生物流化床的类型及特点

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NH3－N，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ρ（CODcr)/(g.L-1)ρ(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0.4-0.54CN80.9-99.5＞60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-N45.2-64＞68.4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1.2-1.93.5-6.9＞80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2－10kg／（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、α—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ρ（CODcr)/(g.L-1)ρ(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）6.03.98-1435＞80小试化工废水（含乙醇）12.08-2035＞80小试食品加工7.0-10.08-2435＞80小试污泥热处理分离液10-305.0-158-2035＞80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：①固相粒子可在更大的流速下才能从磁场生物流化床冲出；②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25－40℃下对活性艳红X－3B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5－10mg／L。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10％－15％，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：①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。②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。③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。