（化学工程专业论文）生物膜气升式反应器的研究.pdf

中文摘要 传统生物处理工艺目前仍然是应用最广的最有效的污水处理技术，但也存在 占地多、投资高、运行费用高、能耗高的弊端。近年来国内外出现的生物处理新 工艺中，悬浮载体生物膜反应器s c b r 占有十分重要的地位。本论文在对悬浮载 体生物膜反应器特征综合分析的基础之上，选择最具发展潜力的生物膜气升式反 应器b a s r 进行了系统的分析并研究开发了的一种新型的生物载体。 首先探讨了b a s r 反应器启动的影响因素，对于本文设计的反应器有一个最 佳的载体( 活性炭) 投加量值v 。- - - - 3 可以达到很好的反应器启动效果；水力停 留时间( h r t ) 越短，越有利于载体挂膜，h r t - - l h 为最佳停留时间；容积负荷 有利于载体挂膜和反应器启动，本反应器较佳的启动入水负荷1 4 4 k g c o d ( m 3 d ) ； 在载体投加的方式上，创新的提出在反应器启动时投加已挂膜成熟的载体有助于 裸载体的挂膜，实验证明这种投加方式可以大大缩短启动时间；另外，废水的处 理效果好坏不能作为该反应器成功启动的标志，应把生物膜平均厚度稳定作为挂 膜成熟的标志。 其次，本文的另一个创新是用天津大学校内枯树的根茎经过适当的改性处理 研制了一种新型的重木载体，通过实验证明该载体挂膜的效果和降解废水效果好 于活性炭。 建立了b a s r 反应器有机物降解动力学模型，推算出了反应器对c o d 降解速 度r 及进水基质浓度s i 和出水基质浓度s 。的表达式，该模型与实验结果符合得较 好。 关键词：污水处理，生物膜气升式反应器，生物载体，活性炭，改性重木，降 解，动力学 a b s t r a c t p r e s e n t l y ，c o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s si st h em o s te f f e c t i v e t e c h n o l o g y ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s h o w e v e r , t h e c o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s sh a ss o m ef a t a ld i s a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n g m o r es p a c en e e d e d ，h i 醢i n v e s t m e n t ，h i 曲o p e r a t i n gf e e ，a n dh i 薛e n e r g y c o n s u m p t i o n t h e r e f o r em a n yn e wb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s e sh a v er e c e n t l yb e e n d e v e l o p e d ，a n ds u s p e n d e dc a r r i e rb i o f i l mr e a c t o r ( s c b r ) i st h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g ya m o n g t h e m b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs c b ra b r o a da n d a th o m e ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h eb i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o nr e a c t o r ( b a s r ) a n d p r e s e n t e ds y s t e m i ci n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p e d an e w t y p eo f b i o c a r r i e r f i r s t l y ，t h i ss t u d yd i s c u s s e st h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fs t a r t - u p ，f o rt h i sd e s i g n e d r e a c t o rt h eb a r ec a r r i e ri n p u tv o l u m ep e r c e n t a g eo fr e a c h i n gt h eb e t t e rs t a r t - u pe f f e c t i s3 ；t h es h o r t e rh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) i s ，t h eb e t t e rb i o f i l ma t t a c h m e n t e f f e c ti s ，h 妍= l hi st h eb e t t e rc h o i c ei nt h i sr e a c t o r ；h i 曲v o l u m e t r i cl o a di sg o o da t b i o f i l ma t t a c h m e n ta n ds t a r t u p ，t h eb e t t e rv o l u m e t r i cl o a di s1 4 4 k g c o d ( m 3 国；i n t h ew a yo fi n p u t t i n gt h ec a r r i e r ，t h ep a p e rp u tf o r w a r da ni n n o v a t i v ew a yo fs t a r t - u p i n p u t t i n g t h em a t u r eb i o c a r r i e rt o g e t h e rw i t hb a r ec a r r i e ri sb e n e f i c i a lt ot h es t a r t - u p w h i c hc a ni n d u c et h et i m eo fs t a r t - u p ；b e s i d e s ，t h et r e a t m e n te f f e c to fw a s t e w a t e rc a n n o tb et a k e na sa s y m b o lo f s u c c e s s f u ls t a r t - u p ，a n dt h es t a b i l i t yo ft h eb i o f i l m t h i c k n e s sc a nb ea sas i g no fs u c c e s s f u ls t a r t - u p 。 s e c o n d l y ，a n o t h e ri n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st od e v e l o pam o d i f i e dt o u c h w o o d c a r r i e rt oa t t a c ht h eb i o f i l m t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ee f f e c to f b i o f i l m a t t a c h m e n ta n d t r e a t i n gw a s t e w a t e ri sb e t t e rt h a na c t i v a t e dc a r b o n i nt h ee n d ，t h eb a s rd y n a m i c sm o d e lo fo r g a n i cd e g r a d a t i o nw a se s t a b l i s h e dt o d e s c r i b ea n dd e d u c et h ee q u a t i o n so ft h ec o d d e g r a d a t i o nr a t e ( r ) a n d t h ee q u a t i o n b e t w e e nf e e dc o dc o n c e n t r a t i o n ( s i ) a n de 壤u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n ( s e ) t h em o d e l i sm a t c h e dt ot h ep r a c t i c a le f f l u e n ts a t i s f a c t o r i l y k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n r e a c t o r , b i o c a r r i e r , a c t i v a t e dc a r b o n ，m o d i f i e d t o u c h w o o d c a r r i e r ，d e g r a d a t i o n ，k i n e t i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处舞，论文中不包含其他人西经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁鲞蠢堂或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储鹕：亨。武辩湖：1 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁叠盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学镘论文作者签名： 导师魏卡菱罕 签字日期年 月叶日 签字吼心哆年，月够曰 前言 l 工- j l 日l j 吾 众所周知，作为一个严重缺水的国家，我国人均水资源量仅仅为世界平均水 平的1 4 。而且，有限的水资源在地域及季节上的分布也极不均匀。水资源不足 在城市集中供水矛盾中日益凸现。据有关资料，我国6 0 0 多个城市约有2 3 缺水。 传统城市污水处理工艺的基础是好氧絮状活性污泥。由于反应器内污泥浓度 低、絮体沉降速率低相应地需要庞大的反应器体积和大面积沉淀池；又由于污泥 龄偏低，反应器具有容积负荷较低( 即处理效率低) 、剩余污泥较多的缺点；另外， 由于反应器敝口运行和曝气量巨大，污水厂运行时会产生异味、噪声且能耗极高。 对新工艺的探索从新型反应器开发和微生物研究两方面着手。随着微生物固定化 技术的不断发展，人们发现将絮状微生物改变成悬浮载体生物膜可大大提高生物 反应器的负荷及反应效率，成为克服传统污水处理工艺缺点的有效对策之一。悬 浮载体生物膜反应器s u s p e n d e dc a r r i e r - s u p p o r t e db i o f i l mr e a c t o r ( s c b r ) 大大地 提高了反应器内微生物的浓度，是目前国内外污水处理技术的研究热点之一。 生物膜气升式反应器b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o nr e a c t o r ( b a s r ) 是最具竞争力 的一种悬浮载体生物膜反应器，属于一种内循环式气升式反应器，它主要分成三 个区，气液分布区、反应区、三相沉降区。其中反应区又分成升流区和降流区。 这种气升式反应器主要以气体为动力源，由升流区与降流区的气含率差引起内外 筒的表观密度差，最终引起内外筒的流体循环。在生物膜气升式反应器，悬浮的 微生物通过降解进水中有机物，生长繁殖并在载体颗粒上附着、生长、脱落最后 形成稳定的生物膜载体颗粒和污泥颗粒体系。b a s r 反应器的特点有：更高的终 端沉降速度( 1 0 5 0 m h ) ；更高的生物晕浓度( 可达3 0 9 l ) ：更大比表面积( 可达 3 0 0 0 m 2 m 3 ) ：更高的传质性质；高污泥年龄：抗冲击能力强；对生物膜厚度的控 制较强；具有良好的脱氮能力；但启动时间相对较慢。 本研究以生物膜气升式反应器b a s r 为研究对象，通过反应器启动研究、生 物载体的研制、反应器数学模型分析的全面研究，为b a s r 反应器的进一步开发 研究提供基础理论依据和可供实际应用的关键技术参数及计算方法，同时为本实 验下一步进行的中试试验提供理论依据。 1 第一章文献综述 第一章文献综述帚一早义陬琢尬 1 1 悬浮载体生物膜反应器综述 1 1 1 生物反应器的定义 为推动水处理学科理论的发展，2 0 世纪7 0 年代初期，从化学工程中引入了反 应器理论。在化学工程中，反应器是指在化工生产过程中发生化学反应的生产核 心部分的容器。反应器的概念移植到水处理科学技术研究领域，可定义为“能够 产生水处理效应的容器【h 】 o 与生物处理技术在污水处理过程中占有极其重要的地位一样，生物反应器是 污水处理领域中极为重要的一类反应器，它是指构建了水处理中的微生物对污染 物降解的最佳条件且处于与外环境有水、气、固、能量等交换的一个单元。 1 1 2 生物反应器的分类 生物反应器按反应器中微生物呼吸所需要的氧的浓度的不同而分为好氧生 物反应器、缺氧生物反应器、厌氧生物反应器。一般而言，这三种反应器对应的 氧气的浓度分别为： 0 5 m g l ，0 - - - 0 5 m g l ，0 m g l 。按反应器的运行方式可分为 间歇式反应器( b a t c hr e a c t o r ) 及连续流式反应器( c o n t i n u o u sf l o wr e a c t o r ) 。按反 应器中微生物存在的状态而分为絮体生物反应器和生物膜反应器，生物膜反应器 又可细分为固定床生物膜和流动床生物膜反应器。絮体通常指在特定反应器内的 个体细胞和微生物群落的聚集体。如在活性污泥处理工艺中的微生物聚合体即属 于絮体。生物膜是指细胞体和细胞产物( 如胞外聚合物) 的复杂附着结构体，它们 要么是附着生长在静止固体或悬浮载体表面( 固定化颗粒污泥) ，要么是细胞和细 胞产物自然形成的密实大颗粒( 自固定化颗粒污泥，简称颗粒污泥) 。固定化颗粒 污泥反应器包括滴滤池( t r i c k l i n gf i l t e r ) 、移动床生物膜反应器( m o v i n gb e d b i o f i l mr e a c t o r ，简称m b b r ) 、生物膜气升式反应器( b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o n r e a c t o r ，简称b a s r ，属于内循环三相流化床) 等固定化颗粒污泥包括上流式厌氧 第一章文献综述 污泥床反应器( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，u a s b ) ，颗粒污泥膨胀床反应 器( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb l a n k e t ，e g s b ) 。 流动床生物膜反应器( m o b i l eb e db i o f i l mr e a c t o r ) 是指颗粒状的生物膜在高 速水流和( 或) 气流或机械搅拌的作用下而不断运动( 搅动、膨胀、流化、紊动或循 环等) 的生物膜反应器。 1 1 3 悬浮载体生物膜反应器特征分析 悬浮载体生物膜反应器( s c b r ) 是固定化颗粒污泥反应器的一种，其悬浮 载体主要颗粒形式为主。在对悬浮载体生物膜反应器的定义和命名中，不同的研 究者均根据各自反应器的特点给予命名，常常出现概念重叠或覆盖的现象。本研 究将悬浮载体生物膜反应器分为生物流化床反应器( b f r ) 、移动床生物膜反应 器( m b b r ) 、循环流化床反应器( c f b r ) 等三类。三者的细微区别在于；生物 流化床反应器( b f b ) 包括液固两项流化床和气液固三相流化床，其中投加的载 体有砂粒、膨胀土、颗粒活性炭，也有投加复合载体的，如砂粒和颗粒活性炭按 一定比例投加，以形成载体特性的优势互补。生物流化床反应器( b f b ) 中投加 的载体尺寸较小，以粒径l m m 以内的载体居多。 移动床生物膜反应器( m b b r ) 所采用的生物膜载体尺寸一般较大，十几到 几十毫米不等，而且载体的密度一般比水小或者与水接近，以降低驱动载体流动 所需的能耗。一般在移动床生物膜反应器中，附着相生物膜与悬浮相活性污泥共 同发挥作用，其中悬浮相活性污泥可以占到总生物量的2 5 - 3 5 。移动床生物 膜反应器的主要优点就是进水及预处理系统简单，进水可不经沉淀直接进行处 理，但该工艺需要设置二沉池。该工艺在处理生活污水时对有机物和氨氮可同时 去除。挪威k a l d n e 公司近年来己经建设了数十个处理生活污水的m b b r 污水厂， 总池容在几立方米到上万立方米不等【4 】。 与前两种反应器相比，生物膜气升式反应器属于内循环三相流化床反应器， 具有良好的水力特征，表现出混合程度高和传质效果好的特点，并能维持较高浓 度和较高活性的生物量，因而处理能力更强。循环床生物膜反应器的载体可采用 砂、玄武岩，也可采用轻质载体，粒径一般为0 2 - - 一0 4 m m ，载体比表面积可以达 至l j 2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m 2 m 3 。荷兰p a q u e s 公司的c i r c o x ( 亘) 属于该领域的成熟产品之一 【。 第一章文献综述 悬浮载体生物膜反应器的优缺点列于表1 1 。 表1 1 悬浮载体生物膜反应器的优缺点一览表 t a b l e1 - 1t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f t h es c b r 优点缺点 悬浮载体生物膜颗粒随水流运动，提高了 污染物与微生物接触的机会，加强了传质 效果 高的颗粒终端沉降速度( 5 0 m h ，絮状污泥 为5 n v h ) ，可降低甚至取消外部沉淀池( 分 离阶段) 反应器生物浓度高( 3 0 9 l ，絮状污泥为 3 9 l ) 高的生物膜表面积( 3 0 0 0 m 2 m 3 ，滴滤池 3 0 0 m 2 m 3 ) 高生物浓度和传质面积导致高的转化速 率( 对氧2 0 k g ( i n 3 d ) ，在活性污泥和滴 滤池工艺3 k 烈m 3 d ) ) 污泥龄高( 几周、剩余污泥产量小 反应器紧凑，占地面积小 反应区的运动有可能干扰分离区的分离效果 在载体上生物膜的形成导致长的启动时间 控制生物膜的厚度困难 生物膜的过度生长导致颖粒流失 对大型反应器，流化床的液体分配系统 耗资很大，且容易引起布水不均匀和堵 塞问题 1 2 生物膜气升式反应器的发展现状 1 2 1 生物膜气升式反应器 体外充氧两相生物流化床必须设体外脱膜装置以控制生物膜的厚度，传统三 相生物流化床直接在床层中鼓入空气，提高了紊动程度，但实践证明，这种紊动 对于控制膜厚并不总是十分有效的。传统三相生物流化床运行中存在的最主要问 题是载体表面生物膜厚度的控制及生物膜过度增长而造成的载体流失。 为解决上述问题，循环流化床反应器即生物膜气升式反应器应运而生，并发 展成外循环式、内循环式三相生物流化床，其构造如图1 1 所示。 4 第一章文献综述 外豫环内住环 图1 - 1 生物膜气升式反应器 f i g l - 1b i o f i l ma i r l i f ts u s p e n s i o nr e a c t o r 当在升流区进行曝气充氧时，由于升流区和降流区的密度差，使废水、载体 及气泡在升流区和降流区之间循环流动，整个反应器内载体受到的剪切与摩擦力 基本均匀一致，因此不会出现生物膜增厚、载体变轻而在床内分层的现象，而这 种现象在传统三相流化床中是不可避免的。同时由于床内水力摩擦、剪切较为剧 烈，过厚的生物膜会自行脱落，从而达到控制膜厚的目的。 好氧内循环流化床是在外循环流化床的基础上发展起来的，两者的工作原理 一致，但内循环流化床因升流区和降流区组合在一起而结构更紧凑，占地面积更 小，目前，内循环流化床越来越引起人们的广泛兴趣。 生物膜气升式反应器是由荷兰的d e l i t 大学教授h e i j n e n 发明，其实质也是一 种三相循环流化床。其在国内文献中往往名为内循环式三相生物流化床。 1 2 2 生物膜气升式反应器的特点 由于生物膜气升式反应器实质上是一种内循环式三相生物流化床，因此它不 仅保持了传统三相流化床所具有的反应器内混合性能好、传质速率快、污泥浓度 大、有机负荷高等优点，同时，还解决了传统三相流化床所存在的问题，具有一 系列新的特点，主要表现在： 可控制生物膜厚度的过度增长在传统三相生物流化床中，气速和液速均 不可能很大，如果大大超过载体的终端沉降速度，则由于载体只作单向上流运动， 生物粒子将大量进入沉淀分离区，因此极易被带出反应器外。为了防止载体的流 失，反应器内流体的剪切力不能有效地控制过度增长的生物膜。而在循环式流化 床中，由于气、液、固在升流区和降流区之间循环流动，循环速度很大，载体却 第一章文献综述 不易被带出反应器外，在一般情况下，循环速度远大于载体终端沉速，流体造成 的剪切作用可有效地控制生物膜厚度，以避免过厚的生物膜引起的传质阻力增 大，使循环式流化床中生物膜保持较高的活性。 载体流失量少由于循环式流化床的紊动剪切及水力摩擦可使过厚的生物 膜自行剥落，因此可基本上防止载体的流失。 载体流化性能好传统三相生物流化床为保证载体的充分流化，在不进行 回流的情况下必须采用较大的高径比。而循环式生物流化床只要升流简直径合适 ( 过小会引起气泡聚合) 并保证一定的表观气速，就可实现良好的载体流化。同时， 载体在升流区和降流区之间循环流动，所受到的摩擦、剪切力基本相同，不存在 传统三相流化床中的载体分层现象，载体流化具有良好的均匀性，这对于生物膜 的良好生长十分有利。 氧的转移效率高传统三相生物流化床内气体全部从反应器顶部逸出，而 在循环式流化床中，液体在升流管和降流管之间循环流动，循环液体将升流管中 一些小气泡挟带进入降流管，只有部份气体从顶部逸出，使气一液接触时间延长， 故充氧效率较高。 生物膜气升式反应器放大设计较传统三相流化床容易传统流化床放大设 计的困难主要是因为反应器中的流态太复杂，难以精确描述，因此放大设计后会 与试验结果产生较大的差异。而循环式三相生物流化床反应区由升流管和降流管 组成，将其中气、液、固三相的运动规范成上升流动和下降流动，就可清楚地描 述出反应器中载体和液体的运动规律，可通过诸如升流区的气速和液体循环速度 等参数的控制保证循环式三相生物流化床放大设计后与试验结果相似。与外循环 流化床相比，内循环流化床因取消了升流区和降流区之间的过渡管段而结构更趋 合理。内循环流化床特有的优点有流动阻力小，在维持同样循环速度的情况下供 气量可减小，从而降低了运行费用；反应器起始流化较容易，减小了操作运行的 复杂性。由于结构更加紧凑，可减小所占空间及地面。应用含内导流筒的内循环 流化床反应器，其底物去除率约为同一条件下外循环流化床反应器处理能力的 1 5 倍。 1 2 3 生物膜气升式反应器的研究现状 目前，生物膜气升式反应器( 好氧内循环流化床) 己发展成为主流的流化床 一6 一 第一章文献综述 技术，其床型结构己演变为多种形式，对处理废水的广泛性也得到了大量的实践 验证。另外，对流化床中生物膜的培养及其特性、对污染物的降解机埋的研究也 己经开展了大量的工作。 1 2 3 1 生物膜气升式反应器庶型结构的多样化 复合型生物流化床反应器 为了处理些较难降解的有机废水，北京化王研究院开发了一_ j 巾复合型生物 流化床反应器，如图1 2 所示1 5 。它在同个床内实现了流化床和固定床的串联 操作，用于处理淀粉废水，停留时间小于强，最大有机负荷# j 4 2 k g c m 3 国，最小 气水比为3 7 ：1 ，比生物接触氧化法处理能力大、效率更高。 图l 疋复合生物流纯床反巍器 f i g l 一2m u l t i - t h r e ep h a s ec o m p l e xf l u i d i z e db e d 自充氧三相复合生物流化床 华北工学院在复合生物流化床的基础上，研制了种新型内循环三相复合生 物流化床，如图1 3 该反应器属一体化设备 7 1 ，主体为上部设有活动式过滤安全网 的内循环流化床，流化床上部出水通过自充氧系统充氧后，进入浸没式接触氧化 床，进一步反应后出水。反应器除具有优良的自充氧特性外，兼有流化床处理效 率高及接触氧化滤床粥水好的优点，并鼠其气水比低、能耗较小、适应性强，具 有很好的应用前景。 第一章文献综述 回流水 图l 一3 自充氧三相复合生物流化床 f i 9 1 3s e l f - i n p u to x y g e nt h r e ep h a s ec o m p l e xf l u i d i z e db e d 带缺氧区的c i r c o x 三相生物流化床 荷兰的f r i j t e r s 等人开发了一种新型的c i r c o x 气升式流化床反应器，如图 1 - 4 t 8 l 该反应器有好氧和缺氧两区，能取得较高的液流速度和混合均匀度，因而具 有很好的c o d 去除、脱氮能力。其容积负荷可达4 l o k g c o d ( m 3 d ) ，床内生物 量高达3 0 9 l ，而剩余污泥产率只有2 l o ，n h 4 + - n 去除率大于9 0 ，去除负 荷可达到1 2 k g n ( m 3 d ) ，不失为一种高效、经济的新型流化床反应器。 窖0 。一 t - i ， 图1 - 4 带缺氧区的c ir c o x 三相生物流化床 f i g l - 4c l r c o x t h r e ep h a s ef l u i d i z e db e dw i t ha n a e r o b i cs e c t i o n b a s e 生物循环流化床反应器 荷兰的v a nl o o s d r e c h t 等人研究出了一种新型一体化气升式生物流化床反应 第一章文献综述 器，如图1 - 5 t g l 。 该装置在常规气升式内循环流化床反应器的基础上附加了一个缺氧区，并且 通过调节反应器项部空间的气压来控制液流和生物载体在好氧区与缺氧区间的 循环，从而实现硝化与反硝化作用的一体化。 ! 空气 图1 5b a s e 气升式三相流化床 f i g1 - 5a i r l i f tt h r e ep h a s ef l u i d i z e db e d 三重或多重环流生物流化床 三重环流生物流化床是将气升管分为三段，使反应器内的三相流体( 特别是液 相和固相) 按一定分布进行三层次的循环流动，其设计目的在于强化混合，提高 传质，降低启动压力，故将这种设计型式命名为三重环流反应器( 如图1 - 6 a ) 所示。 酽蔼 l a )( ” 图i - 6 三重或多重环流生物流化床 f i gl - 6t h l e el a y e r so rm o r el a y e r sc i r c u m f l u e n c eb i o f i l mf l u i d i z e db e d 第一章文献综述 也有将气升管分为四段或五段等以形成反应器内的三相流体多层次的循环流动， 顾名思义，称之为多重环流生物流化床( 如图1 6 b 所示) 【1 0 - 1 2 多个内筒内循环生物流化床 增加内循环生物流化床的内筒数，即由一般的一根内筒变成多根内筒而形式 上类似于化工操作中的列管式反应器，形成多个内筒的内循环生物流化床，可以 使反应器的流态接近于活塞流反应器，提高反应器的效率。增加内筒数量后，每 根内筒的供气量应相同，以保证反应器内循环流动的均匀性【1 3 】。 1 2 3 2 处理废水的种类及规模 生物膜气升式反应器可应用于城市污水和多种工业污水的处理( 见表l 一2 ) 表l - 2 生物膜气升式反应器处理工业污水实例汇总幸 t a b l el 一2 t h ee x a m p l e so fb a s ri ni n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t l 生活污水反应区2 m 3 _ 三相 c o d1 0 4 c o d8 9 【1 4 】 c o d分离区4 m 3 1 5 07 1 0 0 0 2 生活污水 c o d 2 0 9 4 3 2 3 生活污水 c o d 1 0 0 1 0 0 0 4 垃圾渗滤液 5 味精废水 反应区o 3 5 m 3 三c o dc o d7 1 8 7 【1 5 】 相分离区0 2 1 m 34 2 4 1 6 ，9 c o d n i - 1 4 + - n9 0 4 1 0 n h 4 + - n1 5 好氧床2 3 l ，c o dc o d9 0 3 h d 64 5 8 5 8 6 n i - 1 4 + - n9 2 8 n h 4 + - n o 3 9 0 5 0 升流管d 8 0 m m c o d8 9 h2 4 0 0 m m 6 焦化废水 1 7 6 lc o d7 1 6c o d7 9 5 芳香类化合物 7 9 8 酚类9 4 8 【8 ，1 6 【1 7 】 1 8 ，1 9 2 0 第一章文献综述 7含氰废水0 8 8 l 8煤气化废水 1 5 m 3 9印染废水 1 0 漂染废水 2 5 0 0m 3 d 1 1 含酚废水 1 2 含氯漂白废 水 1 3 造纸中段废 水 1 4 啤酒废水 1 5 油脂废水 1 6 乳品废水 1 7 酵母废水 1 8 抗生素废水 2 6 l 降流管1 8 0 m m h 5 0 0 m m 1 5 m 3 ( d = 1 8 m h = 6 0 m ) 5 4 7 l ( 反应区 3 3 l ) 好氧床3 0 0 m 3 好氧床2 5m 3 ( d = 0 7 mh = 8 5 m ) 1 9 石化废水 4 7m 3 ( 反应区2 4 ) ( h 8 6 9 m ，d o 6 m ) 2 0 丙烯酸废水6 2 0 l ( 反应区3 5 0 ) c o d 1 8 8 c o d 3 8 5 8 b o d 1 3 1 8 c o d 4 1 酚1 5 c n - 9 9 7 【2 1 ，2 2 】 c o d9 8 3s s5 4 2 【2 3 】 n h 4 + - n9 9 9 挥发 酚9 9 7 2 4 ，2 5 c o d9 3 0 【2 6 b o d9 1 1 色度9 4 4 c o d 8 0 【2 7 】 挥发性酚 9 9 c o d 7 0 b o d 7 0 c o d8 0 2 8 ，2 9 】 【3 0 】 4 0 8c o d8 0 3 1 1 2 05 0 6 0 【3 2 】 7 1 68 9 2 3 3 4 0 8 7 6 0c o d7 4 - - - 8 6 【3 4 【3 5 】 15 0c o d7 5 - - 。8 0 【3 6 7 2 7 0 8 0 【3 7 】 2 l 油漆废水0 3 8m 3 7 5 1 16 0 7 5 【3 3 】 第一章文献综述 ：表1 - 2 中d 代表直径，h 代表高度 从表1 2 可以看出，生物膜气升式反应器处理的工业废水包括以下七类废水： 含高c o d 、n i - h _ n + 的味精废水、垃圾渗滤液、焦化废水、煤气化废水；c o d 高、 成分复杂的印染、漂染、染料等高色度废水；毒性很强的含氰废水、含酚废水； 高s s 的含氯漂白废水、造纸中段废水等造纸废水：容易生物降解的啤酒废水、酵 母废水、乳品废水、油脂废水等；对微生物具有抑制作用的抗生素废水和制药废 水：难生化降解的石化废水、丙烯酸废水和油漆废水：表面活性剂浓度极高的磁电 器制品厂的洗涤废水。除了表1 2 所列的废水种类外，尚有报道好氧生物循环流 化床可用于处理含挥发性芳香烃、甲苯、二甲苯的地下水、环氧乙烷生产中的皂 化废水、制糖废水、含胺类化合物和酚的石油精炼废水、含硝基苯及苯胺类的废 水等。好氧生物流化床处理废水的广泛性说明好氧流化床对多种污染物降解的广 泛的适应性。 从对生物膜气升式反应器在我国的研究状况分析( 表1 - 2 ) ，我国对气升式膜反 应器的应用研究大部分停留在小试和中试阶段，工业化应用目前只有制药废水等 几个不多的工程实例，且对工业化规模反应器应用的技术经济指标的分析研究尚 待完善。 1 3 生物载体 在生物膜法中，载体作为微生物赖以栖息的场所是废水处理的关键技术之 一，其性能直接影响着处理效果和投资费用。污水净化过程就是附着于载体之上 以及悬浮于载体之间的微生物的新陈代谢过程。载体的特性对生物膜的性状、氧 的利用率和水力分布条件等起重要作用，是直接影响生物接触氧化工艺处理效果 的关键因烈3 8 - 4 0 。 1 9 世纪以来，德国就开始把生物接触氧化法用于废水处理，但限于当时的技 术水平，没有适当的载体，未能广泛应用。到了2 0 世纪7 0 年代，由于合成塑料工 业的迅速发展，轻质蜂窝载体问世，自此，科研工作者以改进载体为突破口，不 断推动生物膜法的发展。 1 2 第一章文献综述 1 3 1 生物载体的分类及特点4 1 4 2 】 按载体安装方法分类，生物载体大致可分为固定式、悬挂式、分散型和新型 生物载体等几种类型。 固定式载体 固定式载体主要有蜂窝状和波纹板状等硬性载体。 常用的蜂窝状载体一般是由超薄形轻质玻璃钢或各种薄形塑料片构成。安装 时直接堆叠在接触氧化池的布气系统上面，微生物直接生长于玻璃钢或塑料管壁 上。这种载体的特点是空隙率大，污水在载体中三维流动，充填材料质轻，韧性 强，长期使用不会变质，而且网状蜂窝载体相互交融，具有长久的稳定性，缺点 是易堵塞。波纹板状载体则以英国的“f l o c o r ”载体和法国的“c l o i s o n y l e ”载体为代 表【4 2 1 。其结构类似于蜂窝载体，这类载体具有孔径大、不易堵塞、流程长、处理 效率较高、安装运输方便等特点，但也存在水在波纹通道内流动不均，不利于生 物膜更新等缺陷。 悬挂式载体 这类载体产生于2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，应用比较广泛，使用寿命长，价 格适中，非常具有市场竞争力，一般分为软性载体、半软性载体、组合载体和弹 性载体等几类。 软性载体上海石油化工总厂环境保护研究所于2 0 世纪8 0 年代初期研制出软 性纤维载体，应用到上海石化总厂涤纶厂进行废水处理。其基本结构是在一根中 心绳索上系扎软化纤维束。这种载体应用比较广泛，挂膜容易，不堵塞， 但在 安装时需要固定在辅助支架上，且容易缠结、结块、断丝，中心绳易断，影响使 用寿命，特别是废水化学需氧量高时，缠结在一起的纤维中心很容易产生厌氧， 从而大大缩短使用时间。 半软性载体半软性载体的出现主要是为了弥补硬性载体的易堵和软性载体 的缠结和断丝两方面的不足。半软性载体的理论比表面积比软性载体小得多，表 面光滑，微生物附着性能相对较差，造价亦比软性载体高，但其使用寿命比较长。 组合载体盾式组合载体，既利用了软性纤维载体中醛化维纶纤维具有耐酸 碱、耐老化、耐生物降解的化学性能和比表面积大、重量轻、生物膜附着性能好 等物理特征，又发挥了半软性载体的不结团、气水再分布能力强、氧传质效率高 第一章文献综述 的优点 4 3 埘】。 弹性载体。弹性载体主要包括y d t 型弹性立体载体，1 a 型弹性波形载体、 p w t 型立体网状载体以及自变形弹性立体载体 3 9 , 4 5 。 分散型载体 分散型载体包括堆积式和悬浮式载体，如拉西环、鲍尔环、空心球和悬浮粒 子等。日本工程与贸易公司开发的r i n g l a c e 塑料纤维载体【4 6 1 。德国l i n d e 公 司的l i n p o r 载体和英国s i m o nh a r t i e y 公司的c a p t o r 载体，均已经在工程 上获得成功应用【4 7 4 8 1 。 亲水载体及生物亲和( 活性) 载体 在实际应用中，人们发现以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯等为原材料而 制成的载体在挂膜速度、挂膜量及膜与载体的紧密度方面存在不足。如对材料进 行适当的亲水与生物亲和改性，可望大大提高载体的传质、挂膜和水处理性能。 目前，载体的亲水改性，主要是通过载体表面处理和在原材料中引入亲水基团 两种途径实现【4 9 一i 。研究发现亲水性改进的塑料弹性载体比普通塑料载体在污水 的厌氧生化处理中可提高污水处理效率1 5 - 3 0 ，在好氧生化处理中可提高污 水处理效率5 - - 1 0 ，1 f 1 亲水性改进大大提高了塑料弹性载体的挂膜速度及生物 膜密实度 5 1 - 5 2 】。 生物亲和( 活性) 载体材料生物亲和性的涵义通常指该材料与生物相容、不 会对生物有任何损坏或有任何副作用。有研究者认识到生物亲和物质对生物载体 的重要性【5 3 1 。如微生物固定化载体大多以生物亲和性较好的海藻酸钙和琼脂糖等 物质为载体。隋军等认为，现有常用的生物载体是生物惰性的，对微生物无促进 和活化作用，因而发明一种用于水处理的活性生物载体，该载体中含有少量面粉、 淀粉及碳酸钙等粉体，认为其不但为微生物提供适当营养源，还可为微生物提供 更多的物理附着点，同时还可改善载体的亲水性，更易于微生物生长，加快挂膜 启动和提高水处理效率【5 4 1 。 磁性载体 一些研究者发现，弱磁场可大大提高废水的生物降解效率。j u n g 等在一生化 反应器外加一南极磁场处理含酚废水，发现酚的降解速率比不加磁场的普通生化 反应器高2 倍至数倍【5 5 1 。在活性污泥法水处理过程中，s a k a 等发现，在水中加入 第一章文献综述 磁粉可平衡微生物的生长与死亡，防止污泥膨胀，提高处理效率【5 6 1 。 1 4 悬浮载体 悬浮型载体是分散型载体的一种，它的开发是当前国内外针对蜂窝载体、软 性载体、半软性载体及复合载体等固定型载体在使用中常遇到堵塞、结团、布气 布水不均匀等问题，影响了生物处理效果及需安装在辅助支架上，造成载体安装、 更换的不便，使工程投资和运行管理费用相对提高的不足，由生物流化床工艺引 发而来的一个新的研究动态。这种载体比重接近于水，无需固定支架，在池中可 随曝气搅拌悬浮于水中并全池均匀流化，能耗较低，是一种很有发展前途的载体 1 5 ”8 1 。目前，研究者们正在开发各种材质、结构、形状、大小的此类载体用于污 水处理【5 9 - 6 2 。 1 4 1 悬浮载体性能的影响因索 物理因素表面粗糙度是决定能否快速形成生物膜的主要条件，粗糙度越大， 挂膜越快【6 3 】。这主要是由于以下两方面的原因：一是与光滑表面相比，粗糙的载 体表面增加了细菌与载体间有效接触面积，二是载体表面的粗糙部分，如孔洞、 裂缝等对己附着的细菌起到屏蔽保护，使它们免受水力学剪切的冲刷作用。另外， 载体表面的孔隙大小也影响生物膜的附着性唧】。 化学因素一般细菌表面都带负电荷，若载体表面的正电位越高，则细菌越 易附着于载体上生长，因此可通过一定的表面改良技术提高载体表面的正电性和 亲水性，以加快生物膜的附着和形成【6 引。 流化状态悬浮载体与固定载体最大的不同就是悬浮载体要在水、气的冲刷 作用下进行旋转运动。在刚开始挂膜时，由于悬浮载体质轻、吸水性差，流化状 态不好，需要较大的气量才能使其旋转起来，这样造成水流、气流对载体冲刷较 剧烈，生物膜不易附着，因此挂膜时问比固定载体相对长一些，膜量也相对较少。 1 4 2 悬浮载体生物膜法的特点 高污泥浓度由于悬浮载体一般比表面积都较大，附着在载体表面及内部生 长的微生物数量大，种类多，因此污泥浓度可达普通活性污泥法的污泥浓度的 第一章文献综述 5 , - - 1 0 倍，曝气池污泥总浓度最高n - j 态3 0 - - 4 0 9 l ，并且在载体单元内可以形成从细 菌一原生动物_ 后生动物麓食物链，使怨水水质怒好t 5 8 , 6 5 。 其次，附着生长的载体表丽的微生物的高泥龄，对世代时间较长的硝仡菌和 亚硝化菌来说十分有剩，因此，载体表西可栖息大量的这类细菌，使出水达到硝 化，同时，在有些情况下，高泥龄对微生物适应难降解的物质，提高去除率也十 分有利。另外，在载体上还可能大量生长缝状菌，既可利用丝状菌离效降解有机 物的功能，使出水改善，又无污泥膨胀之虞。 传质效果好载体在曝气池中依靠曝气的搅拌作用，处于流化状态，这不仅 使污水与载体上的生物膜广泛黼频繁多次地接触，而且载体在流纯过程中切韵分 数气泡，使布气趋于均匀，氧利用率也褥到了提高。固、液、气三相的充分接触 混念，增大了传质面积，提高了传质速率，强他了传质过程，因此，在达到定 污染物去除攀情况下，污水在池内的停留时间霓