PCG填料技術(shù)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(shù)，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(guān)研究和部分項目的使用，受限于當時相關(guān)技術(shù)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(shù)已得到了廣泛的應用。但因其獨有的特點，仍是污水處理 領(lǐng)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(jié)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(jié)
構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shè)計為多孔構(gòu)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(chǔ)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(shè)備造成的損害仍然有待解決。
PCG懸浮填料技術(shù)性能說明
PCG懸浮填料是我團隊經(jīng)多年高分子設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果。
D. 試驗結(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(shù)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(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(shè)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(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(shù)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(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)施導致的設(shè)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(shù)課題，我司傾注多年高分子技術(shù)力量研發(fā)的PCG擔體具有以下技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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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