生物流化床处理废水的研究进展

Posted 2023-01-14 流化床

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[摘要] 生物流化床技术是普通活性污泥法和生物膜法相结合的废水生化处理技术。通过对近年国内外生物流化床技术的研究和应用现状的分析，文中从生物流化床类型、特性入手，对生物流化床技术的应用前景进行展望。

[关键词] 生物流化床；废水处理；研究进展

生物流化床技术是普通活性污泥法和生物膜法相结合的废水生化处理技术[1-2]]。它以砂、活性炭、焦炭一类的较小颗粒为载体填充在床内，载体表面覆盖着生物膜，污水以一定流速从下向上流动，使载体处于流化状态，同时进行去除和降解有机污染物。在20世纪7O年代，美国、英国和日本等一些国家将这一技术应用于污水生物处理领域，并开展了多方面的研究工作[3-9] 。近年来，生物流化床技术更是受到国内外研究者的广泛重视，本文将就生物流化床技术研究的最新进展作一综述。

1 生物流化床的基本类型

根据生化反应的类型不同，可分为厌氧生物流化床和好氧生物流化床。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。与好氧流化床相比，需采用较大的回流比。根据生物流化床的供氧、脱膜和床体结构等方面的不同，好氧生物流化床主要有两相生物流化床和三相生物流化床两种基本类型。

两相生物流化床是在流化床体外单独设置充氧设备与脱膜装置，基本工艺流程如图1所示[1]。原污水与部分回流水在专设的充氧设备中与空气相接触，使氧转移至水中。充氧后的污水从底部通过布水装置进入生物流化床，上升的过程中，一方面推动载体使其处于流化状态，另一方面广泛、连续地与载体上的生物膜相接触。为了及时脱除老化的生物膜，在流程中设置专门的脱膜装置，间歇工作，脱除了老化生物膜的载体再次返回流化床内，脱除下来的生物膜作为剩余污泥排出系统外。处理后的污水从上部流出床外，进入二次沉淀池，分离脱落的生物膜，处理水得到澄清。

三相生物流化床是气、液、固三相直接在流化床体内接触进行生化反应，不另设充氧设备和脱膜设备，载体表面的生物膜依靠气体的搅动作用，使颗粒之间激烈摩擦而脱落。其工艺流程如图2所示[2]。三相生物流化床的充氧方式有减压释放空气充氧和射流曝气充氧等形式。三相生物流化床设备简单，操作较容易，此外，能耗也较两相生物流化床低。

2 生物流化床的特性

2．1 具有巨大的比表面积[10]

生物流化床是采用小粒径固体颗粒作为载体，且载体在床内呈流化状态，因此其单位体积表面积比其它生物膜法大很多。

2．2 传质效果好[2]

由于载体颗粒在床体内处于剧烈运动状态，气一液一固界面不断更新，因此传质效果好，这有利于微生物对污染物的吸附和降解，加快了生化反应速率。

2．3 容积负荷高，抗冲击负荷能力强[2]

生物流化床巨大的比表面积使单位床体的生物量很高，加上传质速度快，废水一进入床内，很快地被混合稀释，所以生物流化床的抗冲击负荷能力较强，容积负荷也较其它生物处理法高。因此，在相同进水浓度下，采用生物流化床技术处理污水，可以使装置的容积大大减小，从而显著降低工程投资及土地占用面积。

2．4 微生物活性强[2]

由于生物颗粒在床体内不断相互碰撞和摩擦，其生物膜厚度较薄，一般在0．2 m以下，且较均匀。对于同类废水，在相同处理条件下，其生物膜的呼吸率约为活性污泥的两倍，可见其反应速率快，微生物的活性较强。带出体系的微生物较少，污泥的再循环量和再生的生物量少，不会因生物量的累计而引起体系的堵塞，液固接触面积较大，三相分离容易等。

3 生物流化床技术的研究现状

3．1 工艺结构的研究

为了处理一些较难降解的有机废水，北京化工研究院[11-12]开发了一种复合型生物流化床反应器，它在同一个床内实现了流化床和固定床的串联操作。华北工学院[13-14] 在复合生物流化床的基础上，研制了一种新型内循环三相复合生物流化床。该反应器属一体化设备，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，进人浸没式接触氧化床，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床出水好的优点，并且其气水比低、能耗较小、适应性强，具有很好的应用前景。

荷兰的Frijters[15]等人开发了一种新型的Circox气升式流化床反应器。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CoD去除、脱氮能力。荷兰的Vanl00sdrecht[16]等人研究出了一种新型一体化气升式生物流化床反应器。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顶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。

韦朝海[17-19]等将圆柱形导流筒和内循环管分别改为缩放型导流筒和三重环流循环管。实验结果表明，缩放型导流筒增强了反应器内流体的湍流程度，强化了气液传质；三重环流循环管缩短了液相混合时间，提高了气含率与氧传质系数。

3．2 流体力学特性研究

韦朝海[17]、谢波[19]等对三重环流生物流化床和缩放型导流筒气升式内环流生物反应器的流体力学进行了研究。结果表明在相同的实验范围内，三重环流生物流化床可提高气含率10%～20% ；缩放型导流筒气升式内环流生物反应器的气含率也提高了8%。气含率随固含率的增加而下降，随气流量的增加而增加；液体循环速度随气流量增大而增大，在上升区随着固含率增大而下降。

管秀琼[20]等也对三相生物流化床的流体力学特性作了研究，得出了与韦朝海等相同的研究成果。Chia—Min ChenCZ～3等对非牛顿流体三相流化床的平均气含率做了研究，测定了液体特性、气体分布器类型和磁场强度对总气含率的影响。结果表明，正确地调配液体粘度和设汁气体分布器能将平均气含率提高20%。对于不同的气体分布器，总气含率随着液体粘度增大有不同的变化规律；随着表观气速的增大，总气含率是增大的；随着磁场强度的增大，对于不同的气体分布器，气含率也有不同程度的增大。

3．3 流动混合特性与流动模型研究

王铁峰[21]嵋等开发了一种新型的光纤探头多相流气泡测试系统，并应用此系统研究了三相循环流化床中不同径向位置气泡的上升速度分布、气泡上升速度均值的径向分布以及操作条件对这两种分布的影响。

Maria Gavrilescu[21]等研究了同轴心气升式内循环反应器上升区、下降区、底部和气液分离区的液楣停留时间分布。结果表明，气升式内循环反应器比敢泡塔反应器具有更均匀的流型，并通过轴向扩散模型和多釜串联模型对两种反应器进行比较，得出结果也是气升式内循环反应器优于鼓泡塔反应器。

3．4 氧传质特性及气一液传质系数Kla关联式

颜涌捷[22]等采用溶氧电极法测定了以牛顿和非牛顿流体为液相的三相流化床提升管内的气一液传质系数Kla。结果证明Kla值受床层流动特性的影响显著，且那些能提高气含率和增大液相循环速度的操作条件也有助于Kla的提高。较高的气速和液速，较低的固含率和液体粘度以及电解质的存在都使Kla值提高。他们还通过引入广义雷诺数得出了适用于牛顿和非牛顿流体的Kla关联式。

Chia—Min Chen[23]等对非牛顿流体三相流化床的气液传质特性做了研究，测定了液体特性、气体分布器类型和磁场强度对气液传质系数的影响。结果表明，正确地调配液体粘度和设计气体分布器能将气液传质系数提高30%。通过设备改良极大地提高了气液传质速率，并消除了小颗粒三相流化床的气泡并聚现象。气液传质系数随着液体粘度的增大而减小；随着表观气速的增大，气液传质系数也随之增大；随着磁场强度的增大，对于不同的气体分布器，系统的气液传质系数有不同程度的增大。

韦朝海[17]、谢波[19]等对三重环流生物流化床和缩放型导流筒气升式内环流生物反应器的氧传质特性进行了研究。结果表明在相同的实验范围内，三重环流和缩放型导流筒反应器都使氧传质系数提高了10 以上，氧传质系数随固含率和气流量的增大而提高。并在Higbie穿透理论和Kolomogoroff各向同性理论的基础上建立了各实验范围内的氧传质系数与操作参数和物性参数之间的数学关联式。

杨卫国[24]等采用溶氧法测量了三相循环流化床中波相溶氧浓度的轴向分布，并按轴向扩散模型处理实数据，优化得到气液体积传质系数Kla。同时用光纤探头测量了体系中的气含率和气泡大小分布，计算得到了气液相界面积和气液传质系数Kla，并研究了主要操作条件(表观气速、表观液速和固含率)对气液传质系数的影响规律。

3．5 生物载体研究

李探微[25-26]等采用气提式循环流化床反应器处理污水，对炉渣、焦碳、塑料颗粒进行了载体实验比较。结果表明，塑料颗粒较易流化，但稍有流失；载体挂膜效果，焦碳略优于炉渣，塑料效果最差；有机物降解作用，焦碳、炉渣两者的COD去处率相当，塑料效果最差。李探微等还考察了不同级配的载体对床内氧传质的影响。结果表明，载体中投配部分大颗粒，有利于氧在水中的转移；反应器条件不同，最佳颗粒尺寸级配也不相同。

蔡建安[27]等发现，在气升式流化床反应器中使用粗粒焦碳与细粒石英砂组成的混合载体来处理废水，有良好的效果。与单一载体相比，不同粒径级配的混合载体容积负荷高，不易流失，有利于载体挂膜和氧的转移传质，可降低曝气能耗。Edwards[28] 在研究生物流化床处理高浓度化工废水时发现，颗粒活性炭流化床比以砂粒作载体的流化床具有更高的抗COD 冲击负荷的能力，也能更迅速地启动。

3．6 生物膜特性研究

Kargi[29]等对生物流化床进行了理论分析，认为生物膜有一个最理想的厚度可以使废水中污染物的去除效率最高。

周平[30]等也对生物膜厚度对流化床反应器处理性能的影响进行了分析，发现载体生物膜较薄时，虽然膜内传质阻力较小，但由于此时生物浓度也较低，故处理效果较差，出水浓度较高；而当载体生物膜较厚时，一方面由于膜内传质阻力较大，另一方面由于为维持床高而排出的载体量过大，导致床内生物浓度下降，故处理效果也不好，出水浓度较高。作为影响流化床性能的重要参数，作者研究得到流化床载体生物膜最佳厚度为180 Arm。

Ruggerit[31]等以砂子和玻璃这两种不同的载体来测定最佳生物膜活性的影响因素，结果发现生物膜活性受到液一固传质及载体的粗糙性的强烈影响。

潘涛[32]等通过工业规模的三相生物流化床试验，探讨了载体表面生物膜厚度与有机物去除速率、容积负荷及污泥浓度等传统参数之间的必然联系，证实了生物膜厚度是描述反应器行为的关键参数，揭示了三相生物流化床高处理效率的实质是微生物浓度高。并得出最佳膜厚为90"--110 btm。

4 生物流化床技术展望

生物流化床技术融合了化工流态化技术、微生物技术与废水处理技术，是一种新型生化处理装置。生物流化床提高了处理设备单位容积内的生物量，强化了传质作用，加速了有机底物从污水j句微生物细胞的传递过程，成为生物膜法的新突破。

今后，随着人们加强对其流体力学特性和传质特性的研究，加强优良菌种的筛选和生物膜特性的研究，生物流化床技术在废水生物处理工艺中将有着更加广阔的应用前景，这对进一步发展生物流化床技术和防治水体污染具有很大的社会意义和经济意义。作者: 汪德进