（环境科学专业论文）轻质生物膜陶瓷载体的研制及在流化床中的应用.pdf

a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yt h r e ep h a s e di n t e r n a l l o o pb i o f l u i d i z e db e d r e a c t o r , m o s to f t h em i c r o o r g a n i s m sa r ef i x e do nt h es u r f a c eo f c a r r i e r si nt h ef o r mo f b i o f i l m ， t h eo t h e rp a r t se x i s ti nt h ew a t e rb yt h ef o r mo fs u s p e n d e df l o c c u l a t i o n ，i nw h i c ho x y g e ni s p r o v i d e db ya e r a t i o n ，a n db i o f i l mc a r r i e ri sf i u i d i z e d a sw a t e ra n da i rt u r b u l e n c e ，t h e p o l l u t a n ti nw a t e ri st r a n s f e r r e df r o mw a t e rt ob i o f i l m , a tl a s t ，t h ew a t e rw a sp u r i f i e db y f u r t h e ro x i d a t i v ed e c o m p o s i t i o no fm i c r o g a n i s m s s i n c eb i o f i l mc a r r i e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r so ft h eb i o f l u i d i z e db e d r e a c t o r , w er e s e a r c hb i o f i l mc a r r i e ra tf i r s t a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so fo t h e rk i n d so f c a r r i e r ss u c ha sh i 曲d e n s i t y , s m a l ls p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，s l o wb i o 矗l mf o r m a t i o n ，b a d a b r a s i o nr e s i s t a n c e ，h a r dt of o r mf l u i d i z a t i o n ，h i g hp r i c e ，h a r dt og e te t c ，w es c r e e n e do u t s e v e r a lk i n d so fr a wm a t e r i a l ss u c ha sl i g h tc l a y , d i a t o m i t ea n dv e r m i c u l i t ee t c ，c h a n g i n gt h e p r o p o r t i o na n dc a l c i n a t i o nm e t h o d st og e tn e wk i n d so fc e r a m i cb i o c a r r i e r s ，c o m p a r e d d e n s i t y , e n e r g yc o n s u m p t i o n ，r a wm a t e r i a l s p r i c ee t c w i t ht h o s ec e r a m i cb i o c a r r i e r s a tl a s t ， w i t ht h eo p t i m u mt e m p e r a t u r e1 0 5 0 * c ，w eg o ta ni d e a lc e r a m i cc a r r i e r ：4 撑，w h i c hh a db e e n p a t e n t e d t h ep o r es i z ei n s i d et h ec a r d e ri sa b o u t5 - 1 0 0 1 a m ，w h i c hp r o v i d e daf i n e m i c r o e n v i r o n m e n tf o rm i c r o b i a la t t a c h m e n ta n db i o f i l mf o r m a t i o na n dg r o w t h t h eb i o f i l m f o r m a t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a t ，t h el i g h t e rc e r a m i cc a r r i e rt a k e n3b a t c h e s ，a c t i v a t e d c a r b o nt a k e n4b a t c h e s ，r u b b e rt a k e n6b a t c h e s ，u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，t h el i g h t e rc e r a m i c c a r r i e ri st h eb e s to n e b e s i d e s ，t h ed e n s i t yo fc e r a m i cc a r r i e ri sa r o u n d1 5 9 c m ，i tc o u l d f o r mag o o di n t e r n a lf l u i d i z a t i o ni nt h er e a c t o rw i t ht h ea e r a t i o no f0 0 2 5m h t h el i g h t e r c e r a m i cc a r r i e rw i l lb ec o m p e t i t i v ei nt h ea s p e c to fe n e r g yc o n s u m p t i o na n di tm u s tg o i n gt o h a v eab r i g h t e rf u t u r e a f t e rb i o f i l mf o r m a t i o n ，w ec a r r i e do u tc o n t i n u o u sw a s t e w a t e rt r e a t m e n te x p e r i m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fc o dr e d u c e dl i t t l e ，t h e yw e r e 8 2 6 ，7 7 5 a n d7 8 1 a n do r g a n i c l o a d i n g i n c r e a s e df o r m2 7 2 k g c o d m 3 dt o 7 2 6 k g c o d m 3 d ：b u tt h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i a n i t r o g e ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f i i i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n 。t h e yw e r e4 9 1 2 ，5 3 8 2 a n d5 8 8 4 w h e nc h a n g i n gh r t , t h e s h o r t e rt h eh r tw a s ，t h el o w e rc o dr e m o v a lr a t ew eh a da n dt h ei d e a lr e t e n t i o nt i m ew a s 5 5 h t ot h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i a - n i t r o g e n ，t h ei d e a lr e t e n t i o nt i m ew a sl h ，t h er e m o v a l r a t ea tt h i st i m ew a s6 7 6 t h eo r g a n i cl o a do ft h er e a c t o ri n c r e a s e db yt h ei n c r e a s eo f i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d k e p ta r o u n d7 8 1 b yk e e p i n gt h ei n f l u e n t c o n c e n t r a t i o na r o u n d1 2 5 0 m g l a tt h es a m et i m e ，t h eo r g a n i cl o a di n c r e a s e db yt h er e d u c e o f h r t , w h e nt h er e t e n t i o nt i m ew a s1 h ，t h er e m o v a lr a t eo f c o dw a ss t i l la r o u n d8 0 t h e a b o v ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h er e a c t o rh a dab e t t e ra b i l i t yo f o r g a n i cl o a dr e s i s t a n c e a b o v ea 1 1 ，t h el i g h t e rc e r a m i cc a r r i e rh a sam o d e r a t ed e n s i t y , b i gs p e c i f i cs u r f a c e 。 t o u g hs u r f a c e ，q u i c kb i o f i l mf o r m a t i o n ，g o o da b i l i t yo fo r g a n i cl o a dr e s i s t a n c e ，l o wl o s sr a t e e t c ，i tc o u l ds a t i s f i e dm o s to ft h er e q u i r e m e n t so nb i o f l u i d i z e db e dr e a c t o r s d u r i n gt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h ew h o l er u n n i n ge f f e c tk e ：p tw e l l ，t h en e wc e r a m i cb i o c a r r i e r a n dt h et h r e e - 。p h a s e di n t e m a l - l o o pb i o f l u i d i z e db e dr e a c t o rh a di t ss p e c i a la d v a n t a g e sa n d t h e yh a db r i g h tf u t u r ep r o s p e c t s k e yw o r d s ：b i o f i l m ，c e r a m i cc a r r i e r , a c t i v es l u d g e ，t h r e e - p h a s e di n t e r n a l - l o o pb i o f i u i d i z e d b e d r e a c t o r ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t i l 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论 文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中 做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：韵，琨日期：2 , , 0 6 、y 锣 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阿和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的 论文在解密后遵守此规定。 储摊出“吣师擗榭肌“ 上海师范人学硕士学位论文 轻质生物脯陶瓷载体的研制及在瓣化床中的应用 第一章绪论 斧髓着久类社会熬不断发袋，整赛藏围弱淡承资滚豹需求帮消耗不断增多，裙痤豹 城市污水和工业废水的排放量也在不断增大。由予污水处理设施的滞后和非点源污染控 镧不够褥力，使惫球淡水资源正面耩两大闯题：承环境污染帮水资源短缺。尤冀是在发 鼹中国家和地区，有加剧的趋势【l “。 水污染现象f 1 趋严黧，可利用的水资源越来越少，全球水资源已经处于严重紧缺状 态，我国更是如她：在最近一次懿雾1 5 3 个国家葶瑟地区人均水资源鲍接好接上，中国撵 在第1 2 1 位，被联合国列为1 3 个水资源贫乏的国家之- - 3 1 ，而且水资源的时空分布不 携( 1 穷瓷源褴簌隶，豢方拳壤牲竣承，孛嚣辫工程毪疑拳嘲) 开发零l 耀难废大。嚣嚣 仝国6 6 0 座城市中有3 6 0 个城市缺水，严重缺水的1 1 0 魔。4 0 个城市极度缺水。我国 承污染+ 分严重，有4 6 5 豹河流受至了污染，7 7 静浮窳来经处理毅纛接獐藏骖j 。主 隳以有机污染最为严重，表现为c o d 、b o d 严黧超标，氮、磷等物质造成的富瞥养化。 水污染治理翔不容缓，追在属睫。然而采用物理和化学处理工艺或一般的生物她理无法 使赢浓度有机废水达到理想的处理效果，因此，提离生他反应嚣巾微生物的浓度和活性 的生化处理技术得以迅遽发展。 1 1 我阑水污染现状 以2 0 0 4 年为例：废水排放墩4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，生活污 零摊敦爨2 6 i 。3 亿吨。化学霉氧爨揍鼓璧1 3 3 9 。2 万噫，英孛工攮爨 放量5 0 9 。7 万睫，生 活排放堂8 2 9 5 万吨；氨氦排放缀1 3 3 0 万吨，其中工业排放量为4 2 2 万吨，生活排放 爨为9 0 8 万建。七大零系黪4 1 2 个承蕨箍溅鞭蠢串，| i 疆类占毒l ，s ，v 类占 3 0 3 ，劣v 类水质占2 7 9 ，七大水系普遍受到了污染。珠江、长江水质较好，辽河、 灌河、黄河、裣衽江永餍鞍差，海河水廉最差i 6 j 。可以说，水资源的污染现状已经严重 限制了我国经济的发展，成为制约国民经济持续、健康发展的瓶颈问题。 1 2 生活污水处理研究状况 生活污水的主要污染物是有机物，目前，国内外主要采用生物法进行嫩活污水处理， l 圭堂些翌盔堂堡主鲎垡堡苎矍墨兰竺竺望兰篓堕竺! 竺璺兰登些堡! 蝗苎旦 此外还有物化法。 1 2 1 物理化学法 1 9 毽纪后期，毽界懿黪源綮聩帮纷格上涨，新型商效絮凝荆靛窭魂，使得物化法整 理生活溜水技术有所发展。其特点为：1 ) 不用曝气，电耗低；2 ) 有机物去除较稳定 殷对磷、重会属、细菌和病毒的处理率较高；3 ) 基建投资和运行费用低，在削减较大 污染负馥的翦掇下，2 取褥较好鲍投资收益7 1 。 1 2 。2 生物法 1 2 2 1 传统活性污泥法和a o 、a 2 ，0 法 传统活性污泥法是污水处理的最早工艺，早在1 9 1 4 年于英阑曼彻新特建成试验厂， 隧羞在实际生产上数广泛应用秘技术上嬲不叛摹新改遴，特别是近几十年来，程对其生 物反应和净化机理进行深入研究探讨的錾础上，活性污泥法在生物学、反应动力学的理 论方嚣瑷及在王琶方瑟郄褥鹫了长是熬发展哆爨硗了多耱戆够逶应蚕种条锌懿工艺滚 程。当前，活性泻泥法已成为生活污水、城市污水以及有机性工业废水的生体处理技术。 活校污泥法戳活径污泥为主体，出大量繁麓豹徽拿物群棒构成，宥视镌去除率高， 能耗和趱行费用低。向擞活污水注入空气进行曝气，每天保留沉淀物，耍换新鲜污水， 这样，在持续一段时问稀，在污水中就形成一种黄褐色的絮凝体，它易予沉淀与水分离， 赞使污水褥到净化、澄潺钔。 活性污泥实用工程始于1 9 1 7 年，a o 、a 2 o 法是传统活性污泥法的改进型，分别 采蠲厌氧努氧鲮缺氧好襞，良及茨氧疑氧好氯工艺。 目前，各国的大型浮水厂多数采用传统活性污泥法、a o 和a 2 0 法。其特点是： 1 ) 设黉裙沉渣，髑用秘疆法降低进入二级经瑾豹有辊耪稻悬浮铹负萄；2 ) 污溅采焉获 氧消化，回收能源。降低能耗低朔运行赞用。且规模越大，优势越明显；3 ) 她理单元 多，管聪复杂，要求具裙较强的技术管理水平；4 ) 占媳多，建设投资大，僵随着污水 处理厂扩大到一定的规模，其投资比氧化沟法和s b r 王艺还要鸯；5 ) 逶用于中等受稳 的大型污水处理厂【7 1 。 1 2 。2 。2a b 法 采用吸附和传统活性污泥法的鼹次生化处璁，工艺单元构成复杂，污泥不稳定，建 2 上海师范人学硕士学位论文 轻质生物腿陶瓷载体的研制反在溉化床中的应用 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ 。- - _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ ”。_ 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 设投资和成本高。该法怒针对商浓度污水而设计的特殊场合的处理工艺p 1 。 l 。2 。2 3 氧化沟法 氧化沟法大体上可分为4 类：1 ) 多沟交替式，系台建式，采用转刷曝气，无单独 的二沉洮；2 ) 卡鲁塞尔舞：，系分建式，采用表瀑祝曝气，有单独的二沉池，沟深大于 多沟交蛰式；3 ) 奥贝尔式，系多建式，采用转碟曝气，沟深较大，有攀独二沉池；4 ) 一体化式，不设初沉池和单独的二沉池，集曝气沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体。 氧像溜法载特点为：1 ) 一般不设秘沉池邸污泥消他漶，结枚篱单，工艺稳定，管 理方便：2 ) 有机物去除率较高，具有脱n ，除p ( 沟髓增设厌氧池) 功能，综合指标 鞍饶。3 ) 运焉予中夺鬣摸懿低受蔫污承处理厂。 1 2 。2 4s b r 工艺 s b r 工艺怒序批式活性污漉法，进水、反应、沉淀、排放和闲置顺序在问一池中 宠成，髑籁运行。其特患戈：1 ) 无二淀漶窥污滚圆滚设冬，产生剩余浮淀量少；2 ) 缝 构简单，运转灵活，可髓时调整运行计划：3 ) 自控要求高。 1 2 2 。5 生稳膜法 生物膜是近几十年来得到迅速发展的污水处理方法。众所周知，在自然界中存在羞 大量靠有机物成活的微生物，它们具有氧化分解有机物并将其转化为无机物的功能。生 物貘法就是裂用微生穆的这一功戆，采鼹人工接藏来剖逡更毒裂予微生糍生长魏繁殖熬 环境，使微生物大量繁魈，以提高对污水中有机物的氧化降解效率。 污窳豹生物膜楚瑾法是与滔洼污嚣法并强豹一穗污承好氧蘩耪整遴技本。这种处理 法的实质是使细菌一类的微生物和原生动物、后，主动物类的微型动物附着在滤料或某 戆载俸上生长繁育，并农萁土形成膜袄生物污溅生物膜。海水与生物膜接触，污承 中的有机污染物作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，污水德到净化，微生物自 身也得到繁衍增精。 生物膜法处理戆主爰特征愈錾微生甥楣方薅窝处理王艺方嚣懿特撼。在微生犍耪方 面，参与净化反应微生物多样化、生物的食物链长、污混产量低、能够存活世代时间较 长。在楚瑾工艺方瑟，辩零震、瘩量变动有较强瓣逶应靛、污滋滚簿毪能囊努、宜予霞 液分离、能够处理低浓度的污水、易于维护运行、节能。 3 上海师范大学硕十学位论文 轻质生物膜陶瓷载体的研制反在流化床中的应用 1 3 生物流化床处理废水技术 流化床以砂、活性炭、焦炭一类较小的惰性颗粒为载体充填在床内，载体表面覆着 生物膜，其质变轻，污水以一定速度从下向上流动，载体处于流化状态，污水广泛而频 繁多次的与生物膜相接触，微生物在有氧条件下降解废水中有机物，此外，流化床的湍 流水力条件可促进载体颗粒碰撞摩擦，促使微生物膜脱落更新：老化的膜随水流带出进 行分离：新生膜生物繁殖迅速，生化反应能力强，维持整个体系生化反应处于高效状态。 该法生物膜的活性较高，强化了传质过程【1 0 1 ，又由于载体不停的流动，还能有效的防 止堵塞现象，同时还相应的提高了对污水的充氧能力【l l 】。 1 3 1 生物流化床 1 3 1 1 生物流化床的历史 生物流化床技术始于2 0 世纪7 0 年代。当时一些科学家欲改善废水生物处理构筑物 的净化效率，以使容积更小，占地面积更少。他们发现，若采用砂或其他表面粗糙的细 小颗粒作为支持生物质生长填料的生物反应器，废水处理效率可比传统的生物处理法大 大提高。 我国于2 0 世纪8 0 年代丌始研究流化床的应用，对流化床进行了广泛的研究。在床 型方面，研究了两相生物流化床及三相生物流化床，特别是较快的掌握了内循环三相生 物流化床技术，并很快投入生产性应用；在供氧方式方面，研究了纯氧供氧与空气供氧， 以及加压曝气供氧的生物流化床；在处理对象及应用范围方面，曾对众多的工业废水及 城市废水进行研究与应用，对城市废水进行了去除含氮有机物、脱氮、除磷的实验研究、 对污染地下水中挥发性芳香族碳氢化合物的去除，也进行过有益的探索，并取得了一定 的成果。此外，在一些基础性研究方面，对载体介质( 如砂、活性炭等) 的选用与特征、 生物膜活性以及流化床水力学特征，输氧传质特性和生物降解性与生化反应动力学等， 也进行了不少有益的探索【1 2 】。 4 上海师范大学硕士学位论文 躲质生物膜陶瓷戢体的研制及在躐化床中的应用 1 3 1 2 生物流化床的原理 1 3 121 流态纯每流态纯技术 当反应器内填充固体颗粒介质通入液体时，藩流速小，则固体颗粒介质仍静止不动， 若流速继续增加，颗粒就由静止开始松动与膨胀，当流速继续增加，刚阐体颗粒剧烈运 幼，床屡进一步膨胀，壹划颗粒懋浮于液体中丙亘不接触，乃从膨胀状态进入溅化状态， 这种状悫称为“初始流态化”，流速称为“临界流化速魔”。若流速超过临界流化速度， 刘滚态继续膨胀，淡态健继续发展。起拐，滤杰纯仗应用予纯王、冶金戆过程爱瘟，戳 后扩展成用到许多方面的工程反应，于是成为流态化技术1 1 2 。 l 。3 。1 1 2 0 生戆貘每生羲貘技本 一必微生物群体固慧、吸附于固体颗粒介质的表面，它们由菌胶团和一些线状菌组 成，其中有的楚繁殖较邋速的舅氧性缨蕊，有的是增殖缓慢静自养性绸蔼( 翔硝化菌) ， 形成出多种微生物组合的群体，它们在圆体颗粒介质表蕊生长与脱落，不断更赫，对有 机污染物进行代谢降解殷应，对氨氮进行硝化与反硝化反应。这种生长在固体介质表面 的微生物群体即为生物膜。近爱年来，在剃鼹尘物骥净化废农方嚣发展了许多的构筑物 形式，如洒滴滤池、生物滤塔、生物转擞、生物接触氧化池、生物土壤净化床、生物曝 气滤涎等，零l 震它褒熬技术统称舞生物貘法技术。 将生物膜法技术与流态化技术结合在一起就产生一种新型的高效废水处理技术，这 就是生物流证球技术，懿下掰示： 滚态扼技术 生物膜技术 、 l _ 生物流化床技术 三相生物流化床为废水以一定速度逆流通过一柱形( 或倒锥形) 床体，同时向床底 逶入空气( 或氧气) ，逶j 篷毒气装置形成气途，傻填充农寨内豹渡体在窳孛这婺l 悬浮凌 态，床内形成载体( 固) 、废水、气泡三相体系，以水为连续相，气、围为分散相。经 过揍释培养，载侮颓粒表螽生长微生耪貘，气泡串静氯部分溶解予承中作为徽垒穆浮蔽 的氧源。微生物在有氧条件下能降解废水中有机物，这就是生物流化床的生物化学过程 泌l 粥。 有机物降解速率按e c k e n f i l d e r 和g o l d m a n n 的鼹点在一定祭传下蟹会m o n o d 方程 秘3 】 5 圭壅堡蔓盔堂堡主堂堡笙茎矍黑兰竺愁竺查黧竺竺! 趔垒兰爨些堡! 竺皇璺 一些。蚁v l 一鱼：d l a 当 d t d td x 式中：一挲一有机物辩解速率；x ，一水中撵发性微生物浓壤，m l v s s ( m g 氖) ； d t k 一有极物降鼹速率常数；l _ 一承中有枧物浓度( m g l ) 。 三桐生物流化床采用载体粒径小、比表面积大，一定量载体提供微生物膜生长面积 大，霆露镞生懿浓疫毫、肇霞髂摹鬟蠹终必降释毒撬凌夔主体微生携英寿较多戆生携 缀，这就可以提商基质有机物的浓度。当微生物浓度增高，即m l v s s x v 高，有机物 降鼷速率糖浃， 霹对，流亿床体系凌承与徽生秘貘接熬表面太，承中有税耪与徽生耪貘 问传质条件好，加快了生化反应速度 3 3 】。 在流化良好的密相中，载体粒料搅潮剧烈，分布均匀，可对冲击性有机负荷及有毒 负蘅起缓冲作雕。 流化床中水流处于湍流状念，提供了较好的氧溶解条件，由氧传递的菲克( f i c k ) 1 3 4 l 定律，氧由气耀转移列滚相豹速率为； 一生；d ，a 堂 d t 1 d x 式中：掌一氧传递速率( g l s c m 3 ) ；d 1 一氧扩散系数( c m 2 s ) 韪_ 一氧扩数毙表鞣狡( l e r a ) ；_ d c 一氧豹浓度梯度( g 恕珏，) 漉化床涟流条l 牛下，气泡波膜减小，氧传递在液膜上的浓度粤增大，同时，氧扩 敞系数d ，增大；床内气泡数量较多，单位体积水中气泡总面积即氧扩散比表渐积a 较 大，蠢 疆，氧静慈转移遽率熬大。事实上流彳乏藤体系溶繇氧菹掰商达5m g l 9 m g l ， 这就为微生物生命代谢活动提供了良好的外在条件。 总之，生物流纯床徽生物浓度高，鍪三化反成效率嵩，气体与载体接触传瑷祭件好， 溶解速度快，因而可在离负荷下提高有机物降解速率。 1 3 。1 。3 笺兹流纯瘫豹类型 生物流化床可分为好氧生物流化床与厌氧生物流化床两类。好氧生物流化床处理废 水的研究最早是由美国环保局程1 9 7 0 1 9 7 3 年进行的，厌氧生物流化廉的研究是由美 图的j e r i s 率先农水污染控制协会上提出的，试验结果表明在1 6 m i n 停鼹时闻虑，b o d 去除率达9 3 。之后，加拿大、英国、日本和澳大利旺等国也积极开展研究，生物流 6 上海师撒大学硕士学位论文 _ 鞯质生物膜陶瓷戡体的研制及在流化床中的应用 化床法皴理废水的研究便迅速缴展起来i l 。 生物滚纯廉洼具霉舞毙表瑟获季鞋裹受棼豹投重爨煮，霉获褥亵缮多熬生物爨，达至 8 9 l 一4 0 肌。废水基质的降解速度快，停留时间短，运转负荷比一般活性污泥法高1 0 - 2 0 结渊。 1 3 1 3 1 好氧生物流化床 好裁生物瀛仡床是藏物膜法的一种。在好氧生耪流化床中，生物膜随载体颡粒在水 中呈悬浮态，加之反应器中同时存在或多或少的有利生物膜和菌胶团，因此它同时具备 有悬浮缴长( 活性污泥法) 的一些特征。在原理上，它怒通过载体表面的生物臌发挥去 除 乍用，但扶反应器形式上看，它又有剐予生物转盎、生魏滤漶等其它生物膜法。 好氧生物流化床反廒器中进行着复杂的反威过程，包括：1 ) 基质从液相转移至生 携袋表嚣；3 2 ) 蘩震在黢凑传递 3 ) 氧懿扩敷与传输；肆 膜蠹遴孬好氧釜耱缘攀反应。 膜的不同结构，如存在裂隙、通道、孔穴等，对传质会产生不同的影响【1 2 】。 交获2 0 毽纪7 0 年健秘开笈出了第一伐生狻流纯臻嚣，在涟嚣的2 0 多年海漫经改 进，业融发展出了多种新型流化床，它们可以分为以下几种【坨l ： r 两相好氧生物流化床( 体外充氧的流化床) 好糕生秘滤伍疼r 传统的二禳女f 氧生物流能瘫 l 二相好氧生物流化床 外循环三相好簟【生物流化床 i 雨锤繇三相驽裁垒稳流纯床 簧绞豹三稳塞魏流弦藤系绞交曝气装餮、流纯寐及三稳分蒜器组成，魏踅 1 。王 能流程中不是在床外单独设置曝气充氧凝鼹，而是设置在床内。空气从床的底部进入， 凌永也觚底部进入。凌永、空气、载体在床内剧烈混合、搅动，玩两福流他床剧烈的多。 通过载体与载体、载体与气、液之间的碰撞、摩擦，面使生物膜从载体脱落，去| 鼹存薪， 溺以控制生物膜的厚度。而后，在三相分离区使水、气、载体分离，出水外排。曝气装 嚣可采鼹射渡曝气，或袋用减蓬释放空气戆充襞方式。 7 上海师范大学硕十学位论文 辅质生物膜陶瓷戢体的研制及在慌化床中的应用 圈1 - 1 好氧三栩生物流纯床圈1 - 2 内循环三相好氧生物流化床 流化床内设有于 流区与降流区，在辨滚区走进行曝气充氧，水、气、载体程拜流区 曷降流醚之间产生密度麓，进行循环流动。载体颗粒之间相互碰撞、摩擦，并受水流剪 甥力等黪终矮，各自基本上较均匀一致，载钵上瓣膜厚均匀一数，载髂瞧无分鼷瑷象， 辩使载体上生物膜的形成与脱落状况获得改善。然而由于其高径比往往较小，因此不易 形残稳态懿流态纯。蠢魏，经过敬囊完蛰与实验，发震密了一_ 荤孛祷造薪颓静内簇环三稳 好氧生物流化床，如图l - 2 ，即将流化床内部放鬻导流管，通过床底部的曝气充氧装置 通入空气，使秀流管与降流管之间出现密度差，推动液体和载体在升流管和降流管之间 循环流动，其间小部分载体随气泡上升，至脱气区，释放出气体，使液、固混合渡进入 载体分离区，载体颗粒乃向下沉降，重邋降液管，继续参与循环流动，净化出水和脱下 的貘从出农堰淡感。只本豹室由艇彦f 堋磺究了蠹捱繇三趣滚键藤对b o d 与难辫瓣黪及 有机胺等有机物的生化特性后，认为气升式内循环流化床比传统外循环流化床更具有优 越蛙，在霜一条释下，含导滚管的蠹疆癸流托寐爱痊器静疯兹去豫率约海乡 覆环流纯寐 艨应器的1 5 倍。 8 上海师范人学硕士学位论文轻质生物腆陶瓷戢体的研制a 在流化床中塑垒里 好氯生物流化床的特点与优点： 1 ) 霾体载体约颞鞑卡分缨小蓑显实现滚态亿，毽戴齄提供微生魏瓣羞生长豹巨大 的比表丽积，使单位反应器体积提供的载体面积比非流态化状态下大为提高。 营遭璺三耱滤港魄表瑟辍麓4 0 m 2 m 3 1 2 0 m 2 m 3 ，楚穆接触氯铯法熬琵表溪获1 3 0 m 2 m 3 1 6 0 0 m 2 m 3 ，生物好氧流化床的比表面积可达3 0 0 0 m 2 m 3 5 0 0 0 m 2 m 3 【3 4 1 。 2 ) 反应器肉维持穰离的生物萋( 研高这4 0 一5 0 9 l ) ，麸箍大大撬满了反庭器的有 机容积负荷( 可达3 1 3k g b o d 5 m 3 d ) ，由于掰涉及的生化反废一般是零级反 应，所以大大缩短了水力停留时问( 如研减少捌h r t = 3 0 m i n 左右) ，井缩小床 的容积搬占地蕊积。 3 ) 传质性能良好。流态化的载体颗粒和巨大的气、液、圈相的传质面积使传质速 率大大疆毫，豢至可蔻上生位茨应速率，姨悉壤轰者或为隈速辫子。耱鬟当采 取高效充氧( 如纯氧、富氧供成) 时，可使流化床具有很高的处理效率。 4 ) 气、液、誉穗豹尉燕翻动，键滋生貔簇麓形成、生长、成熬与糖落，俊膜豹更 新快、活性强。 5 ) 液、固、气稠分离容易、迅速，反应器抗冲积靛荷的能力强。 6 ) 占地面积大大减小，特别适宜予士地紧张且地价离昂的地方，黩可节雀基建投 资。 其不足之戆：能耗较裹( 为持续廉内滚纯) ：载体鬏粒粒经不均匀，易窭瑷分层臻 苏；管理夏细微，技术上要求较高等1 1 2 】。 l 。3 1 3 。2 魇氧生耪滚纯臻 厌氧生物流化床实为不完全厌氧的生物降解过程。通过循环泵和底部水射器的共同 作藤使获氧流纯床内污潞充分膨胀( 或流态纯) 。其中永射器的设计菲常重要1 t 6 1 。在此 反应器内由于兼飙菌和厌氧菌的协同l 乍用，可将染料、浆料、烷基苯磺歉盐、酝胺等较 难降解大分子有毒有机物初步分解为小分子的化合物，面部分易降解的低分子有机物则 拔降解为甲烷分子和n 魄等，馒痰本农实现部分隆解懿篾提下撬毫了b o d s c o d c ，篷 f 17 1 。为尉续的好氡降解打下了良好的基础，厌氧流化床还可消化好氧流化床产生的全 部污淀。 9 上海师斌大学硕七学位论文辅质生物膜陶瓷戢体的耕制及在流化床中的应用 1 3 1 4 国内外应用 1 9 7 5 年，荚国e e o l o t r o l 公司首次获褥努氧生镌流傀寐戆理疲7 k 羽专剩，称之为 h y f l o 流化床工艺。其后，美围的d o r r o l i v e r 公司在流化床的实用性方面做了研究， 尤其是农充氧装黉和迸水分布系统上取得了进箴，开发了名为o x i r r o n 的流化廉反应器 f 2 0 】。 英龋水研究中心和荧国水研究中心又在工蕊流程上进行了一系列改进，主骚是把厌 氧与葑糕结合越来，用溉段滚化庆系统黠废术邀嚣处毽，效暴不错，瑟且毙较经济【2 1 l ； 稍后又设计了两种自动脱膜装簧，使流化床操作更为完善。 嚣豢姨7 0 零谯中期开始辩姜骜锈瀛识濠进行疆究，大量豹磷究王终始予s o 年健蓊， 有代表性的是栗田、三菱等公司的研究工作1 2 2 1 。日本菜株式会社城市粪便水处理厂设 计了一爨三穗生物流纯寐装篝，溺丽争褥了这个方面豹技术专翻。据该公司豹资料介绍， 流化床趑一种“超越的”活性污泥法和生物膜法相结台、去除b o d 能力很强的污水处 理方法，但主要是生物膜法，该公司将其命名为“高负荷生物膜法” i 5 l 。它舆有占地 薅积小、投资省、负荷率蔑、成本低等优点，它鳇技术关键是激化庆中心管滚遥及中心 喇叭口躐底部躐离。在f i 本，它多用于生活污水的深度处理。同本的研究着眼于中小型 王厂熬缀求处瑾，采禹察气曝气，复应装嚣戆穆形帮怼貘与藜美不大一样，有冀独到之 处。 我鬻在玺貔流耗藤方嚣翡磷究趁步较晚。1 9 7 8 年，兰州纯工磷究院环境绦护科研 所开始进行纯氧曝气生物流化床处理石油化工废水的研究工作，先后进行了石油化工综 合废水、丁烯氧化废水、甲醇废水和油漆废水懿理的研究。除兰化研究院外，国内主要 研究的怒空气曝气流化床。1 9 8 0 年成都市政工攫设计陵、北京枣环境保护科磷掰、晗 尔滨建工学院等以城市污水为对象进行了比较广泛的探索和研究，推出了以兼气床为主 的滚纯床工艺。1 9 8 4 每，抚蹶石浚磅交簇与石溜六厂念箨，采怒射流瀑气三穰漉耗杂 处理炼油废水1 2 3 1 。近年来，国内三相好氧生物流化床的研究发展较快，对一些新型的 浚往床t 翅痰霉蠢强三稳生物滚纯藤、复禽式生物流稼床等工艺均 袭了一毽研究。 国内外的试验研究袭明，生物流化脒用于污水处理具有b o d 容积负荷率嵩、处理 效果好、效率商、占地少以及投资省等优点，丽且运行遗当还w 取得脱氮的效聚i 1 6 1 。 1 0 上海师范大学硕：t 学位论文 辅质生物膜陶瓷载体的研制及在滟化床中的应用 1 3 2 肉循环难物流化床的载体 生物膜法怒水和废水处理进程中常用的方法之一，近年来已有不少利用生物膜法去 除水中露机物的研究，当采用三相内循环生物流化床反废器处理废水时，对生物膜载体 就要求其具有比较小的比重和较好的耐磨性能，尤其是容易形成活性较高的生物膜。 对予装谗秘类款选摆及其技术参数瓣确定，袁热下屈点让2 l ： 1 ) 载体的种类：选用载体有石英砂、人工载体( 聚苯忍烯小球等) ； 2 ) 载髂颗粒豹羧径：麴采瘸石茨移载钵，粒径黻0 。3 m m 1 o m m 为宣，0 2 5m m - - , o 5 0 m m 为佳。聚苯乙烯小球以0 5m m 3 o m m 为宜，其密度接近于1 0 9 c m 3 ，与水的密度相近， 簸稷荔流纯，运行能耗省，键箕价格昂凝： 3 ) 载体的级配：为使屎内载体分布均匀，使水动力学状况良好，床内生物量分稚均匀、 食理，剐要求载伴的级酝趋于一致。利用人工构造的载体比较容易做到这一点。例如床 底层有枫受荷麓，生物膜容易变褥厚些，藤上层薄些，妇于庆恣水力运旗剧燕，镬膜熬 形成、成熟、脱藩过程变化剧烈，载体颗粒不断沉淀，混合接触疑好。哭然物料的载体 凝粒苓爨有越钱点，剽装求久必豹控翱鼢粒羟缀酝，一般黻磊蠢i 。或必宣； 4 ) 载体颗粒的澎状：实践表明，载体的形状应尽量接i 琏球形，在这方蕊利用人工构造 静载俸鬏粒逡较容荔骰剿。石葵移颓粒魄较适宣。魏外，要求载钵表面阮较粮糙，戬翻 微生物吸附、生长； 5 ) 载棒颥粒的质量：它影响到流化床内床层的水力条件、运行雒耗及传质。溉耍使载 体在床走维持良好的水动力状况，不要隧盛水外逸，又要节省遮行能越，奏列传曩； 6 ) 载体的强度：载体应具有足够强度，承受摩擦、侵蚀、碰撞的能力强，不易磨损粉 姆，以减少损耗劳延长傻鼹毒会； 7 ) 载体上生物膜厚：最好控制猩1 0 0 p m 一2 0 0 h m ，以1 2 0 u i n 1 4 0 “m 为健。 国内务豹一鍪试验络采楚不尽翔嚣豹，有关技术参数麴建议是有矛盾漪。镶如， 以载体粒径的选择为例，同本的试验结果认为d o 4 2 m m 或d o 6 0 m m 为好，而荷兰的 试验结栗认为踟1m m 棚3 r a m ( 玄武岩及石英细砂) 为好。其他不少研究者取得的共 识是：小颗粒的载体更适用于内循环三棚流化床反应器。国内研究还发瑗，载体颗粒在 床中并不是原来初始的颗粒，而是在运行中随着有机负荷、水力遥动等因素而变化，而 爨还毒雯甥皇舅爨台形戏戆颞裁( 类 鞋“颗粒生物痰”，已有魏凌象发垒) 。 从2 0 世纪7 0 年代生物流化床反应器技术逐渐发展以来，人们曾尝试了不同种类的 上海师范大学硕士学位论文 鞴质生物膜陶瓷糕体的耕制反在濑化床中的应用 载体：沸石1 2 5 j ，活性炭，陶粒让7 2 吼、塑料球捌，玄武石1 3 0 】、炉渣p ”、焦炭 嘲、无烟 煤 3 2 1 、缨石英砂f 3 2 1 等，然藤隧上载体露在如魄霪较大、毙表嚣辍小、缝貘馒、不薅瘗、 形成流态困难、价钱偏黼、不易取材等缺点，因此，找到一种轻质、耐磨、易掩膜的载 钵楚巍纛要。 常溉用于商用生物反应器的固体颗粒微生物载体主要有砂、颗粒状活性炭( g a c ) 、 多藐无梳颗粒弼硅藻、氧纯镄及烧结玻璃，零管这些囊物载俸均有市傍，且融充分诞 骐其能附着降解化学物质的细菌，但都存在这榉或那样的缺点。 颗粒状活性炭和无机生物载体价格昂贵且年磨损率达5 2 0 ，此外，由于这两种 物质密殿大旦易碎，使褥报难用反冲洗竣枧械方法来将生甥传分离凑来，霞l 鞋：，穆过墼 缴物量从生物载体上清除成为一个难题。沙子鼠然价廉姐不容易碎，但微生物的定殖却 鼹要据娄长夔时潺，并无法剥震纯学暇辫辏蘩去除捉到。嚣乡 涉载徽生物牲戆客翁失效， 在受化学或物理破坏后恢复缓慢。硅藻土对微生物的固定主要魑靠吸附作用，擞然价格 氛瘫，攥是啜辩箨蘑力较嚣，警物貘荔藏落。 为此，我们猩前人的基础上，制各了一种新型的陶救生物膜载体，用于生物流化床。 该种陶敉载体壳黢了活性炭、橡胶、石麓砂等目前使用较多载体的缺点，在耐磨性、密 度、材料、挂膜速度等方砸有针对性地遴雩亍了改进，遭避实验+ 其具鸯以下特性： 1 ) 陶粒比表面积大，有多孔结构，有利于艇物膜的快速形成； 2 ) 采是无掇艇辩制戏，不影响原零戆酸碱浚，对叟浆无毒寒接雳； 3 ) 传质性能好，性质稳定、不易被生物降解； 4 ) 撬辕强麓较高，捷蘑寿愈长； 5 ) 密度小，容易在流化床内形成流态，耗能少。 1 4 论文研究背景及选题意义 近年来，生物流化床在有机废水的处理方面融呈现出良好的发展前景，废水处理三 襁流毒乏臻鍪勃反藏器是将生物技术、纯工技术及水处理技术有机结合并j 燕用于废水处理 的一种新型生化处理装鬟。它具有其他生物膜法无可比拟的优点3 卯，其滤体混合性 能良好、生物浓度高、传热、传质效果好，具有搬高的容积负荷率和污混负荷率，剩余 浮泥量少，不需要污泥回流设冬，可以馒装置款褰积大大减小，蚨瑟显蓑降低工疆投资 殿土地占用面积。 1 2 上海师范大学硕十学位论文 鞠质生物膜陶瓷载体的研制及在流化床中的应用 在生物流化床工艺中，流化床内填料的挂膜效果直接影响反应器的处理效鬻，良好 瓣载傣鸯利于接貘或凌，瑟显璧三耪膜够保持较好匏活瞧，降髂滚痰憝效莱裁好。嚣蘸， 关于生物流化床的结构、节能及应用方颟的研究比较多m3 7 3 8 , 3 9 , 4 叭，而对于流化床内 掰瘸载箨匏褴熬及莛貘效莱熬磺究工终并不多觅。现今瘸在生携滚纯藤肉静载俸有移、 焦炭、活性炭等，在实际应用过程中，獭他们的投加率l o 时，就不能得到理想的流 他效栗，丽盈便瘸过程中磨损大，在流纯床内彳窜为载锌撩膜效采并不太理想，翻丽并不 能使生物流化床达到最健的处理效率。 1 5 论文研究内容 基于目前生物流化床载体存在的不足，制备了一种新型微生物载体，并将其用于自 制的三稍内循环，主物流纯床中，驻期达捌高效处理模拟废水中c o d 、氨氮等指标的目 的。主要研究内容包括： 1 ) 新型辍质生物膜陶粒簸体的研制：研究载体的配方、烧制工艺、相关工艺参 数以及陶粒物理性质麓； 2 ) 三相内循环生物流化床的设计、制造及其水力学特性研究； 3 ) 载褡l # 生秘嚣素影