生物流化床工艺

原理概况HSBEMBM®环境微生物技术是一种新型的生物膜法---生物流化床工艺。其载体在流化床内呈流化状态，使固（生物膜）、液（废水）、气（空气）3相之间得到充分接触，颗粒之间剧烈碰撞，生物膜表面不断更新，微生物始终处于生长旺盛阶段。该技术能使床内保持高浓度的生物量，传质效率极高，从而使废水的基质降解速度快，水力停留时间短，运转负荷比一般活性污泥法高10～20倍，耐冲击负荷能力强。杭州蓝星水处理技术有限公司自主研发的HSBEMBM®高效微生物，是多属多种的环境微生物由固定化细胞技术制成的微生物制剂；由活性炭作为载体，可依不同水质特性加以调配和驯化，在生化池各处理段中，根据各段生化系统功能和作用污染物含量及特点不同，经过一段时间的适应驯化，针对系统中不同的污染物可以形成不同的高效的污染降解生物链。在工艺设计中，不同生化处理段功能不同，微生物在各段中的工作特征和工艺控制参数各不相同，如：在初曝气系统中，主要作用是降解废水中的酚、氰等对硝化作用有抑制作用的污染物，消除对硝化脱氮过程的影响，因此经过培养和驯化后，系统中会形成完整的酚、氰等污染物的分解链；在初曝气系统中，经4~6小时的曝气作用，酚和硫氰酸根含量可分别从500~800mg/L、300~600mg/L降解到0~50mg/L以下。经过驯化处理后的HSBEMBM®高效微生物可以耐受很高的污染物浓度(酚最高可达到1000mg/L)，抗冲击能力强。HSBEMBM®微生物形成的生物污泥活性高，每克污泥中细菌菌数是普通活性污泥的5~10倍，处理负荷也是普通活性污泥的5~10倍。菌种种类齐备，数量充足，可形成固定化细胞技术选育后的硝化杆菌（镜相照片）完整的微生物分解链，分解彻底。而常规的活性污泥法由于微生物来源原始，菌种种类不全，不能形成完整的分解链，从而造成如对长链和杂环类等难降解物质降解能力差或不能降解。HSBEMBM®微生物耐受范围需要指出的是，当污染因子或（包括但不限于）下属有毒有害物质达到或考核值时，微生物将被抑制甚至死亡；但是，在超过工程设计负荷20%而没有达到抑制浓度时生化系统表现为处理效能低于设计效果，而微生物在此时仍有活性；当污染因子及相关条件符合设计要求后，通过采取适当的措施，其可以使其逐渐恢复原有活性。从下图中可以发现，硝化杆菌在5%尿素溶液中（3小时），实验皿单位容积内的菌数减少，但是其形带任然存在，存在的形态与上图中新鲜菌像没有很大变化，从动态活性来观察，明显弱化，但仍有“生命迹象”。杆菌在受到5%尿素溶液下的镜相照片表：抑制物浓度对照表单位：mg/L有毒物质常规生化抑制浓度专利微生物抑制浓度有毒物质常规生化抑制浓度专利微生物抑制浓度CN-20300Phenol1001000S30200HCHO1502000S2-150500CH3COCH3600020000CL213油脂50200CL-10003000NO2-36400NH34001500CH2=CHCH2NCS250NO3-500015000CH3CSNH20.540SO42-5000500001CNS36400CO3COO-1505000C7H5S2N0.1100Cu2+5102Ca2+25005000HSBEMBM®微生物系统及技术的原理本项目采用的是——活性炭为微生物载体的固定化细胞技术结合好氧流化床生化工艺。本工程设计时采取“圆筒导流外循环”的复合模式。a）流化床形式根据供氧、脱膜、床型构造等方面的不同，生物好氧流化床可分为2相和3相。本工程设计采用的是3相法，即在废水进入流化床之前先充氧（或空气）进行预曝气，使废水中含有足够的氧气，然后再进入流化床，直接将空气（或氧气）、废水同时泵入流化床，造成气-液-固3相在床中混合流动并进行生物转化反应。由于有气体的直接搅动，脱膜容易、结构简单、操作方便，缺点是溶解氧的提高受生物膜承受水力剪切力的限制，过大的气量会使载体的膜厚度大大减低，脱落的悬浮生物易随出水流失，载体也有可能冲出反应器。因此在污水处理装置运行中溶解氧的控制致关重要，对曝气管的质量和安装要求较高。另外，在每段独立的反应系统后均要设立沉淀池，外循环生物泥、水混合物，以避免载体的流失。从下图中可以观察到，微生物在活性炭载体表面形成的生物膜是致密稳定的（黑块为活性炭单体）。b）载体的选择在流化床中，载体的合理选择及其结构参数的优化，是关系到反应器快速启动和处理效果的关键因素之一。微生物在活性炭载体表面形成的生物膜（镜相照片）杭州蓝星水处理公司经过大量的工业化试验，从如下几方面的研究：粒径、密度、多孔特性、表面形状、机械强度、亲生物性、经济性等，选用了80目-120目的粉末活性炭。其粒径愈小，比表面积愈大。多孔载体的比表面积比相同粒径的实心载体大，比表面积大有利于介质充分接触。载体的流化动力与载体密度有关，密度过大，所需动力大，导致运行费用高；密度小、粒径小、球形度好的载体，不但可以降低动力，而且可以降低水力剪切力，有利于载体的挂膜，但密度过小，载体挂膜后易随出水流失。因此，共体的密度要适宜（ρ:1.07g/cm3-2.09g/cm3）。内部多孔、表面粗糙的载体除可增加比表面积外，还可固定更多的微生物，缩短启动时间，承受较大水力负荷的冲击。另外，载体在流化床中处于剧烈运动状态，为了防止载体破碎，要求载体有一定的机械强度。c)HSBEMBM®采用固定化细胞技术处理氨氮废水微生物去除氨氮需经过好氧硝化、厌氧（缺氧）反硝化两个阶段。硝化菌、脱氮菌的增殖速度慢，要想提高去除率，必须要较长的停留时间和较高的细菌浓度。在低温、低pH值的条件下，固定化细胞能够保留比未包埋细胞更高的脱氮活性，减轻溶解氧对脱氮的抑制作用，脱氮微生物在固定化载体中可以增殖。固定化细胞技术在处理氨氮废水中的主要优势在于可通过高浓度的固定细胞，提高硝化和反硝化速度，同时还可以使在反硝化过程低温时易失活的反硝化菌保持较高的活性。焦化废水处理中比较重要的是氨氮的脱除，经对杭钢、南钢焦化厂同类型废水的实际运行，得出如下结论：HSBEMBM®高效微生物环保工程技术在脱除氨氮反应的硝化过程中效果明显，工程结果也证明了这一点，但在反硝化过程中产生的碱度并不一定完全够硝化反应所需，故必要时需进行补充加碱。经适当补加碱量，加碱量约为脱除1kgNH3-N需加1.8~4.5kg碱（进水NH3-N：250～600mg/L，总碱度：400～700mg/L），废水经处理后NH3—N含量可降至15mg/l以下。脱氮是HSBEMBM®微生物技术的一个主要特点，要实现理想的脱氮效果，硝化反应彻底与否是关键。HSBEMBM®微生物技术有极佳的硝化能力，常规的活性污泥法菌种一般来自自然界，硝化菌的活性较差，世代时间很长且不宜培养驯化，抗氨氮负荷的能力较差。一般要求进水的氨氮负荷（200mg/L），这样就增加了预处理的难度和成本。HSBEMBM微生物中硝化菌的反应速率，可以达到0.52～4.53kg/m3·d，而常规活性污泥法只有0.13～1.51kg/m3·d左右，这大大提高了系统的抗冲击能力同时也减少了反应器的体积，减少投资成本及运行费用。由于硝化过程是产酸过程，硝化反应进行的同时会使系统的pH值下降，而硝化菌对pH值要求又特别敏感，所以在硝化过程中要加入一定量的碱来中和产生的H+。目前可用的碱有碳酸钠，碳酸氢钠及氢氧化钠等几种。由于氢氧化钠可以完全电离，多投或少投在曝气池中马上就有反应，不易稳定控制pH值，所以常规方法一般投加碳酸钠，而本技术中的硝化菌活性强，产生的H+多，pH值变化大，故可以用氢氧化钠来调节pH值。由于氢氧化钠溶液的价格只有碳酸钠的1/4，而且碱度高，这大大降低了硝化阶段的成本，而且氢氧化钠投加方便，便于自动化控制。HSBEMBM®微生物处理技术由于具有完整的分解链，底物分解彻底，产泥量少，只及常规活性污泥法的1/10以下，这样大大减少污泥产量，减少污泥处置的费用。同时可以大大增加污泥的泥龄，使优势菌群在系统得以充分积累，提高系统的处理能力，例如硝化细菌，由于其世代时间很长，达到38h–59d，要想使硝化细菌在系统得以累积，就必须有较长的污泥龄。而常规活性污泥法由于产泥量大，经常需要排泥，尤其是夏天，几乎每天都要排泥，使得泥龄很短，使硝化细菌不能达到一定的数量累积，故硝化反应不完全，例如南钢和杭钢在改造前，硝化反应不明显，氨氮基本没有去除率。现在虽然一些单位用传统的活性污泥法改造脱氮工艺，取得了一定的效果，但由于产泥量大也只能用扩大池容来延长泥龄，这样就增加了基建费用及运行成本。焦化废水处理,其主要目的是去除有机物，生化处理是公认的污染物无害化处理的最有效、最廉价的处理工艺。常规活性污泥法处理焦化废水不能达标，并不能说明生化处理不适合焦化废水的处理。近年来，随着国际上对难降解有机物降解性能的研究，焦化废水作为一种典型的含有难降解有机物工业废水，其治理的技术与工艺在国内成为热点课题，有关科研院所、大专院校与生产企业联合开发研究，提出了许多新的工艺，包括A/O、A2/O等。在实际运行中克服了常规活性污泥法的诸多弊病，但也仍存在着微生物生存环境要求较高，总停留时间较长，占地面积较大、投资费用高、运行管理复杂、运行费用高的弊病；为此，并没有得到广泛应用和推广。究其原因，主要是没有从根本上解决问题，生化处理的根本是利用微生物来分解有机物，只有得到适应能力强、分解能力高的细菌才能充分发挥出生化处理的优势。本设计特别推荐的A/O+HSBEMBM®高效微生物环保工程技术是一项先进的生化处理技术(该技术已获得浙江省科技鉴定，鉴定号：[03]浙科鉴296号；并或国家专利发明，专利号：2004100005196X)；该技术于2001年在【攀钢煤化工公司】进行1.0～1.5t/H的焦化废水处理工业化试验,取得成功;于2002年在【杭州钢铁集团公司】焦化废水处理改造工程（50t/h）中得以运用,并稳定运行至今;于2004年在南昌钢铁有限责任公司焦化废水处理改造工程（65t/h）中进一步优化,当年通过江西省环境保护局组织的验收,稳定运行至今;于2005年用于【湖南湘潭钢铁集团公司】焦化废水处理改造工程(120t/h)。HSBEMBM®高效微生物群，经过特殊驯化及强化，其特性如下：a.菌群本身无毒性、无致病性、不会造成二次污染；b.去除COD、BOD5速度快、能力强；c.去除NH3—N及难降解有机物的能力独特；d.污泥沉降性能佳、紧密度高，稳定性好、污泥产量少；e.生物制剂一次投加，无需补充，运行成本低廉，故障率低；f.对pH值适应性强，6～9范围都能保持良好的处理效率。HSBEMBM®高效微生物环保工程技术最近几年已对多难处理工业废水进行处理试验，并取得成功；同时已有数十个工程项目正在建设或已经建成。我们在杭州钢铁股份有限公司焦化厂、南昌钢铁有限责任公司焦化厂废水处理工程中成功地进行了工程化，已取得了较准确的工艺参数，并总结出了一套切实有效的工艺路线，和稳定运行的操作经验；可为武钢焦化废水处理改造项目提供借鉴和参考。经过实践证明，该技术在国内处于领先水平。用连续式O-A/O(新型硝化-反硝化)处理工艺由于间歇序批式工艺（SBR）一般适用于水质变动大、水量较小的废水处理，且容积利用率低，频繁进出水控制的管理操作难度较大，所以本设计根据攀钢煤化工厂每天的废水量较大，且场地较狭窄及现有处理工艺实际情况，采用连续式处理工艺。HSBEMBM®技术的生物脱氮过程出现了超出人们传统认识的新现象，如硝化作用不仅由自养菌完成，异养菌也可参与硝化作用，某些微生物在好氧条件下可以进行反硝化作用，特别值得一提的是在工程化中杭州蓝星公司的技术人员观察到厌氧反应器中氨氮减少的记录---短程硝化反应，这些发现是对巨大的微生物未知世界探索已知内容的结果，为生物脱氮设计工艺，寻找新的微生物菌群提供全新的理论和广阔的思路。从化学热力学的自由焓变化有以下基础反应：常见生物脱氮的硝化、反硝化反应NH4++2O