[摘要] 生物流化床技術(shù)是普通活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的廢水生化處理技術(shù)。通過對(duì)近年國內(nèi)外生物流化床技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，文中從生物流化床類型、特性入手，對(duì)生物流化床技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。
[關(guān)鍵詞] 生物流化床;廢水處理;研究進(jìn)展
生物流化床技術(shù)是普通活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的廢水生化處理技術(shù)[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(nèi)，載體表面覆蓋著生物膜，污水以一定流速從下向上流動(dòng)，使載體處于流化狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行去除和降解有機(jī)污染物。在20世紀(jì)7O年代，美國、英國和日本等一些國家將這一技術(shù)應(yīng)用于污水生物處理領(lǐng)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(shù)更是受到國內(nèi)外研究者的廣泛重視，本文將就生物流化床技術(shù)研究的比較新進(jìn)展作一綜述。
1 生物流化床的基本類型
根據(jù)生化反應(yīng)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(jìn)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(jù)生物流化床的供氧、脫膜和床體結(jié)構(gòu)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(dú)設(shè)置充氧設(shè)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(shè)的充氧設(shè)備中與空氣相接觸，使氧轉(zhuǎn)移至水中。充氧后的污水從底部通過布水裝置進(jìn)入生物流化床，上升的過程中，一方面推動(dòng)載體使其處于流化狀態(tài)，另一方面廣泛、連續(xù)地與載體上的生物膜相接觸。為了及時(shí)脫除老化的生物膜，在流程中設(shè)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(nèi)，脫除下來的生物膜作為剩余污泥排出系統(tǒng)外。處理后的污水從上部流出床外，進(jìn)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(nèi)接觸進(jìn)行生化反應(yīng)，不另設(shè)充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備，載體表面的生物膜依靠氣體的攪動(dòng)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(shè)備簡(jiǎn)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(nèi)呈流化狀態(tài)，因此其單位體積表面積比其它生物膜法大很多。
2.2 傳質(zhì)效果好[2]
由于載體顆粒在床體內(nèi)處于劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，氣一液一固界面不斷更新，因此傳質(zhì)效果好，這有利于微生物對(duì)污染物的吸附和降解，加快了生化反應(yīng)速率。
2.3 容積負(fù)荷高，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)[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(zhì)速度快，廢水一進(jìn)入床內(nèi)，很快地被混合稀釋，所以生物流化床的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，容積負(fù)荷也較其它生物處理法高。因此，在相同進(jìn)水濃度下，采用生物流化床技術(shù)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(qiáng)[2]
由于生物顆粒在床體內(nèi)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(duì)于同類廢水，在相同處理?xiàng)l件下，其生物膜的呼吸率約為活性污泥的兩倍，可見其反應(yīng)速率快，微生物的活性較強(qiáng)。帶出體系的微生物較少，污泥的再循環(huán)量和再生的生物量少，不會(huì)因生物量的累計(jì)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(shù)的研究現(xiàn)狀
3.1 工藝結(jié)構(gòu)的研究
為了處理一些較難降解的有機(jī)廢水，北京化工研究院[11-12]開發(fā)了一種復(fù)合型生物流化床反應(yīng)器，它在同一個(gè)床內(nèi)實(shí)現(xiàn)了流化床和固定床的串聯(lián)操作。華北工學(xué)院[13-14] 在復(fù)合生物流化床的基礎(chǔ)上，研制了一種新型內(nèi)循環(huán)三相復(fù)合生物流化床。該反應(yīng)器屬一體化設(shè)備，主體為上部設(shè)有活動(dòng)式過濾安全網(wǎng)的內(nèi)循環(huán)流化床，流化床上部出水通過自充氧系統(tǒng)充氧后，進(jìn)人浸沒式接觸氧化床，進(jìn)一步反應(yīng)后出水。反應(yīng)器除具有優(yōu)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(yōu)點(diǎn)，并且其氣水比低、能耗較小、適應(yīng)性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。
荷蘭的Frijters[15]等人開發(fā)了一種新型的Circox氣升式流化床反應(yīng)器。該反應(yīng)器有好氧和缺氧兩區(qū)，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(yīng)器。該裝置在常規(guī)氣升式內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器的基礎(chǔ)上附加了一個(gè)缺氧區(qū)，并且通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器頂部空間的氣壓來控制液流和生物載體在好氧區(qū)與缺氧區(qū)間的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)硝化與反硝化作用的一體化。
韋朝海[17-19]等將圓柱形導(dǎo)流筒和內(nèi)循環(huán)管分別改為縮放型導(dǎo)流筒和三重環(huán)流循環(huán)管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，縮放型導(dǎo)流筒增強(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)流體的湍流程度，強(qiáng)化了氣液傳質(zhì);三重環(huán)流循環(huán)管縮短了液相混合時(shí)間，提高了氣含率與氧傳質(zhì)系數(shù)。
3.2 流體力學(xué)特性研究
韋朝海[17]、謝波[19]等對(duì)三重環(huán)流生物流化床和縮放型導(dǎo)流筒氣升式內(nèi)環(huán)流生物反應(yīng)器的流體力學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明在相同的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，三重環(huán)流生物流化床可提高氣含率10%～20% ;縮放型導(dǎo)流筒氣升式內(nèi)環(huán)流生物反應(yīng)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(huán)速度隨氣流量增大而增大，在上升區(qū)隨著固含率增大而下降。
管秀瓊[20]等也對(duì)三相生物流化床的流體力學(xué)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(duì)非牛頓流體三相流化床的平均氣含率做了研究，測(cè)定了液體特性、氣體分布器類型和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)總氣含率的影響。結(jié)果表明，正確地調(diào)配液體粘度和設(shè)汁氣體分布器能將平均氣含率提高20%。對(duì)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(guī)律;隨著表觀氣速的增大，總氣含率是增大的;隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，對(duì)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(dòng)混合特性與流動(dòng)模型研究
王鐵峰[21]嵋等開發(fā)了一種新型的光纖探頭多相流氣泡測(cè)試系統(tǒng)，并應(yīng)用此系統(tǒng)研究了三相循環(huán)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(duì)這兩種分布的影響。
Maria Gavrilescu[21]等研究了同軸心氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器上升區(qū)、下降區(qū)、底部和氣液分離區(qū)的液楣停留時(shí)間分布。結(jié)果表明，氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器比敢泡塔反應(yīng)器具有更均勻的流型，并通過軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型對(duì)兩種反應(yīng)器進(jìn)行比較，得出結(jié)果也是氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器優(yōu)于鼓泡塔反應(yīng)器。
3.4 氧傳質(zhì)特性及氣一液傳質(zhì)系數(shù)Kla關(guān)聯(lián)式
顏涌捷[22]等采用溶氧電極法測(cè)定了以牛頓和非牛頓流體為液相的三相流化床提升管內(nèi)的氣一液傳質(zhì)系數(shù)Kla。結(jié)果證明Kla值受床層流動(dòng)特性的影響顯著，且那些能提高氣含率和增大液相循環(huán)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(zhì)的存在都使Kla值提高。他們還通過引入廣義雷諾數(shù)得出了適用于牛頓和非牛頓流體的Kla關(guān)聯(lián)式。
Chia—Min Chen[23]等對(duì)非牛頓流體三相流化床的氣液傳質(zhì)特性做了研究，測(cè)定了液體特性、氣體分布器類型和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明，正確地調(diào)配液體粘度和設(shè)計(jì)氣體分布器能將氣液傳質(zhì)系數(shù)提高30%。通過設(shè)備改良極大地提高了氣液傳質(zhì)速率，并消除了小顆粒三相流化床的氣泡并聚現(xiàn)象。氣液傳質(zhì)系數(shù)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(zhì)系數(shù)也隨之增大;隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，對(duì)于不同的氣體分布器，系統(tǒng)的氣液傳質(zhì)系數(shù)有不同程度的增大。
韋朝海[17]、謝波[19]等對(duì)三重環(huán)流生物流化床和縮放型導(dǎo)流筒氣升式內(nèi)環(huán)流生物反應(yīng)器的氧傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明在相同的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，三重環(huán)流和縮放型導(dǎo)流筒反應(yīng)器都使氧傳質(zhì)系數(shù)提高了10 以上，氧傳質(zhì)系數(shù)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(chǔ)上建立了各實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的氧傳質(zhì)系數(shù)與操作參數(shù)和物性參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式。
楊衛(wèi)國[24]等采用溶氧法測(cè)量了三相循環(huán)流化床中波相溶氧濃度的軸向分布，并按軸向擴(kuò)散模型處理實(shí) 數(shù)據(jù)，優(yōu)化得到氣液體積傳質(zhì)系數(shù)Kla。同時(shí)用光纖探頭測(cè)量了體系中的氣含率和氣泡大小分布，計(jì)算得到了氣液相界面積和氣液傳質(zhì)系數(shù)Kla，并研究了主要操作條件(表觀氣速、表觀液速和固含率)對(duì)氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律。
3.5 生物載體研究
李探微[25-26]等采用氣提式循環(huán)流化床反應(yīng)器處理污水，對(duì)爐渣、焦碳、塑料顆粒進(jìn)行了載體實(shí)驗(yàn)比較。結(jié)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(yōu)于爐渣，塑料效果比較差;有機(jī)物降解作用，焦碳、爐渣兩者的COD去處率相當(dāng)，塑料效果比較差。李探微等還考察了不同級(jí)配的載體對(duì)床內(nèi)氧傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明，載體中投配部分大顆粒，有利于氧在水中的轉(zhuǎn)移;反應(yīng)器條件不同，比較佳顆粒尺寸級(jí)配也不相同。
蔡建安[27]等發(fā)現(xiàn)，在氣升式流化床反應(yīng)器中使用粗粒焦碳與細(xì)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(jí)配的混合載體容積負(fù)荷高，不易流失，有利于載體掛膜和氧的轉(zhuǎn)移傳質(zhì)，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(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒活性炭流化床比以砂粒作載體的流化床具有更高的抗COD 沖擊負(fù)荷的能力，也能更迅速地啟動(dòng)。
3.6 生物膜特性研究
Kargi[29]等對(duì)生物流化床進(jìn)行了理論分析，認(rèn)為生物膜有一個(gè)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(duì)生物膜厚度對(duì)流化床反應(yīng)器處理性能的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)載體生物膜較薄時(shí)，雖然膜內(nèi)傳質(zhì)阻力較小，但由于此時(shí)生物濃度也較低，故處理效果較差，出水濃度較高;而當(dāng)載體生物膜較厚時(shí)，一方面由于膜內(nèi)傳質(zhì)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(dǎo)致床內(nèi)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(shù)，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(cè)定比較佳生物膜活性的影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物膜活性受到液一固傳質(zhì)及載體的粗糙性的強(qiáng)烈影響。
潘濤[32]等通過工業(yè)規(guī)模的三相生物流化床試驗(yàn)，探討了載體表面生物膜厚度與有機(jī)物去除速率、容積負(fù)荷及污泥濃度等傳統(tǒng)參數(shù)之間的必然聯(lián)系，證實(shí)了生物膜厚度是描述反應(yīng)器行為的關(guān)鍵參數(shù)，揭示了三相生物流化床高處理效率的實(shí)質(zhì)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(shù)展望
生物流化床技術(shù)融合了化工流態(tài)化技術(shù)、微生物技術(shù)與廢水處理技術(shù)，是一種新型生化處理裝置。生物流化床提高了處理設(shè)備單位容積內(nèi)的生物量，強(qiáng)化了傳質(zhì)作用，加速了有機(jī)底物從污水j句微生物細(xì)胞的傳遞過程，成為生物膜法的新突破。
今后，隨著人們加強(qiáng)對(duì)其流體力學(xué)特性和傳質(zhì)特性的研究，加強(qiáng)優(yōu)良菌種的篩選和生物膜特性的研究，生物流化床技術(shù)在廢水生物處理工藝中將有著更加廣闊的應(yīng)用前景，這對(duì)進(jìn)一步發(fā)展生物流化床技術(shù)和防治水體污染具有很大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。 來源：谷騰水網(wǎng) 作者: 汪德進(jìn)
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