生物流化床的类型及特点.doc

生物流化床的类型及特点应用生物流化床处理废水日益得到国内外研究者的高度重视，这是由于该法具有如下特点 1：带出体系的微生物较少；基质负荷较高时，污泥循环再生的生物量最小，不会因为生物 量的累积而引起体系阻塞；生物量的浓度较高并可以调节；液一固接触面积较大；BOD容积负荷高；占地 面积小。用于处理废水的生物流化床，按其生物膜特性等因素可分为好氧生物流化床和厌氧生物流化床两 大类，随着对流化床的不断研究与开发，当前已出现了许多新类型的流化床，本文总结了国内生物流化床 的研究成果，以期对工程技术人员有所帮助。1 好氧生物流化床1.1 好氧生物流化床的结构组成好氧生物流化床是以微粒状填料如砂、焦炭、活性炭、玻璃珠、多孔球等作为微生物载体， 以一定流速将空气或纯氧通人床内，使载体处于流化状态，通过载体表面上不断生长的生物膜吸附、氧化 并分解废水中的有机物，从而达到对废水中污染物的去除2。好氧生物流化床按床内气、液、固三相的混合程度的不同，以及供氧方式及床体结构。脱膜方式 等的差别可分为两相生物流化床和三相生物流化床。1.1.1 两相生物流化床两相生物流化床工艺流程见图1。其特点是充氧过程与流化过程分开并完全依靠水 流使载体流化。在流化床外设充氧设备和脱膜设备，在流化床内只有液、固两相。原废水先经充氧设备， 可利用空气或纯氧为氧源使废水中溶解氧达饱和状态3。1.1.2 三相生物流化床该反应器内气、液、固三相共存，污水充氧和载体流化同时进行，废水有机物在载体生物膜的作 用下进行生物降解，空气的搅动使生物膜及时脱落，故不需脱膜装置。但有小部分载体可能从床中带出， 需回流载体。三相生物流化床的技术关键之一，是防止气泡在床内合并成大气泡而影响充氧效率，为此可 采用减压释放或射流曝气方式进行充氧或充气。近期，国内环保设备企业开发较多的是内循环式生物流化床，其工艺流程如图2所示。该流化床 由反应区、脱气区和沉淀区组成，反应区由内筒和外筒两个同心圆柱组成，曝气装置在内筒底部，反应区 内填充生物载体。混合液在内筒向上流、外筒向下流构成循环。1.2 好氧生物流化床适用范围适用于各种可生化降解的有机废水处理，主要用于去除中、低浓度的有机碳化合物，以及好 氧硝化去除NH3N，对各类生活污水及工业废水均有良好的处理效果。1.3 应用好氧生物流化床处理废水的效果好氧生物流化床已用于多种工业废水及城市污水的处理，并且取得了良好的效果。好氧生物 流化床处理不同废水的操作情况及结果见表1。表1 好氧生物流化床处理不同废水的操作情况及处理效果 4-13 废水类别进水停留时间/h有机负荷（以CODcr计）/（kg.m-3.d-1)分析项目去除率/%CODcr去除率/%备注（CODcr)/(g.L-1)(BOD5)/(g.L-1)生活污水0.15-1.00.6710.4NH3-N6089小试甲醇废水6.204.87682.08甲醇99.694.6接菌种186含氰废水0.4-0.54CN80.9-99.560小试染料生产废水（含Cu）0.15-0.220.07-0.120-243-4Cu7592-93小试染料废水（碱性绿）1.440.7-4色度9472射流曝气啤酒废水4.32.380小试化工有机废水1.3-2.53.5-5.66.3-7.2NH3-N45.2-6468.4小试P62.9-71.7石化废水0.5-0.81.515NH3-N4075-80小试油75P86炼油厂含硫污水1.2-1.93.5-6.980小试人工合成废水2.0硫化物8698（NH4Cl,NaHCO3)酚92好氧硝化酵母生产废水1.96208.2NH3-N90822 厌氧生物流化床与好氧生物流化床相比，该法不仅在降解高浓度有机物方面显出独特优点，而且具有良好 的脱氮效果。2.1 厌氧生物流化床的结构组成厌氧生物流化床可视为特殊的气体进口速度为零的三相流化床。这是因为厌氧反应过程分为 水解酸化、产酸和产甲烷3个阶段，床内虽无需通氧或空气，但产甲烷菌产生的气体与床内液、固两相混 和即成三相流化状态。厌氧生物流化床工艺如图3所示14。为维持较高的上流速度，需采用较大的回流 比。厌氧生物流化床内微生物种群的分布趋于均一化，在床中央区域生物膜的产酸活性和产甲烷活性都很 高15，从而使其有效负荷大大提高。2.2 厌氧生物流化床的适用范围厌氧生物流化床既适于高浓度的有机废水，又适于中、低浓度的有机废水处理，它的有 机容积负荷（以BOD5计）可达210kg（m3.d），由于所需氮磷营养较少，尤 适于处理氮磷缺乏的工业废水。处理的工业废水包括含酚废水、萘磺酸废水、鱼类加工废水、炼油污 水、乳糖废水、屠宰场废水、煤气化废水等，处理的城市污水包括家庭废水、粪便废水、市政污水。厨房 废水等。2.3 应用厌氧生物流化床法处理废水的效果厌氧生物流化床处理废水的研究与应用实例迄今为止已比较广泛，而且已发挥了显著优 势。表二中列举了一些研究及应用结果。表2 厌氧流化床试验及应用结果举例4,16-23废水类别进水停留时间/h有机负荷（以CODcr计）/（kg.m-3.d-1)温度去除率/%备注（CODcr)/(g.L-1)(BOD5)/(g.L-1)CODcrBOD5大豆蛋白生产3.7-4.72.3-2.510-127.6-11.030-359196中试有机酸生产8.87.0542309999中试含酚废水2.8-3.72.1-3.0154.5-5.9309999中试软饮料生产（1）0.980.833090中试软饮料生产（2）6.03.98-143580小试化工废水（含乙醇）12.08-203580小试食品加工7.0-10.08-243580小试污泥热处理分离液10-305.0-158-203580小试啤酒酵母加工废水5.65.179.830-3593.598.5实践应用，预酸化造纸黑液5.510.1912.975小试，预酸析干酷生产废水3413.4-37.63593-97小试城市废水0.180.082.47.7157582小试，低温处理制药废水9.4-12.59.632.064080小试硫酸盐草浆废水2-55-6.53-943.228-3250-70小试，加BaCl2除硫印染废水（含活性艳红，弱酸性深蓝）0.8-0.92.5-325-4044-49小试，采用固定化人工合成废水（含乙酸、丙酸、铬酸）1.06-124.03596脱色菌小试3 其它新型流化床为使生物流化床发展成为高效、低耗、连续处理大量废水的新型反应器，国内外又研究开发了 一些新型生物流化床反应器。3.1 磁场生物流化床磁场生物流化床反应器装置比较复杂，需在床体外加磁场，并且固定化细胞的载体内需含一定的 磁介质，床层内存在3种状态；散流床、链流床、磁聚床。施加磁场带来两个方面优点：固相粒子可在 更大的流速下才能从磁场生物流化床冲出；单位反应器体积所降解的污染物量明显提高 24。将厌氧磁场生物流化床用于处理人工模拟印染废水，以紫色非硫光和细菌为脱色菌，并做成固定 化细胞，在床体内加入磁粉，在温度为2540下对活性艳红X3B及弱酸性深蓝GR废水进行处理，也取 得了良好效果（脱色率大于90，CODcr去除率50左右）。试验结果表明，使床体在磁场作用下能缩短 启动时间，而且处理效率有较大提高。3.2 复合式生物流化床将不同类型的生物流化床组合或将生物流化床与其它生化处理反应器组合，便形成复合生物流化 床。这样可以兼顾不同反应器的特点，提高处理效果，这种组合已经成为生物流化床的一个新发展方向。 3.2.1 厌氧一好氧复合式生物流化床此种生物流化床是由英国水研究中心开发的，用作有机物的去除、氨氮的硝化和脱氮，均收到良 好的效果。其流程如图4所示。该法的特点是第1段厌氧床内的兼性菌利用硝酸盐中的氧作为氧源，使废水 中部分有机碳化合物氧化，因而不需要补充碳源，同时也减少了第2段好氧床的有机负荷，降低能耗。最 终使排水中硝酸盐的质量浓度降至510mgL。3.2.2 固定床-流化床生物反应器北京化工研究院开发了一种全混型和置换叠加的复合式生物流化床，在一个床中实现了流化 床和固定床的串联操作，既有利防止流态化生物相及生物载体的溢出，又具有良好的循环特性。反应器结 构如图5所示。研究结果表明，用其处理淀粉废水，停留时间小于4h，最大CODcr负荷为4.2kg（ m3.d），具有处理能力大、效率高的优点。3.2.3 好氧流化床-接触氧化床复合反应器此种反应器属一体化设备，以一上部带有活动式过滤安全网的内循环流化床为主体，流化床 上部出水通过自充氧系统，进人侵没式接触氧化床，进一步反应后出水，该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和接触氧化滤床出水性能好的特点，又因气水比低、能耗小和适应性好等， 故有良好的应用前景。反应器结构如图6所示25。3.3 厌氧甲烷发酵流化床膜反应器该反应器是把流化床反应器和膜分离技术结合起来，采用固定化技术固定微生物，通过膜分 离得到高质量的出水，其原理如图7所示。它具有生物介质分布均匀、传质速度快的特点，同时又能打破 化学平衡的限制，提高底物浓度，将出水质量好和反应效率高有效的结合起来，省去后处理装置，特别适 用于高效率菌种且受底物浓度限制大的情况。其缺点是操作费用高、质优价廉的膜材料难以获得 26。3.4 三重环流生物流化床该流化床由华南理工大学设计27，将内循环管（气升管）分为3段，使三相流 体按一定分布进行三层次的循环流动，其设计目的为强化传质，提高混合，降低启动压力。其结构及循环 示意如图8所示。经流体力学实验研究表明，该反应器的气相含率较单重环流反应器在相同实验条件下高 1015，气流量增大，缩短了循环时间，使液体循环速度加快。用该流化床处理废水，在有毒有机物高负荷条件下运行良好，平均容积负荷（以 CODcr计）为 7.16kg（m3.d）山时，CODcr平均去除率可达79.5，芳烃类化合物去除率为91.9，对酚类去除率达 94.8。4 结语生物流化床法处理废水的优越性已从各种研究及应用实例中充分表现出来，它的确 是一种前景广阔值得深入研究的高效节能的废水处理方法。面对各种类型的生物流化床，笔者认为，在研 究与应用中应注意以下问题：了解不同生物流化床的优缺点：生物流化床的设计意图不同，所处理废水的侧重点也不同，只 有针对性的选用适宜的反应器，才能达到良好的处理效果。加强高效优良菌种的筛选：既包括广普高效菌种的筛选，又要重视专一菌种的选择，发挥其特 殊降解功能，利用遗传工程获得优良菌种。生物流化床新设备的开发应注意的事项：优化设计，降低成本，并加强工业化连续处理废水的 自动化成分。生物流化床-化学絮凝法处理纸浆漂白废水造纸工业制浆漂白工段的含氯漂白废水由于含有氯苯酚、氯化脂肪酸、氯化树脂酸、dioxin等有毒且难以处理的氯化有机物，对环境中的生物具有强烈的毒害、致畸、致多发性脑神经病变作用。含氯漂白废水的BOD与COD的质量比小于0.3，又具有毒性，因此通常情况下不宜直接采用生化法处理周为其所含的有机物质相对较少，不能直接送人碱回收车间进行燃烧；而采用物化法处理，又不能很有效地去除废水中的氯化有机物1，如何治理含氯漂白废水已经成为困扰人们的一项难题。生物流化床技术是70年代以来兴起的新型高效污水处理技术，它可以取得比活性污泥法高数十倍的效率，具有很好的发展前景。用生物流化床技术处理造纸工业含氯漂白废水，目前在国内外还没有见到详细的报道，本研究从此方面人手，采用流化床与化学絮凝联用的工艺，获得了较好的处理效果。 1 内循环生物流化床的结构及处理流程 试验用内循环生物流化床反应器及处理工艺流程见图1。在流化床中加人颗粒活性炭作为生物膜的载体，进水和压缩空气通过射流管和气体分布器后进人流化床，推动载体流化，形成细小气泡水与载体的三相混合流体，首先由内筒上升至流化床上部的三相分离区，然后载体再经由外筒的降流区下落到流化床底部，形成内循环。一部分小气泡跟随下降的流体到达降流区，大部分气泡在三相分离区逸出。经过三相分离区分离掉载体后的出水进人一个沉淀池，经沉淀分离后进人下一处理单元。循环推动力来自压缩空气。 2 实验用水和活性污泥 废水取自广东某甘蔗化工厂纸浆漂白车间。该厂漂白工艺为（氯化+碱处理+次氯酸盐漂+过氧化氢漂），本研究所用废水为CEH三段废水按1：1：1比例混合。废水水质见表1。 表1 废水水质pHCODcr/(mg.L-1)BOD5(mg.L-1)TSS/(mg.L-1)VSS/(mg.L-1)色度/（C.U)AOX/(mg.L-1)6.2125036019201020148745活性污泥取自广州某污水处理厂活性污泥池。污泥浓度约40gL。取回的污泥经过滤去杂质后，取一定量上层液体放人内循环三相生物流化床中，使反应器内的污泥浓度约为4gL。加人配制的废水进行接种驯化。 3 实验方法 3.1 流化床处理方法首先在流化床中加满配制好的营养液和载体，载体采用颗粒活性炭：粒径0.32mm，颗粒密度约0.9gcm3，比表面积约900m2g（BET），真密度约1.8gcm3，堆积重约400gL，加人量为6（有效体积比）。开始时不加漂白废水，加人适量葡萄糖控制总的 CODcr负荷为1200mgL左右；按m（COD）：m（N）：m（P）为100：5：1的比例添加必要的氮盐和磷盐，同时加人碳酸氢钠调节PH值为78。压缩空气流量为0.50.75m3h，以保持溶解氧在2mgL以上。进液流量为6L/h，亦即水力停留时间（HRT）为6h。加入一定量的活性污泥，使流化床内的污泥浓度大约在5左右，然后通气进行间曝。闷曝1d以后，开始连续进水，进水由营养液和漂白废水按一定配比组成，保持总的COD负荷不变，根据微生物生长及出水的状况，逐渐增加漂白废水在进水中的比例，驯化微生物对含氯漂白废水的适应性，直到全部进水由漂白废水取代并达到稳定的处理效果。然后改变水力停留时间、供气量等条件，测定此过程含氯漂白废水的性质的变化。观察载体上生物膜的生长状况。3.2 化学絮凝处理待获得稳定的出水以后，对出水采用化学絮凝法处理。选用Al2（SO4、FeCl3、PAC（聚合氯化铝）。PFAC（聚铁铝）在相同的处理条件下进行实验。实验在烧杯中进行，将一定量的废水加人后，调节PH=7左右，在搅拌的条件下加人300mgL的絮凝剂，快速（150180rmin）搅拌1min，再加入10mg/L的聚丙烯酷胺（PAM）助凝，继续快速搅拌1min，再慢速（80100rmin）搅拌10min，待静置澄清后取上清液进行各项测定。根据COD和色度的去除效果选择最好的一种絮凝剂，再采用正交实验确定其处理的最佳条件。 4 实验结果 4.1 流化床处理部分4.1.1 微生物驯化过程的描述驯化过程中发现，在初期没有加人含氯漂白废水之前，流化床反应器内只有营养物质，此时微生物生长良好，一两天之后就能在载体上附着一层薄的生物膜，镜检发现浮游生物很活跃，有较多累枝虫。钟虫已经在载体表面生长，微生物活性良好，出水COD下降明显，体系内溶解氧呈现较低的状态。逐日增加含氯废水的比例以后，生物膜的生长会出现如下比较明显的变化规律：开始时受抑制，生物活性下降，出水污染负荷上升之后有所恢复，生物活性增强，生物膜恢复生长，出水污染负荷下降。为避免含氯废水增加过快，超过微生物的忍耐极限而导致实验失败，驯化过程中都是在生物膜生长趋于适应期以后才增加进水的负荷。随着载体上附着了越来越多的生物膜，载体的表观密度逐渐会下降，变得更轻，更容易流化，同时在下降区的载体下降速度有所变慢。4.1.2COD的去除效果COD的去除效果见图2、图3。 从图4中可见，延长水力停留时间，可以改善流化床出水的水质，获得更好的处理效果。但长的水力停留时间意味着处理量的下降，或者需要的反应器体积增大，这在工程中有时是很难满足的。因此只能在允许的范围内适当延长水力停留时间，然后再通过后续处理来使出水完全达标排放。本研究中，采用水力停留时间为6sh已经基本可以满足实验要求。4.1.4 进气流量对流化床处理效果的影响进气流量的大小是影响处理效果的重要因素，因为它不仅要提供体系流态化的推动力，还要提供可见，生物流化床对漂白废水的处理效果是较好的，基本上保持了75左右的COD去除率。对于进水水质的突然变化，也有较好的适应性。系统正常运行以后，对含氯漂白废水的处理效果见表2。 表2 流化床对含氯漂白废水的处理效果水样COD/（mg.L-1)BOD/（mg.L-1)色度（C.U)TSS/（mg.L-1)VSS/（mg.L-1)AOX/（mg.L-1)处理前1200-1400350-4001500-16001900-2000950-100040-50处理后350-40080-120500-550150050020去除率约72%约73%约66%约25%约50%约56%从实验结果来看，内循环生物流化床对漂白废水的处理效果较好，其COD、BOD等指标的去除率均达到70以上，对AOX也有超过50的去除率，出水的污染负荷已经大大降低。4.1.3 水力停留时间对流化床处理效果的影响在流化床运行比较稳定，对废水的污染负荷有较大的去除率以后，改变流化床的水力停留时间，研究其对处理效果的影响。为了获得比较稳定的结果，对不同的水力停留时间均进行45d的稳定处理，微生物呼吸所需要的溶解氧。在流化床设计定型以后，实际操作中只能通过改变进气流量来改变流化床的传质效能，进气流量在保证体系流态化的前提下，对氧传递效率的影响见图5。可见，在一定的气体流量范围内，增加Ug有利于氧传递效率的提高。但过高的气体流量下氧传递效率反而有所降低，这是因为高的气体速