生物流化床處理廢水的研究進展

　　今天為大家介紹的污水處理技術是——生物流化床處理廢水的研究進展

　　生物流化床技術是普通活性污泥法和生物膜法相結合的廢水生化處理技術[1-2]]。它以砂、活性炭、焦炭一類的較小顆粒為載體填充在床內，載體表面覆蓋著生物膜，污水以一定流速從下向上流動，使載體處于流化狀態，同時進行去除和降解有機污染物。在20世紀7O年代，美國、英國和日本等一些國家將這一技術應用于污水生物處理領域，并開展了多方面的研究工作[3-9] 。近年來，生物流化床技術更是受到國內外研究者的廣泛重視，本文將就生物流化床技術研究的比較新進展作一綜述。

　　1 生物流化床的基本類型

　　根據生化反應的類型不同，可分為厭氧生物流化床和好氧生物流化床。厭氧生物流化床可視為特殊的氣體進口速度為零的三相流化床。與好氧流化床相比，需采用較大的回流比。根據生物流化床的供氧、脫膜和床體結構等方面的不同，好氧生物流化床主要有兩相生物流化床和三相生物流化床兩種基本類型。

　　兩相生物流化床是在流化床體外單獨設置充氧設備與脫膜裝置，基本工藝流程如圖1所示[1]。原污水與部分回流水在專設的充氧設備中與空氣相接觸，使氧轉移至水中。充氧后的污水從底部通過布水裝置進入生物流化床，上升的過程中，一方面推動載體使其處于流化狀態，另一方面廣泛、連續地與載體上的生物膜相接觸。為了及時脫除老化的生物膜，在流程中設置專門的脫膜裝置，間歇工作，脫除了老化生物膜的載體再次返回流化床內，脫除下來的生物膜作為剩余污泥排出系統外。處理后的污水從上部流出床外，進入二次沉淀池，分離脫落的生物膜，處理水得到澄清。

　　三相生物流化床是氣、液、固三相直接在流化床體內接觸進行生化反應，不另設充氧設備和脫膜設備，載體表面的生物膜依靠氣體的攪動作用，使顆粒之間激烈摩擦而脫落。其工藝流程如圖2所示[2]。三相生物流化床的充氧方式有減壓釋放空氣充氧和射流曝氣充氧等形式。三相生物流化床設備簡單，操作較容易，此外，能耗也較兩相生物流化床低。

　　2 生物流化床的特性

　　2.1 具有巨大的比表面積[10]

　　生物流化床是采用小粒徑固體顆粒作為載體，且載體在床內呈流化狀態，因此其單位體積表面積比其它生物膜法大很多。

　　2.2 傳質效果好[2]

　　由于載體顆粒在床體內處于劇烈運動狀態，氣一液一固界面不斷更新，因此傳質效果好，這有利于微生物對污染物的吸附和降解，加快了生化反應速率。

　　2.3 容積負荷高，抗沖擊負荷能力強[2]

　　生物流化床巨大的比表面積使單位床體的生物量很高，加上傳質速度快，廢水一進入床內，很快地被混合稀釋，所以生物流化床的抗沖擊負荷能力較強，容積負荷也較其它生物處理法高。因此，在相同進水濃度下，采用生物流化床技術處理污水，可以使裝置的容積大大減小，從而顯著降低工程投資及土地占用面積。

　　2.4 微生物活性強[2]

　　由于生物顆粒在床體內不斷相互碰撞和摩擦，其生物膜厚度較薄，一般在0.2 m以下，且較均勻。對于同類廢水，在相同處理條件下，其生物膜的呼吸率約為活性污泥的兩倍，可見其反應速率快，微生物的活性較強。帶出體系的微生物較少，污泥的再循環量和再生的生物量少，不會因生物量的累計而引起體系的堵塞，液固接觸面積較大，三相分離容易等。

　　3 生物流化床技術的研究現狀

　　3.1 工藝結構的研究

　　為了處理一些較難降解的有機廢水，北京化工研究院[11-12]開發了一種復合型生物流化床反應器，它在同一個床內實現了流化床和固定床的串聯操作。華北工學院[13-14] 在復合生物流化床的基礎上，研制了一種新型內循環三相復合生物流化床。該反應器屬一體化設備，主體為上部設有活動式過濾安全網的內循環流化床，流化床上部出水通過自充氧系統充氧后，進人浸沒式接觸氧化床，進一步反應后出水。反應器除具有優良的自充氧特性外，兼有流化床處理效率高及接觸氧化床出水好的優點，并且其氣水比低、能耗較小、適應性強，具有很好的應用前景。

　　荷蘭的Frijters[15]等人開發了一種新型的Circox氣升式流化床反應器。該反應器有好氧和缺氧兩區，能取得較高的液流速度和混合均勻度，因而具有很好的CoD去除、脫氮能力。荷蘭的Vanl00sdrecht[16]等人研究出了一種新型一體化氣升式生物流化床反應器。該裝置在常規氣升式內循環流化床反應器的基礎上附加了一個缺氧區，并且通過調節反應器頂部空間的氣壓來控制液流和生物載體在好氧區與缺氧區間的循環，從而實現硝化與反硝化作用的一體化。

　　韋朝海[17-19]等將圓柱形導流筒和內循環管分別改為縮放型導流筒和三重環流循環管。實驗結果表明，縮放型導流筒增強了反應器內流體的湍流程度，強化了氣液傳質;三重環流循環管縮短了液相混合時間，提高了氣含率與氧傳質系數。

　　3.2 流體力學特性研究

　　韋朝海[17]、謝波[19]等對三重環流生物流化床和縮放型導流筒氣升式內環流生物反應器的流體力學進行了研究。結果表明在相同的實驗范圍內，三重環流生物流化床可提高氣含率10%～20% ;縮放型導流筒氣升式內環流生物反應器的氣含率也提高了8%。氣含率隨固含率的增加而下降，隨氣流量的增加而增加;液體循環速度隨氣流量增大而增大，在上升區隨著固含率增大而下降。

　　管秀瓊[20]等也對三相生物流化床的流體力學特性作了研究，得出了與韋朝海等相同的研究成果。Chia—Min ChenCZ~3等對非牛頓流體三相流化床的平均氣含率做了研究，測定了液體特性、氣體分布器類型和磁場強度對總氣含率的影響。結果表明，正確地調配液體粘度和設汁氣體分布器能將平均氣含率提高20%。對于不同的氣體分布器，總氣含率隨著液體粘度增大有不同的變化規律;隨著表觀氣速的增大，總氣含率是增大的;隨著磁場強度的增大，對于不同的氣體分布器，氣含率也有不同程度的增大。

　　3.3 流動混合特性與流動模型研究

　　王鐵峰[21]嵋等開發了一種新型的光纖探頭多相流氣泡測試系統，并應用此系統研究了三相循環流化床中不同徑向位置氣泡的上升速度分布、氣泡上升速度均值的徑向分布以及操作條件對這兩種分布的影響。

　　Maria Gavrilescu[21]等研究了同軸心氣升式內循環反應器上升區、下降區、底部和氣液分離區的液楣停留時間分布。結果表明，氣升式內循環反應器比敢泡塔反應器具有更均勻的流型，并通過軸向擴散模型和多釜串聯模型對兩種反應器進行比較，得出結果也是氣升式內循環反應器優于鼓泡塔反應器。

　　3.4 氧傳質特性及氣一液傳質系數Kla關聯式

　　顏涌捷[22]等采用溶氧電極法測定了以牛頓和非牛頓流體為液相的三相流化床提升管內的氣一液傳質系數Kla。結果證明Kla值受床層流動特性的影響顯著，且那些能提高氣含率和增大液相循環速度的操作條件也有助于Kla的提高。較高的氣速和液速，較低的固含率和液體粘度以及電解質的存在都使Kla值提高。他們還通過引入廣義雷諾數得出了適用于牛頓和非牛頓流體的Kla關聯式。

　　Chia—Min Chen[23]等對非牛頓流體三相流化床的氣液傳質特性做了研究，測定了液體特性、氣體分布器類型和磁場強度對氣液傳質系數的影響。結果表明，正確地調配液體粘度和設計氣體分布器能將氣液傳質系數提高30%。通過設備改良極大地提高了氣液傳質速率，并消除了小顆粒三相流化床的氣泡并聚現象。氣液傳質系數隨著液體粘度的增大而減小;隨著表觀氣速的增大，氣液傳質系數也隨之增大;隨著磁場強度的增大，對于不同的氣體分布器，系統的氣液傳質系數有不同程度的增大。

　　韋朝海[17]、謝波[19]等對三重環流生物流化床和縮放型導流筒氣升式內環流生物反應器的氧傳質特性進行了研究。結果表明在相同的實驗范圍內，三重環流和縮放型導流筒反應器都使氧傳質系數提高了10 以上，氧傳質系數隨固含率和氣流量的增大而提高。并在Higbie穿透理論和Kolomogoroff各向同性理論的基礎上建立了各實驗范圍內的氧傳質系數與操作參數和物性參數之間的數學關聯式。

　　楊衛國[24]等采用溶氧法測量了三相循環流化床中波相溶氧濃度的軸向分布，并按軸向擴散模型處理實 數據，優化得到氣液體積傳質系數Kla。同時用光纖探頭測量了體系中的氣含率和氣泡大小分布，計算得到了氣液相界面積和氣液傳質系數Kla，并研究了主要操作條件(表觀氣速、表觀液速和固含率)對氣液傳質系數的影響規律。

　　3.5 生物載體研究

　　李探微[25-26]等采用氣提式循環流化床反應器處理污水，對爐渣、焦碳、塑料顆粒進行了載體實驗比較。結果表明，塑料顆粒較易流化，但稍有流失;載體掛膜效果，焦碳略優于爐渣，塑料效果比較差;有機物降解作用，焦碳、爐渣兩者的COD去處率相當，塑料效果比較差。李探微等還考察了不同級配的載體對床內氧傳質的影響。結果表明，載體中投配部分大顆粒，有利于氧在水中的轉移;反應器條件不同，比較佳顆粒尺寸級配也不相同。

　　蔡建安[27]等發現，在氣升式流化床反應器中使用粗粒焦碳與細粒石英砂組成的混合載體來處理廢水，有良好的效果。與單一載體相比，不同粒徑級配的混合載體容積負荷高，不易流失，有利于載體掛膜和氧的轉移傳質，可降低曝氣能耗。Edwards[28] 在研究生物流化床處理高濃度化工廢水時發現，顆�；钚蕴苛骰�床比以砂粒作載體的流化床具有更高的抗COD 沖擊負荷的能力，也能更迅速地啟動。

　　3.6 生物膜特性研究

　　Kargi[29]等對生物流化床進行了理論分析，認為生物膜有一個比較理想的厚度可以使廢水中污染物的去除效率比較高。

　　周平[30]等也對生物膜厚度對流化床反應器處理性能的影響進行了分析，發現載體生物膜較薄時，雖然膜內傳質阻力較小，但由于此時生物濃度也較低，故處理效果較差，出水濃度較高;而當載體生物膜較厚時，一方面由于膜內傳質阻力較大，另一方面由于為維持床高而排出的載體量過大，導致床內生物濃度下降，故處理效果也不好，出水濃度較高。作為影響流化床性能的重要參數，作者研究得到流化床載體生物膜比較佳厚度為180 Arm。

　　Ruggerit[31]等以砂子和玻璃這兩種不同的載體來測定比較佳生物膜活性的影響因素，結果發現生物膜活性受到液一固傳質及載體的粗糙性的強烈影響。

　　潘濤[32]等通過工業規模的三相生物流化床試驗，探討了載體表面生物膜厚度與有機物去除速率、容積負荷及污泥濃度等傳統參數之間的必然聯系，證實了生物膜厚度是描述反應器行為的關鍵參數，揭示了三相生物流化床高處理效率的實質是微生物濃度高。并得出比較佳膜厚為90"--110 btm。

　　4 生物流化床技術展望

　　生物流化床技術融合了化工流態化技術、微生物技術與廢水處理技術，是一種新型生化處理裝置。生物流化床提高了處理設備單位容積內的生物量，強化了傳質作用，加速了有機底物從污水j句微生物細胞的傳遞過程，成為生物膜法的新突破。

　　今后，隨著人們加強對其流體力學特性和傳質特性的研究，加強優良菌種的篩選和生物膜特性的研究，生物流化床技術在廢水生物處理工藝中將有著更加廣闊的應用前景，這對進一步發展生物流化床技術和防治水體污染具有很大的社會意義和經濟意義。

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