PCG填料技術研究性能說明
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
MBBR工藝是移動床生物膜反應器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)英文的縮寫，起源于20 世紀70年代，是一種新型污水處理技術，旨在強化生化池深度脫氮除磷，實現(xiàn) 經(jīng)濟、可持續(xù)的穩(wěn)定達標，廣泛應用于污水廠提標、提量改造。自 1989 年挪威 Stensholt 市政污水廠工 程首次應用MBBR以來，至今全球已有超過600座污水處理廠采用MBBR工藝。2000 年初，MBBR從國外引進國內(nèi)進行了相關研究和部分項目的使用，受限于當時相關技術不成熟，出現(xiàn)過失敗案例， 使得MBBR工藝的國內(nèi)推廣受阻。直到 2008 年，MBBR首次成功應用于無錫蘆村污水處理廠，突破了MBBR實際應用中包括流化與攔截在內(nèi)的一系列工程問題，增加了行業(yè)對MBBR的信心，MBBR在國內(nèi)開始大規(guī)模推廣，應用規(guī)模超過 8
00 × 104m3/d且每年遞增。
雖然近年來國內(nèi)外許多學者已對其進行了大量研究，MBBR工藝作為成熟的污水生物處 理技術已得到了廣泛的應用。但因其獨有的特點，仍是污水處理 領域開發(fā)研究的一個熱點。針對目前廢水污染物種類繁多的現(xiàn)狀，對其的研究主要集中在對懸浮填料的改性、以及與其他工藝相結合等。
懸浮填料是 MBBR 工藝的核心，它作為微生物附著生長的載體，它的性能可直接影響到該工藝的掛膜能力、生物膜生長情況 以及對污染物的處理效果。如今 ，盡管填料的種類非常豐富，但有時仍需對填料的材質(zhì)、表面性質(zhì)或者結
構進行必要的改性，以使其能夠更好地滿足特定的需求。有學者通過添加能促進生物酶催化的納米材料對填料進行改性后，形成的生物膜結構穩(wěn)定生物量多，而且對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，并在移動床生物膜反應器系統(tǒng)中實現(xiàn)了同步硝化反硝化脫氮。 關于通過聚氨酯泡沫填料的表面進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。此外也有對填料的結構進行改性，如通過向傳統(tǒng)塑料填料中添加海綿來改變原填料的結構，以強化其掛膜和處理能力。
目前國內(nèi)外市場上流通的可作為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。多孔型載體以廉價易得的優(yōu)勢應用最為廣泛，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。這類填料設計為多孔構造以增加其比表面積負載更多生物總量，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，但價格極高且強度極差，在應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)整體運行造成經(jīng)濟損失。
考慮經(jīng)濟效益問題，多數(shù)工程案例中會選擇機械強度優(yōu)異的高密度聚乙烯作為填料的基礎材質(zhì)，但同樣在運行中，其有限的比表面積限制了工藝本身的進步，同時不斷地刮擦對其他設備造成的損害仍然有待解決。
PCG懸浮填料技術性能說明
PCG懸浮填料是我團隊經(jīng)多年高分子設計經(jīng)驗累積耗時數(shù)年研究開發(fā)的一種自帶鎖水基團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，優(yōu)良的通氣結構保證了作為生物載體時內(nèi)外傳質(zhì)的通暢性，獨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使其耐磨性增強，使用壽命更長久。
1 PCG懸浮填料技術特點
l 親水性，只需10秒潤濕，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現(xiàn)高效的生物處理
l 抗磨損物理性能強，具有超強度高分子結構設計在強破壞性試驗下表現(xiàn)優(yōu)越。
2 PCG懸浮填料與同類產(chǎn)品的比對
PCG軟質(zhì)懸浮填料與同類產(chǎn)品對比
比較項目 | PCG 多孔凝膠填料 | 國產(chǎn)改性 聚氨酯填料 | 德國產(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)無法測量） | 300~700 | 本體：2500 （內(nèi)藏活性炭粉末后：20000） | 約3000 （遇水膨脹狀態(tài)無法測量） |
空隙率% | 98 | 80 | 75~90 | 98 |
反應池填充率% | 15~30 | 30~70 | 15~30 | 30~70 |
潤濕性 | 10秒 | 3個月 | 2天~3個月 | 10秒 |
完成掛膜時間 | 7~10天 | 數(shù)月 | 7天~數(shù)月 | 7~10天 |
無機添加物 | 無 | 有/無 | 有 | 有 |
10mm尺寸24h 強磨損殘存率 | 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 |
國內(nèi)業(yè)績數(shù)量 | ★★ | ★★★★★ | ★ | ★ |
價格比對 | ★★★ | ★★ | ★★★★★ | ★★★★ |
3 PCG-20懸浮填料抗磨損物理性能實驗報告
A. 試驗目的
通過磨損性試驗對比PCG以及其他海綿載體物理強度之優(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. 試驗對象
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. 試驗方法
C.1 準備1000ml容器，容器內(nèi)壁貼有180#防水砂紙，加水400ml備用。
C.2 取試驗對象樣品各5個。
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烈摩擦，24小時后，取出進行殘存量的重量測定，觀測結果。
D. 試驗結果（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% （粉末狀無法檢出）
E. 試驗對比照片
載體抗磨損性能試驗實施裝置
PCG-20載體實施抗磨損性試驗前 PCG-20載體實施抗磨損性試驗24H后
某公司海綿載體實施抗磨損性試驗前 某公司海綿載體實施抗磨損性試驗24H后
PCG-20載體實施抗磨損性試驗24H前后對比 某公司海綿載體實施抗磨損性試驗24H前后對比
4 PCG懸浮填料技術參數(shù)
項 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% |
潤濕時間 | 10秒 |
掛膜時間 | 3~7天 |
硝化效率 | 600~1250gNH3-N/m3/d(至氧轉化極限) |
BOD5氧化效率 | 1000~5000gBOD/m3/d(至氧轉化極限) |
COD氧化效率 | 1000~7500gCOD/m3/d(至氧轉化極限) |
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 應用PCG軟性懸浮填料反應器的優(yōu)勢
? ※比表面積更大，可達4000 m2/m3
? ※填料填充率顯著降低，競爭產(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。
? ※硝化和反硝化效果更佳，除氮能力更強。
? 改擴建項目——對已建設施的處理量最大能增加 150 %，改擴建費用相對于其它工藝低很多，管線改動少。
? 新建設施——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)對各項指標的要求。
PCG擔體與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料比對下的技術優(yōu)勢
在MBBR工藝應用中，系統(tǒng)是否能夠達到良好的運行狀態(tài)及預期的運行效果，懸浮填料的選擇起著至關重要的意義。懸浮填料在反應器中充當著微生物載體的角色，即在填料的選擇方面我們必須結合高分子材料學、微生物學、流體力學等多方面科學因素進行考量。
傳統(tǒng)MBBR填料多以硬質(zhì)聚乙烯或聚丙烯材料制成，通過比重調(diào)整使其真密度接近小于水，被市場廣為應用。但由于此類塑料材質(zhì)特有的疏水結構使其潤濕時間相當長久且受保護的比表面積有限，致使初期啟動時間慢長、池內(nèi)流化性能差、處理優(yōu)勢不明顯。有甚者在實際項目應用過程中：由于填料不斷摩擦反應器內(nèi)設施導致的設備受損、由于填料累積翻越出口攔網(wǎng)導致的后續(xù)處理單元癱瘓等運行事故也時有發(fā)生為用戶增加了許多苦惱。
為解決上述市場背景下的技術課題，我司傾注多年高分子技術力量研發(fā)的PCG擔體具有以下技術優(yōu)勢：
（1） 親水性更佳
PCG擔體為自帶鎖水基團的高分子多孔凝膠材料，水潤濕時間小于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間，使反應器更快進入最佳運行狀態(tài)。
（2） 流化更均勻
PCG擔體為具有98%開孔結構的大孔徑凝膠體其密度略大于水，在反應器中通過自身重力、氣體的提升力、水流的攪動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。故在合理的工程應用中可做到不上浮、不堆積、無死角。與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料相比大大提升了反應器整體的處理效率
（3） 比較面積更大
PCG擔體多孔體的特征決定了其強大的受保護比表面積，且其內(nèi)部骨架為墻體膜狀結構，約2000m2/m3的龐大比表面積為反應器內(nèi)微生物提供了更易附著的棲息空間、更有通體大孔徑結構使得反應器中溶解氧與基質(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） 運行能耗更低
PCG擔體的多孔結構使其在反應器運行的過程中對氣泡的剪切頻率遠遠大于傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料，故氧的傳遞效率更高，應對高負荷沖擊更為穩(wěn)定。同時PCG擔體可在較低的氣容比條件下流化均勻，可適應多種微孔曝氣形式，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，為后續(xù)的污泥處置減輕了負擔。
綜上所訴，PCG擔體相比傳統(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)勢及后期的運行成本優(yōu)勢。 PCG擔體與傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料對比
比較項目 | PCG擔體 | 傳統(tǒng)MBBR硬質(zhì)填料 |
規(guī)格形狀 | 材質(zhì)形狀：PU立方體 型號尺寸：PCG-10（10×10×10mm） PCG-20 (20×20×20mm)
| 材質(zhì)形狀：PE/PP蜂窩管 型號尺寸：K1（d=10mm） K3（d=20mm）
|
比表面積（m2/m3） | 4000 | 300~1000 |
空隙率% | 98 | 50~75 |
反應池填充率% | 15~30 | 30~70 |
潤濕性 | 10秒 | 明顯很長 |
完成掛膜時間 | 7天 | 數(shù)月 |
使用壽命 | 10年以上 | 10年以上 |
曝氣條件 | 可適應微孔曝氣 | 粗孔曝氣 |
相同曝氣條件下PCG擔體流化更均勻
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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