生物流化床在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

1、生物流化床在廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)展流化床反應(yīng)器是一種實(shí)現(xiàn)固體顆粒與氣相、液相、氣液相之間的混合傳質(zhì)、傳熱的設(shè)備。它與傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器不同，床內(nèi)固體微粒始終懸浮于液（氣）體中并劇烈運(yùn)動(dòng)，具有類似液體的自由流動(dòng)性，從而大大強(qiáng)化了物質(zhì)的擴(kuò)散過程，提高了反應(yīng)速度，對(duì)于催化劑壽命較短或頻繁再生的場合更具優(yōu)越性，這使流態(tài)化得以在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。 1 生物流化床的應(yīng)用簡況 早在上個(gè)世紀(jì)30年代就有人提出在懸浮床、膨脹床或流化床中采用將活細(xì)胞固定在顆粒載體上的辦法來處理廢水的設(shè)想1。但直到60年代后期，這一設(shè)想都未能在廢水生物處理的工業(yè)化過程中付諸實(shí)施。1971年Robertl等人對(duì)廢水生物處理水作深度凈化時(shí)

2、，發(fā)現(xiàn)被活性炭吸附的有機(jī)物大都能被微生物所分解，這為發(fā)展具有生物膜法和活性污泥法兩者優(yōu)點(diǎn)的生物流化床技術(shù)提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。從那以后，美國、英國、日本等國對(duì)生物流化床技術(shù)進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)工作。1973年美國Jeris Johns等人成功開發(fā)了厭氧生物流化床技術(shù)，用于去除BOD5和NH3-N的硝化處理，同年申請(qǐng)了專利。1975年，美國Ecolotrol公司開發(fā)了HY-FIO生物流化床工藝，用于廢水的二、三級(jí)處理。美國Dorr-Oliver公司在流化床的實(shí)用性方面做了許多研究，尤其是充氧器與進(jìn)水分布系統(tǒng)上取得了很大的進(jìn)展。Dorr-Oliver設(shè)計(jì)的Oxitron反應(yīng)器2，在床底部的錐體部分采用噴

3、嘴造成一種強(qiáng)有力的噴射床作為流化床的分布器。英國水研究中心和美國水研究中心又分別對(duì)充氧方式進(jìn)行改進(jìn)3，并成功地用于厭氧-好氧兩段流化床對(duì)廢水進(jìn)行全面的二級(jí)處理，包括有機(jī)碳的去除和脫氮。日本于70年代中期進(jìn)行此方面的研究，它著眼于中小型工廠的廢水處理，采用空氣曝氣，裝置的構(gòu)型和脫膜方式與歐美不同。例如，三菱公司研制的流動(dòng)循環(huán)曝氣反應(yīng)器，把曝氣、脫膜、循環(huán)合成一體。1993年日本Hokkaido大學(xué)的學(xué)者報(bào)道了一種由顆粒流化床分離器、好氧生物濾床和薄膜過濾器組成的新型處理系統(tǒng)4。在工程實(shí)踐中，以好氧流化床降解含22種酚和氮雜環(huán)、芳香胺的廢水5，以純氧為氧源的生物流化床降解含多氯代酚的地下水6-7，

4、生物流化床處理酵母廢水8，垃圾填埋場浸出液中難降解有機(jī)污染物的處理9，在顆?；钚蕴苛骰仓?，4，6-三氯代酚的厭氧降解10，流化床生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)處理湖水中的藻類11等均取得了滿意的效果。近年來，我國也對(duì)生物流化床進(jìn)行了不少的試驗(yàn)研究工作，在石化廢水12、印染廢水13、制藥廢水14等的試驗(yàn)中均取得了良好的效果。 2 新型生物流化床反應(yīng)器 隨著廢水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，高效、低耗和處理難降解有機(jī)物廢水是生物流化床的發(fā)展方向之一。下面介紹幾種近幾年來出現(xiàn)的新型生物流化床反應(yīng)器。2.1 環(huán)流生物半流化床北京化工研究院開發(fā)了一種全混型和置換疊加的環(huán)流生物半流化床，如圖1所示。環(huán)流生物半流化床實(shí)現(xiàn)了流化

5、床和固定床的串聯(lián)操作，它不但具有良好循環(huán)特性，而且克服了全混型反應(yīng)對(duì)一些較難降解的有機(jī)物去除效率低的困難。試驗(yàn)用于淀粉廢水處理，水力停留時(shí)間（HRT）小于4h，最大CODcr負(fù)荷為4.2kg/(m3·d)，最小氣水比為37:1。 2.2 自充氧內(nèi)循環(huán)三相復(fù)合生物流化床華北工學(xué)院化工系在復(fù)合生物流化床的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的一種新型的流化床，如圖2所示。這種反應(yīng)器下部為三相流化床，上部帶有活動(dòng)式過濾安全網(wǎng)和填料，床上部出水通過自充氧系統(tǒng)，用流動(dòng)空氣自動(dòng)充氧后，進(jìn)入浸沒式接觸氧化床，經(jīng)進(jìn)一步反應(yīng)后排出。它具有良好的自充氧特性、兼有流化床處理效率高和接觸氧化濾床出水好的優(yōu)點(diǎn)，而且能耗小、適應(yīng)性好

6、、氣水比低，具有良好的應(yīng)用前景。 2.3 新型Circox氣提式三相流化床反應(yīng)器荷蘭的Frijters等人開發(fā)了一種新型的Circox氣提式流化床反應(yīng)器15，如圖3所示。這種流化床是在普通氣提式流化床內(nèi)增添了一個(gè)缺氧區(qū)，以提高反應(yīng)器的脫氮能力。由于反應(yīng)器具有好氧和兼氧兩區(qū)，能取得較高的液流速度和混合的均勻性。Circox氣提式流化床開始是用于土豆加工廢水的厭氧預(yù)處理，有很好的CODcr去除率，其容積負(fù)荷（CODcr）可達(dá)410kg/(m3·d)，脫氮率超過90，床內(nèi)生物量高達(dá)30g/L，而剩余污泥率只有210。 2.4 BASE三相生物流化床反應(yīng)器荷蘭的M.C.M.Van loosd

7、rocht等人開發(fā)出一種新型的一體化氣提式生物流化床反應(yīng)器16BASE（Biofilm Airlift Suspension-Extension），如圖4所示。這種反應(yīng)器是在原BAS的基礎(chǔ)上增加了一下導(dǎo)管（缺氧區(qū)），以獲得足夠停留時(shí)間造成缺氧條件，能達(dá)到NH3-N的有效去除。通過調(diào)節(jié)頂部好氧區(qū)的氣壓和底部好-缺氧區(qū)間小循環(huán)孔來控制液體和生物膜在兩區(qū)間的循環(huán)，因此不需要另加泵和循環(huán)管線。 2.5 流化床納米TiO2光反應(yīng)器流化床納米TiO2光反應(yīng)器與一般生物流化床不同之處在于床中的載體上沒有生物膜，而是負(fù)載了TiO2。催化劑。TiO2活性高。穩(wěn)定性好、對(duì)人體無害。實(shí)驗(yàn)表明TiO2至少可以經(jīng)歷12

8、次反復(fù)使用而保持光分解效率基本不變，連續(xù)580min光照下保持其光活性。納米TiO2多相光催化利用可見光或紫外光，能有效地降解多種難降解或其它方法難降解的物質(zhì)，如氯仿、多氯聯(lián)苯、有機(jī)磷化合物、多環(huán)芳烴等，能有效地將它們轉(zhuǎn)化為H2O，CO2，PO43-，SO42-，NO3-，鹵素離子等無機(jī)小分子，達(dá)到完全無害化的目的。這種污染治理技術(shù)具有能耗低、操作簡便、反應(yīng)溫和、可減少二次污染等優(yōu)點(diǎn)。若利用太陽能，對(duì)環(huán)保、維持生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都有重要的意義。目前的廢水轉(zhuǎn)化處理方法大都是針對(duì)排放量大、污染濃度高的污染物，而對(duì)水中濃度較低、難以轉(zhuǎn)化的污染物的凈化還無能為力，而這種技術(shù)能很好地解決這一難題。

9、它適用于廢水的后期深度處理，例如，西班牙對(duì)工廠排出的廢水先采用生物法進(jìn)行處理，再用光催化法降解難生物降解物質(zhì)，獲得了滿意的結(jié)果。 3 結(jié)語 生物流化床反應(yīng)器具有大的比表面積、微生物的濃度高、容積負(fù)荷率和污泥負(fù)荷率高、傳質(zhì)快、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、凈化能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但對(duì)日益嚴(yán)峻的水污染問題，傳統(tǒng)的生物流化床的不足也日益暴露出來，如能耗大、流化床內(nèi)部的流態(tài)化特性十分復(fù)雜給放大設(shè)計(jì)造成了困難、泥水分離靠重力作用以致分離效率依賴活性污泥沉降性能的問題。因此，今后不僅應(yīng)著重在降低能耗、加強(qiáng)反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)等方面研究，而且應(yīng)努力研究和開發(fā)不同結(jié)構(gòu)的流化床反應(yīng)器以適應(yīng)不同性質(zhì)廢水的處理?xiàng)l件。生物膜法在市政水處理

10、中的應(yīng)用生物膜法水處理技術(shù)在市政水處理中的運(yùn)用領(lǐng)域主要有：市政給水中的微污染水體水處理，其主要目的是去除水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮以及CODMn等指標(biāo)；市政污水處理中采用生物膜法去除水體中COD、BOD、氨氮等污染物，降低出水中N、P等導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化元素；以及對(duì)污水廠二級(jí)出水的深度處理，以達(dá)到回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，提高水的重復(fù)利用率，節(jié)約有限的水資源。生物膜法技術(shù)在市政給水處理中的運(yùn)用目前我國不少城市飲用水水源為微污染水源，原水受到生活性有機(jī)污染，水中總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、生化需氧量、高錳酸鉀指數(shù)等均有不同程度的超標(biāo)。對(duì)各常規(guī)給水處理工藝流程的常規(guī)項(xiàng)目測定分析表明，濁度的去除主要是靠常規(guī)處理

11、工藝，而對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮和生化需氧量的去除必須靠生物作用才能獲得滿意效果。為滿足日益提高的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在常規(guī)處理工藝上增加生物預(yù)處理工藝是無疑是提高水質(zhì)的最佳選擇。八十年代以來，由于生物預(yù)處理工藝因其在處理有機(jī)污染物、氨氮、色、嗅、味等方面的特點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，越來越受到重視并得到較快的發(fā)展。這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，總體上都處于以去除氨氮、BOD5、CODCr等有機(jī)物綜合指標(biāo)為代表的污染質(zhì)的階段。用于市政給水處理中生物預(yù)處理工藝主要有：生物過濾反應(yīng)器、生物濾塔、生物接觸氧化反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器、生物流化床以及土地處理系統(tǒng)等1。其中以生物過濾反應(yīng)器中的生物陶粒濾池與生物接觸氧化反應(yīng)器最為常

12、用。前者有一定的機(jī)械過濾能力適合處理較低濃度或低溫原水，后者則因?yàn)樘盍峡障堵蚀?，不易堵塞，適合處理較高濃度的微污染原水。國內(nèi)采用生物接觸氧化池對(duì)灤河以及黃河水處理后表明該法對(duì)多項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)均有良好去除效果，高錳酸鉀指數(shù)去除率為10-25，氨氮去除率為40-70，藻類去除率為15302。在臭氧生物活性炭吸附工藝這一生物膜法處理工藝中，顆?；钚蕴渴俏⑸锷L的載體?；钚蕴勘砻婕拔⒖仔纬傻奈⑸锬ねㄟ^生物降解作用，可進(jìn)一步降解在活性炭表面及微孔富集的有機(jī)物，從而降低了活性炭的吸附飽和度，延長了其使用壽命。70年代中期，德國對(duì)臭氧生物活性炭吸附工藝的研究發(fā)現(xiàn)，與單純的活性炭吸附比較，活性炭的再生周期

13、延長46倍3。其后，歐洲的許多現(xiàn)代化水廠逐步推廣使用了臭氧生物活性炭吸附對(duì)微污染水源的深度凈化工藝。 在“八五”、“九五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃中，“飲用水微污染凈化技術(shù)”作為專題進(jìn)行研究，并將取得的重要成果中的生物預(yù)處理技術(shù)成果成功運(yùn)用于工程實(shí)踐。其中位于深圳水庫庫尾，設(shè)計(jì)處理規(guī)模400萬m3d的廣東省東深源水生物硝化工程是國內(nèi)目前規(guī)模最大的采用生物接觸氧化法的預(yù)處理工程4。源水經(jīng)沉砂區(qū)、粗、細(xì)隔柵后，進(jìn)入采用YDT彈性立體填料的生物處理池，水力停留時(shí)間55min.填料接觸時(shí)間40min.，氣水比1：1。自1998年12月試運(yùn)行以來，通過工藝啟動(dòng)過程的自然接種，培養(yǎng)馴化，使填料掛膜，形成系統(tǒng)的生物

14、硝化能力，并使氨氮去除率和硝酸鹽氮生成率趨于穩(wěn)定。試運(yùn)行得出的初步結(jié)論是：生物接觸氧化工藝適合于處理東深微污染源水，對(duì)氨氮的處理效果顯著。氨氮去除率在75以上。同時(shí)，增加了深圳水庫水體的溶解氧，提高了水庫的自凈能力，改善了東深源水供水水質(zhì)。5市政污水處理中生物膜法技術(shù)運(yùn)用生物膜法水處理技術(shù)用在市政污水處理主要有滴濾池（TF）、生物接觸轉(zhuǎn)盤(RBC)、淹沒式附著生長生物反應(yīng)器(SAGB)等主要形式6。滴濾池是生物膜法水處理技術(shù)在污水處理領(lǐng)域最早運(yùn)用的形式。早在1889年就進(jìn)行了砂礫處理廢水的試驗(yàn)。19世紀(jì)90年代到20世紀(jì)初在英國進(jìn)行了研究。并于20世紀(jì)前半葉到20世紀(jì)50年代在美國大規(guī)模應(yīng)用。

15、之后人們趨向采用經(jīng)濟(jì)型操作性更好的活性污泥法。但是隨著新介質(zhì)、工藝構(gòu)造以及對(duì)生物膜過程的理解增加，導(dǎo)致了滴濾池再次大規(guī)模應(yīng)用7。目前滴濾池常與其他的污水處理工藝一起運(yùn)用于城市污水處理，如滴濾池與活性污泥組合工藝（TF/AS工藝），滴濾池與活性生物濾池組合工藝（TF/ABF工藝）8。瑞典LÄCKEBY水務(wù)集團(tuán)為馬爾摩市政廢水處理廠承建了4個(gè)大型滴濾池，采用滴濾池作為硝化反應(yīng)器和新的脫氮段，包括Kaldnes固定膜技術(shù)。并于1999年春季將該處理廠投入運(yùn)行，至今運(yùn)行效果良好。生物接觸轉(zhuǎn)盤是生物膜法污水生物處理技術(shù)的一種，是污水灌溉和土地處理的人工強(qiáng)化。這種處理法使細(xì)菌和菌類的微生物、原生

16、動(dòng)物一類的微型動(dòng)物在生物轉(zhuǎn)盤境料載體上生長繁育，形成膜狀生物性污泥生物膜。污水經(jīng)沉淀池初級(jí)處理后與生物膜接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機(jī)污染物作為營養(yǎng)，使污水得到凈化。當(dāng)前生物接觸轉(zhuǎn)盤工藝開發(fā)于20世紀(jì)50年代，20世紀(jì)60年代第一套生物接觸轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)在德國運(yùn)行，目前全世界有大約3000套裝置在運(yùn)行9。盡管生物接觸轉(zhuǎn)盤工藝出水水質(zhì)與活性污泥法接近，運(yùn)行能耗低，平均只有傳統(tǒng)活性泥法的一半費(fèi)用低，但是由于其工程造價(jià)高而限制了其使用。日處理水量為40000立方米的淮陰市北京新村污水處理廠是目前在國內(nèi)運(yùn)行較大的采用該工藝的市政污水處理廠10。該污水處理廠采用氣動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤法 該工藝中氣動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤采用

17、直徑3m高效轉(zhuǎn)盤32臺(tái)，每臺(tái)轉(zhuǎn)盤填料折表面積1500m2。每四臺(tái)轉(zhuǎn)盤設(shè)在鋼筋混凝土接觸反應(yīng)槽中，槽直徑3.5米，供氣由鼓風(fēng)機(jī)房送出，鼓風(fēng)機(jī)房裝有三臺(tái)LG300×400-1羅茨鼓風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率15KW，設(shè)計(jì)二用一備，實(shí)際只開一臺(tái)風(fēng)機(jī)。全部生物盤設(shè)在室內(nèi)，起保溫作用。轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度每分鐘2轉(zhuǎn)，接觸氧化槽內(nèi)溶解氧濃度大于2mg/L，容積面積比8L/m2。設(shè)計(jì)水力負(fù)荷86L/m2.d，BOD面積負(fù)荷9g/m2.d。此外日處理水量為4000立方米的南京鎖金村污水處理廠也采用生物接觸轉(zhuǎn)盤工藝。淹沒式附著生長生物反應(yīng)器是一種新一代的生物膜水處理技術(shù)，由于該技術(shù)趨向?qū)⑸镙d體淹沒在流體中，

18、因而叫做淹沒式附著生長生物反應(yīng)器。該工藝主要類型有下流式填充生物反應(yīng)器（DFPB）、上流式填充生物反應(yīng)器（UFPB）、流化床生物反應(yīng)器（FBBR）、懸浮與附著生長組合系統(tǒng)（CSAG）。其中好氧類型的下流式填充生物反應(yīng)器（DFPB）和上流式填充生物反應(yīng)器（UFPB）加起來又叫曝氣生物濾池（biological aeratedfilter），簡稱BAF，是近年來國際上興起的污水處理新技術(shù)，發(fā)展極為迅速11 12。廣泛應(yīng)用于城市污水、小區(qū)生活污水、生活雜排水和食品加工廢水、釀造等有機(jī)廢水處理，具有去除SS、CODcr、BOD5、硝化與反硝化、脫氮除磷、除去AOX(有害物質(zhì))的作用，其最大特點(diǎn)是集生物

19、氧化和截留懸浮固體于一體，并節(jié)省了后續(xù)二次沉淀池。該工藝采用了高比表面積的生物填料，有機(jī)物容積負(fù)荷、水力負(fù)荷大、水力停留時(shí)間短、出水水質(zhì)高，因而所需占地面積小、基建投資少、能耗及運(yùn)行成本低13。由于這些優(yōu)點(diǎn)該水處理工藝倍受關(guān)注。采用不同的工藝組合以及控制不同的工藝參數(shù)，曝氣生物濾池可以用來進(jìn)行好氧的碳氧化、碳氧化與硝化組合、分段硝化、反硝化和厭氧處理14。甚至可以在同一曝氣生物濾池中實(shí)現(xiàn)以上各功能15。目前在歐美和日本等國家已有上千座大小各異的污水處理廠應(yīng)用了這種工藝，在美國城市污水處理廠已經(jīng)成功運(yùn)用淹沒式填充床生物反應(yīng)器進(jìn)行三級(jí)脫氮處理13。 對(duì)于城市二級(jí)污水處理廠，國內(nèi)目前采用的

20、曝氣生物濾池多采用二段法處理，第一級(jí)曝氣生物濾池主要設(shè)計(jì)為除碳濾池，目的是去除污水中的有機(jī)污染物。第二級(jí)曝氣生物濾池主要合計(jì)去除污染物為氨氮，目的是將水中氨氮氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，以確保達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。如有脫氮要求，往往將第一級(jí)曝氣生物濾池下部設(shè)計(jì)成厭氧區(qū)，確保回流硝化液在此脫氮。需除磷時(shí)，多在濾池前采用化學(xué)輔助除磷，以其達(dá)到嚴(yán)格的水質(zhì)要求。上向流曝氣生物濾池工藝在我國第一處應(yīng)用為大連馬欄河污水處理廠，采用德國菲立普穆勒公司的Biofor工藝，與東北市政設(shè)計(jì)院聯(lián)合設(shè)計(jì)，一期12萬噸/天，建成后，出水達(dá)到生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，3萬噸/天回用于綠化、小區(qū)中水，其余深海排放，現(xiàn)噸水運(yùn)營成本為0.50元左右。 大連馬欄河污水處理廠一期工程占地4公頃,總投資1.6億。進(jìn)水BOD5 200mg/L左右,出水達(dá)到5mg/L以下,進(jìn)水氨氮30mg/L左右，出水達(dá)到5mg/L以下。沈陽仙女河設(shè)計(jì)規(guī)模24萬噸,采用二級(jí)生物濾池，現(xiàn)在已經(jīng)投產(chǎn)，目前為國內(nèi)采用曝氣生物濾池技術(shù)規(guī)模最大的工程。生物膜法技術(shù)在處理市政二級(jí)排水中的運(yùn)用隨著水資源的日益匱乏和短缺，大量的市政污水處理廠的排水被視為新的水源越來越受到人們的重視。城市污水的再生與回用可以有效地緩解水環(huán)境污染和水資源缺乏的矛盾。由于