獨(dú)特的墻體骨架增加了比表面積為微生物提供了優(yōu)良的棲息空間的同時(shí)使其耐磨性增強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)久。
1 PCG懸浮填料技術(shù)特點(diǎn)
l 親水性，只需10秒潤(rùn)濕，幾乎瞬間與水親和，掛膜更快流化更均勻
l 通氣性，98%的連通性大尺寸氣孔使反應(yīng)器中氣、水、固相之間的傳質(zhì)跟有效率且不易堵塞
l 龐大的比表面積，微生物附著量大，較小的填充比例下可實(shí)現(xiàn)高效的生物處理
l 抗磨損物理性能強(qiáng)，具有超強(qiáng)度高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在強(qiáng)破壞性試驗(yàn)下表現(xiàn)優(yōu)越。
2 PCG懸浮填料與同類產(chǎn)品的比對(duì)
PCG軟質(zhì)懸浮填料與同類產(chǎn)品對(duì)比
比較項(xiàng)目 | PCG 多孔凝膠填料 | 國(guó)產(chǎn)改性 聚氨酯填料 | 德國(guó)產(chǎn)改性 聚氨酯填料 | 日本產(chǎn)聚氨酯 多孔凝膠填料 |
比表面積（m2/m3） | 約4000 （遇水膨脹狀態(tài)無(wú)法測(cè)量） | 300~700 | 本體：2500 （內(nèi)藏活性炭粉末后：20000） | 約3000 （遇水膨脹狀態(tài)無(wú)法測(cè)量） |
空隙率% | 98 | 80 | 75~90 | 98 |
反應(yīng)池填充率% | 15~30 | 30~70 | 15~30 | 30~70 |
潤(rùn)濕性 | 10秒 | 3個(gè)月 | 2天~3個(gè)月 | 10秒 |
完成掛膜時(shí)間 | 7~10天 | 數(shù)月 | 7天~數(shù)月 | 7~10天 |
無(wú)機(jī)添加物 | 無(wú) | 有/無(wú) | 有 | 有 |
10mm尺寸24h 強(qiáng)磨損殘存率 | 92% | 0% （粉末狀） | 64.1% | 86.1% |
使用壽命 | 10年以上 | 1~2年 | 10年以上 | 10年以上 |
國(guó)內(nèi)業(yè)績(jī)數(shù)量 | ★★ | ★★★★★ | ★ | ★ |
價(jià)格比對(duì) | ★★★ | ★★ | ★★★★★ | ★★★★ |
3 PCG-20懸浮填料抗磨損物理性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告
A. 試驗(yàn)目的
通過(guò)磨損性試驗(yàn)對(duì)比PCG以及其他海綿載體物理強(qiáng)度之優(yōu)劣。為日后在水處理載體的選擇及使用上，提供數(shù)據(jù)的參考。
B. 試驗(yàn)對(duì)象
B.1 PCG-20水處理多孔凝膠載體 （水膨脹后20mm白色立方體）
B.2 普通水處理海綿載體 （20mm黃色立方體）
C. 試驗(yàn)方法
C.1 準(zhǔn)備1000ml容器，容器內(nèi)壁貼有180#防水砂紙，加水400ml備用。
C.2 取試驗(yàn)對(duì)象樣品各5個(gè)。
C.3 投入容器內(nèi)，加入特制攪拌器，以400rpm的條件下攪拌。
C.4 使投入之載體在攪拌下不斷強(qiáng)烈摩擦，24小時(shí)后，取出進(jìn)行殘存量的重量測(cè)定，觀測(cè)結(jié)果。
D. 試驗(yàn)結(jié)果（24h）
D.1 PCG-20水處理多孔凝膠載體 （20mm白色立方體） 殘存率 82.2%
D.2 普通水處理海綿載體 （20mm黃色立方體） 殘存率 0% （粉末狀無(wú)法檢出）
E. 試驗(yàn)對(duì)比照片
載體抗磨損性能試驗(yàn)實(shí)施裝置
PCG-20載體實(shí)施抗磨損性試驗(yàn)前 PCG-20載體實(shí)施抗磨損性試驗(yàn)24H后
某公司海綿載體實(shí)施抗磨損性試驗(yàn)前 某公司海綿載體實(shí)施抗磨損性試驗(yàn)24H后
PCG-20載體實(shí)施抗磨損性試驗(yàn)24H前后對(duì)比 某公司海綿載體實(shí)施抗磨損性試驗(yàn)24H前后對(duì)比
4 PCG懸浮填料技術(shù)參數(shù)
項(xiàng) 目 | 參 數(shù) |
材質(zhì)類型 | 聚氨酯多孔凝膠 |
規(guī)格形狀 | 10mm-30mm立方體 |
比表面積 | ＞3000m2/m3 |
孔隙率 | 98% |
投配率 | 15%~70% |
潤(rùn)濕時(shí)間 | 10秒 |
掛膜時(shí)間 | 3~7天 |
硝化效率 | 600~1250gNH3-N/m3/d(至氧轉(zhuǎn)化極限) |
BOD5氧化效率 | 1000~5000gBOD/m3/d(至氧轉(zhuǎn)化極限) |
COD氧化效率 | 1000~7500gCOD/m3/d(至氧轉(zhuǎn)化極限) |
生物附著量 | 約5kg~20kgSS/m3載體 |
適用pH | 6~10 |
適用溫度 | 1~50℃ |
使用壽命 | 10年以上 |
5 應(yīng)用PCG軟性懸浮填料反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)
? ※比表面積更大，可達(dá)4000 m2/m3
? ※填料填充率顯著降低，競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的填充率為30%–70%，而PCG的填充率僅為
15%-30%。
? ※能耗明顯降低，比活性污泥工藝節(jié)省20%能耗。
? ※易于掛膜，3天內(nèi)微生物就能在載體內(nèi)繁殖生長(zhǎng)。
? ※硝化和反硝化效果更佳，除氮能力更強(qiáng)。
? 改擴(kuò)建項(xiàng)目——對(duì)已建設(shè)施的處理量最大能增加 150 %，改擴(kuò)建費(fèi)用相對(duì)于其它工藝低很多，管線改動(dòng)少。
? 新建設(shè)施——池容僅為傳統(tǒng)活性污泥法的 60~70%左右，投資成本低，能滿足環(huán)保法規(guī)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的要求。
PCG擔(dān)體與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料比對(duì)下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
在MBBR工藝應(yīng)用中，系統(tǒng)是否能夠達(dá)到良好的運(yùn)行狀態(tài)及預(yù)期的運(yùn)行效果，懸浮填料的選擇起著至關(guān)重要的意義。懸浮填料在反應(yīng)器中充當(dāng)著微生物載體的角色，即在填料的選擇方面我們必須結(jié)合高分子材料學(xué)、微生物學(xué)、流體力學(xué)等多方面科學(xué)因素進(jìn)行考量。
傳統(tǒng)MBBR填料多以硬質(zhì)聚乙烯或聚丙烯材料制成，通過(guò)比重調(diào)整使其真密度接近小于水，被市場(chǎng)廣為應(yīng)用。但由于此類塑料材質(zhì)特有的疏水結(jié)構(gòu)使其潤(rùn)濕時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)久且受保護(hù)的比表面積有限，致使初期啟動(dòng)時(shí)間慢長(zhǎng)、池內(nèi)流化性能差、處理優(yōu)勢(shì)不明顯。有甚者在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中：由于填料不斷摩擦反應(yīng)器內(nèi)設(shè)施導(dǎo)致的設(shè)備受損、由于填料累積翻越出口攔網(wǎng)導(dǎo)致的后續(xù)處理單元癱瘓等運(yùn)行事故也時(shí)有發(fā)生為用戶增加了許多苦惱。
為解決上述市場(chǎng)背景下的技術(shù)課題，我司傾注多年高分子技術(shù)力量研發(fā)的PCG擔(dān)體具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
（1） 親水性更佳
PCG擔(dān)體為自帶鎖水基團(tuán)的高分子多孔凝膠材料，水潤(rùn)濕時(shí)間小于10秒。投入污水中瞬間可與污水相融合與微生物相接處，相比傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料可大大縮短微生物掛膜時(shí)間，使反應(yīng)器更快進(jìn)入最佳運(yùn)行狀態(tài)。
（2） 流化更均勻
PCG擔(dān)體為具有98%開孔結(jié)構(gòu)的大孔徑凝膠體其密度略大于水，在反應(yīng)器中通過(guò)自身重力、氣體的提升力、水流的攪動(dòng)力以及微氣泡吸附下的浮力等多重力的作用下表現(xiàn)極易流化，即使在70%的高填充密度下也可自由流化。故在合理的工程應(yīng)用中可做到不上浮、不堆積、無(wú)死角。與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料相比大大提升了反應(yīng)器整體的處理效率
（3） 比較面積更大
PCG擔(dān)體多孔體的特征決定了其強(qiáng)大的受保護(hù)比表面積，且其內(nèi)部骨架為墻體膜狀結(jié)構(gòu)，約2000m2/m3的龐大比表面積為反應(yīng)器內(nèi)微生物提供了更易附著的棲息空間、更有通體大孔徑結(jié)構(gòu)使得反應(yīng)器中溶解氧與基質(zhì)物質(zhì)在生物膜表面的專遞及代謝產(chǎn)物的排出更為通暢。與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料相比可應(yīng)用較少的填充比例起到更高的處理效果，大大節(jié)省用戶成本。
（4） 運(yùn)行能耗更低
PCG擔(dān)體的多孔結(jié)構(gòu)使其在反應(yīng)器運(yùn)行的過(guò)程中對(duì)氣泡的剪切頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料，故氧的傳遞效率更高，應(yīng)對(duì)高負(fù)荷沖擊更為穩(wěn)定。同時(shí)PCG擔(dān)體可在較低的氣容比條件下流化均勻，可適應(yīng)多種微孔曝氣形式，較傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料流化所需能耗更低。PCG擔(dān)體表面生物相多樣性使其在剩余污泥減量方面的表現(xiàn)也更具優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)的污泥處置減輕了負(fù)擔(dān)。
綜上所訴，PCG擔(dān)體相比傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料處理效果更佳，且同樣具有明顯的初期投資成本優(yōu)勢(shì)及后期的運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)。 PCG擔(dān)體與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料對(duì)比
比較項(xiàng)目 | PCG擔(dān)體 | 傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料 |
規(guī)格形狀 | 材質(zhì)形狀：PU立方體 型號(hào)尺寸：PCG-10（10×10×10mm） PCG-20 (20×20×20mm)
| 材質(zhì)形狀：PE/PP蜂窩管 型號(hào)尺寸：K1（d=10mm） K3（d=20mm）
|
比表面積（m2/m3） | 4000 | 300~1000 |
空隙率% | 98 | 50~75 |
反應(yīng)池填充率% | 15~30 | 30~70 |
潤(rùn)濕性 | 10秒 | 明顯很長(zhǎng) |
完成掛膜時(shí)間 | 7天 | 數(shù)月 |
使用壽命 | 10年以上 | 10年以上 |
曝氣條件 | 可適應(yīng)微孔曝氣 | 粗孔曝氣 |
相同曝氣條件下PCG擔(dān)體流化更均勻
掛膜后的MBBR硬質(zhì)填料 掛膜后的PCG軟質(zhì)填料
翻越出口攔網(wǎng)中的MBBR硬質(zhì)填料 均勻流化中的PCG軟質(zhì)填料
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