好氧流化床

好氧流化床废水处理技术若干问题探讨邓洪权蒋琪英摘要对好氧流化床废水处理技术的反应器结构和工艺、载体的选择、反应器的启动及操作条件等,对工艺稳定性的影响问题进行了探讨。综合了目前国内外在这方面的研究进展，认为影响该技术推广使用的因素之一，是能耗与其他生物处理法相比稍大，要降低能耗必须从反应器结构的合理设计、载体的选择及操作参数的优化控制等方面进行研究。关键词：好氧流化床废水处理技术探讨反应器载体能耗1引言在废水生物处理工艺中，生物流化床技术是一种新型的生物膜法工艺，是继流化床技术在化工领域广泛应用后于20世纪70年代初发展起来的。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[1]，耐冲击负荷能力强。另外，流化床高径比较大，反应器占地面积小等优点，使它越来越受到水处理界的重视，许多国家都开展了这方面的研究工作。进入20世纪80～90年代以后，该研究领域十分活跃，本文仅对其技术问题作若干探讨。2反应器的结构与工艺好氧流化床的基本结构形式主要有：圆筒式、锥筒式、导流筒式、逆导流筒式、侧循环式、外循环式等。导流筒式流化床（或称内循环流化床）是一种很有前途的流化床技术，它在传统3相流化床内设置了导流筒，提高了反应器内反应介质的混合程度，近年来，有关这种流化床的研究较多。改造流化床结构有提高反应器操作能力的潜力。周平等[2]对内循环3相生物流化床处理丙烯酸废水进行了研究，氧利用率可高达17%。郑礼胜等[3]人在利用好氧生物流化床处理生活污水的中试中，平均去除COD容积负荷达10.4kg/（m3.d）。笔者对内循环流化床结构进行了改进（称为双循环2点布气内循环流化床反应器），将其用于实际生活废水的处理（已另文发表），取得了较好的效果。能在较低的气水比情况下（4.8～6：1），使COD平均去除容积负荷达14.76～15.09kg/（m3.d）。值得注意的是，好氧流化床的出水水质不如其它生物法。笔者认为，在进一步挖掘该类反应器能力的同时，应当结合其它工艺，开发一些组合工艺或复合结构以提高出水水质。栾金义等[4]开发了一种具有全混合型和置换型叠加的复合生物流化床，兼有流化床处理负荷高与接触氧化法出水水质好的特点。华北工学院在复合生物流化床基础上，研制了一种新型自充氧内循环3相复合生物流化床反应器[5]，除了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好、气水比低、能耗小和适应性好等优点。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。其不同中国城镇水网之处在于，前者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，液固2相在床中充分混合接触，进行生化反应。其优点是能提高溶解氧浓度，提高反应速度，但脱膜困难，需要脱膜装置和充氧池，使投资成本增加。而3相流化床则直接将空气（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。在选用反应器时应当结合实际工况综合考虑。3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。目前，在生物流化床中所采用的载体主要有：细砂、活性炭、焦炭、炉渣、玻璃珠、陶粒、多孔高分子颗粒等，而关于生物流化床处理技术中载体选用方面的研究目前尚欠深入。笔者认为对载体的选用通常应作如下几方面的考虑：粒径、密度、多孔特性、表面形状、机械强度、亲生物性、经济性。载体粒径与比表面积的大小有关，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，载体的密度要适宜（至少大于水的密度）。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。此外，载体的成本也应考虑。在选用载体时应结合操作运行，综合考虑以上因素。聚丙烯酸酯多孔聚合物载体，具有多孔、低密度、表面粗糙度大、比表面积大、机械强度高、吸水好及亲生物性好等特点[6]。潘永亮等[7]人将该载体用于好氧3相生物流化床处理有机废水的研究，结果表明效果较好，在13d内就成功培养出稳定的生物膜。当COD负荷达15kg/（m3.d）时，其去除率稳定在85%以上。这种有机载体的推广使用具有很好的发展前途。4反应器的启动反应器的启动是稳定操作的前提。能否快速启动，与载体上微生物固定的好坏有关。除了载体因素外，还与工艺操作条件有关。周平等[8]对好氧生物流化床载体挂膜特性进行了研究，认为较短的水力停留时间和较少的接种污泥量有利于流化床的快速启动挂膜。反应器的启动就是让微生物固定在载体上。而这种微生物与悬浮微生物相比，后者在生长过程中更有利，因为前者受生物膜内传质阻力和底物扩散限制的影响。较长的水力停留时间不利于悬浮微生物的带出，导致反应器内这种微生物生长旺盛；相反，水力停留时间短则有利于悬浮微生物冲出反应器。另外，接种污泥量少，可以限制悬浮微生物的量，而有利于固定微生物中国城镇水网的生长。郑礼胜等[3]人在利用好氧生物流化床处理生活污水的中试中，没有投加接种污泥，经过2周的连续运行，成功地培养出生物膜。另外，空气流量的大小对反应器的启动也有很重要的影响。空气流量过大，会产生较大的剪切力，对挂膜不利；空气流量小，虽然对挂膜有利，但太小则不能保证反应器内的需氧要求。因此，合适气量的选择尤显重要。污水水质情况对反应器的启动也有关系，好氧微生物生长所需营养物质大致为：BOD:N:P=100:5:1。生活污水基本能满足微生物所需的各种元素，因而可以在较短时间内启动成功。工业废水多缺乏某些元素，且含有毒物质，常常需要较长时间的过渡培养驯化，从而影响了反应器的启动，如与生活污水混合处理，其效果会有所改善。pH和水温变化也将影响微生物的生长，好氧生物的适宜pH为6.5～8.5，最佳温度为20～30℃。5操作条件对工艺稳定性的影响在污水处理过程中，保持正常操作和维持稳定出水水质是比较重要的。由于好氧流化床内的强烈混合作用以及微生物固定生长的特点，它对冲击负荷的适应能力较强，当出现冲击负荷时，COD去除率开始可能会下降，但很快就恢复正常，通常情况下不需要设调节池。对于一些水质变化特别大的工业废水（尤其含有毒物质），反应器前应设置调节池。对于进水COD浓度出现长时间（2d以上）高水平时，应考虑适当加大气量供应，以保证反应器内有足够的氧。在设计时，空压机的排量应有适度的余量。当反应器运行一段时间后，3相分离器中会沉积大量脱落的悬浮物，它不仅影响出水水质，而且消耗氧，这样导致生物膜所需溶氧不足。如果通过加大气量的办法提高氧浓度，则会导致生物膜厚度减薄，使反应器内的生物量减少，出水悬浮物浓度加大，甚至载体会冲出反应器。因此，在操作中，应定期排除悬浮物（污泥）以维持工艺的稳定性。6结语生物流化床作为一种新型水处理技术已显出其优越性，有很好的发展前景。目前影响它推广使用的因素之一是能耗与其它生物处理法相比稍大。要降低能耗，必须从反应器结构的合理设计、载体的优选及操作参数的优化控制等方面进行研究。由于我国这方面的研究工作起步较晚，经费和人力的投入有限，尚难形成产业化技术。今后在这个领域必须加强基础研究，为这一技术的推广使用提供基础。7参考文献1耿安朝编著.废水生物处理发展与实践.长春：东北大学出版社,1997.2周平.内循环生物流化床处理丙烯酸废水的实验.环境科学,1994,16(1):58～61.3郑礼胜.内循环3相生物流化床处理生活污水.中国环境科学，1999,19(1):51～54.4栾金义．复合生物流化床流动特性研究．化学反应工程与工艺，1990，6(2):86～91.5何卫中．好氧生物流化床反应器处理有机废水技术进展．化工环保，1999，19(5):278～283.6杨平．多孔聚合物载体与活性炭载体用于厌氧流化床处理有机废水的比较研究．环境中国城镇水网科学，2001，22(1):45～48.7潘永亮.3相流化床中载体表面生物膜形成与膜厚影响因素实验研究.四川大学学报，2001，33(1):42～45.8周平．内循环生物流化床反应器载体挂膜特性的研究．环境科学学报，1998，18(1):68～72.第一作者邓洪权，男，1968年生，2000年四川大学毕业，硕士，讲师。中国城镇水网