生物流化床技術(shù)在水處理領(lǐng)域的研究進(jìn)展

羅金陽

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，污水排放量逐年增加，衍生出污廢水中污染物種類復(fù)雜、濃度差異大、傳統(tǒng)污水處理技術(shù)處理效果不理想、缺乏廢水排放設(shè)施以及集中處理設(shè)備等問題。現(xiàn)階段，深入探究高效污水處理技術(shù)是解決缺水問題、治理水污染的直接有效途徑。

生物流化床技術(shù)是一種高效的污水處理技術(shù)[1]，以生物膜法為主[2]，有機融合活性污泥法的特點，具有微生物濃度高、生物相多樣化、比表面積大、混合傳質(zhì)充分迅速、容積負(fù)荷率及污泥負(fù)荷率高、耐沖擊負(fù)荷等特點，對各類污水均可實現(xiàn)高效穩(wěn)定處理[3]。該工藝將生物膜法與化工流態(tài)化技術(shù)相結(jié)合[4]，常以球狀多孔填料作載體，生物膜附著于載體表面，通入空氣使流化床反應(yīng)器內(nèi)處于流化狀態(tài)，各相之間充分接觸傳質(zhì)，附著生物膜由于水流和氣體的沖刷作用而生長、脫落，原水中的污染物被微生物氧化分解。與傳統(tǒng)技術(shù)不同，生物流化床反應(yīng)器混合傳質(zhì)充分、阻力小，單位體積內(nèi)的微生物活性更高，大幅度提升了傳質(zhì)效果，因此，生物流化床處理效率相較于傳統(tǒng)生物法更佳[5]，在污水處理領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

1 生物流化床的類型

生物流化床結(jié)構(gòu)種類復(fù)雜繁多，根據(jù)床層內(nèi)的物相分為兩相、三相生物流化床，兩相流化床依靠液流作為推動使其內(nèi)部流態(tài)化，充氧與流化過程分開，需設(shè)脫膜和充氧設(shè)備。三相流化床通過通入的氣流來流化，氣、液、固三相體系共存，污水充氧與載體流化同時進(jìn)行，附著于載體上的生物膜降解污染物，由于氣流擾動作用，老化的生物膜及時得到清理，不需另設(shè)脫膜裝置。依據(jù)循環(huán)方法可分為外循環(huán)、內(nèi)循環(huán)三相流化床。按照微生物種類菌屬又分為好氧流化床、厭氧流化床等。

2 生物流化床的載體

載體的性質(zhì)直接關(guān)系到生物流化床的處理效果[6]，緊密聯(lián)系著生物顆粒流化、微生物附著、體系能耗等方面。生物流化床常用載體主要有無機載體、有機載體和新型載體三大類。

2.1 無機載體

目前，流化床中應(yīng)用最廣泛的無機載體以多孔礦物材料為主[7]，這類材料表面粗糙，孔隙豐富，比表面積大，易于取得，微生物易附著。選擇載體時，球形為佳[8]，孔隙率高、顆粒小、孔徑合理、親水性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、機械性能良好為宜。

2.2 有機載體

有機載體常用有機聚合物。這類材料較無機載體相比密度更小，膨脹系數(shù)大，耐磨性更好。周雷[9]開發(fā)了高濃度復(fù)合粉末載體生物流化床工藝，選擇某污水廠進(jìn)行生產(chǎn)性試驗并取得良好的處理效果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.3 新型載體

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)各類新型載體作為填料可以有效解決傳統(tǒng)載體的某些不足，AITCHEIKH等以牡蠣殼為生態(tài)填料處理生物流化床反應(yīng)器中的乳品廢水，取得良好的處理效率[10]。 郭琇[11]等研制新型復(fù)合載體應(yīng)用于生物流化床，研究表明生物空心微球復(fù)合載體具有更優(yōu)的抗沖擊負(fù)荷能力，被凈化后的水體可重復(fù)利用，實現(xiàn)污水零排放。用植物等材料作為載體也是未來的研究方向。

3 生物流化床在廢水處理中的應(yīng)用

生物流化床有著良好的有機物去除效果[12]以及脫氮除磷效果，適用于處理生活污水及各類工業(yè)廢水。

3.1 處理生活污水

城鎮(zhèn)生活污水有機物濃度低、懸浮物濃度高、可生化性好，鄭少澄[13]等以改良型A2O流化床為核心技術(shù)的污水處理設(shè)備處理生活污水，試驗結(jié)果表明處理系統(tǒng)凈化后出水水質(zhì)優(yōu)于一級 A標(biāo)準(zhǔn)，CODCr、氨氮、總氮、總磷的去除率分別達(dá)到85.2%、90.5%、75.8%、90.1%以上。佘國生[14]等采用好氧流化床生物膜反應(yīng)器處理模擬城市生活污水，試驗結(jié)果表明當(dāng)曝氣量為150 L·h-1、溫度為20 ℃時，流化床對污染物的去除效果最好，此時CODCr、氨氮、TN和TP去除率分別為96.55%、89.53%、86.20%和83.96%。許德超[15]等研究生物流化床聯(lián)合生物接觸氧化法協(xié)同處理實際生活污水，試驗結(jié)果表明DO濃度作為調(diào)控參數(shù)可優(yōu)化聯(lián)合脫氮效果，同時降低流化床系統(tǒng)曝氣能耗。蔣曉陽[16]以脈沖厭氧流化床工藝處理生活污水，結(jié)果表明，流化床系統(tǒng)使用網(wǎng)狀海綿填料作載體時，處理效果優(yōu)于填充圓形懸浮填料，HRT為24 h時，連續(xù)進(jìn)水工況COD、SS去除率分別為67.3%、83.9%，改為脈沖進(jìn)水后COD、SS去除率分別70.3%、88.5%，實驗結(jié)果證明脈沖厭氧流化床處理效果良好，該工藝可作為生活污水預(yù)處理工藝。朱守超[17]等構(gòu)建蜂窩填料三相流化床處理城市生活污水，探究總氮的去除效果。結(jié)果表明，HRT為3 h時，總氮去除率為52.61%。楊一帆[18]構(gòu)建焦末載體流化床用以處理模擬生活污水，結(jié)果表明HRT為2.5~3.0 h、進(jìn)水COD質(zhì)量濃度在2 000 mg·L-1以下、pH值保持在7~8時COD去除率達(dá)90%以上。

3.2 處理各類工業(yè)廢水

流化床對各類有機廢水[19]均有較好處理效果，有機廢水BOD5一般都較高，pH低，極易酸化，可生化性（BOD5/COD）良好，排入水體會造成嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化和感官污染。印染廢水[20]色度高、可生化性差、成分復(fù)雜，徐富[21]等將Fenton流化床工藝應(yīng)用到印染廢水深度處理中，實驗數(shù)據(jù)顯示芬頓流化床COD去除率達(dá)到73.5%。

近年來由于海產(chǎn)品需求量的增加[22]，引發(fā)海產(chǎn)品加工產(chǎn)生的廢水量和污染急劇增加。DING[23]等研究不同運行條件下生物流化床處理海產(chǎn)品加工廢水，結(jié)果表明隨著污泥濃度的增加和水力停留時間的延長，脫氮除磷效率隨之提高，載體填料的比表面積的增大也會有效提升系統(tǒng)的脫氮除磷效率。

南秀杰[24]等用生物流化床處理氯苯廢水，實驗結(jié)果表明，較高或低pH值時反應(yīng)器處理效果良好，相比易降解的油脂廢水，降解氯苯廢水需要更長的HRT，氯苯的最佳去除率＞75%。鄭利[25]等采用芬頓-流化床工藝處理二沉池出水，經(jīng)三沉池沉淀后COD可降至35~45 mg·L-1，色度（Pt-Co）降到25度以下，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放要求。該深度處理工藝具有運行穩(wěn)定、藥耗低、污泥產(chǎn)量低等顯著特點。

HAN[26]等采用微電解生物流化床工藝處理低碳氮比的焦化廢水。結(jié)果顯示 COD和總氮去除率分別為92%和95%，研究發(fā)現(xiàn)該工藝不僅能去除蛋白質(zhì)類物質(zhì)，還能降解富里酸類和腐殖酸類物質(zhì)。

李康琪[27]等研究新型組合工藝，采用螺旋對稱流厭氧流化床+渦旋流強化脫氮反應(yīng)器聯(lián)合膜生物反應(yīng)器，用組合工藝處理豆制品生產(chǎn)廢水，結(jié)果表明，流化床CODCr平均去除率為87.8%，CODCr平均去除率88.1%。

4 新型生物流化床技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

對幾種流化床技術(shù)適用對象及特點進(jìn)行了對比，結(jié)果如表1所示。

表1 幾種流化床技術(shù)適用對象及特點

優(yōu)化設(shè)計生物流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)、更好地平衡處理效果與系統(tǒng)能耗、通過耦合工藝來提升處理效果是近年來高效新型生物流化床技術(shù)的研發(fā)趨勢。

5 結(jié)論與展望

生物流化床技術(shù)污水處理效率高、占地面積小，在城市生活污水與工業(yè)廢水處理領(lǐng)域均有良好的發(fā)展前景。同時，流化床工藝仍然存在流態(tài)化特性復(fù)雜、固液分離依靠重力等不足，故工程應(yīng)用仍有諸多需解決的問題。如何優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、改進(jìn)曝氣方式以降低能耗是問題之一；菌種和載體選擇是生物流化床的核心，尋求更易掛膜、性能更好的載體可以提高利用率；探究流化床內(nèi)部水力學(xué)特性，研究其傳質(zhì)特點和流體力學(xué)特性，通過生物學(xué)技術(shù)開發(fā)新型微生物。此外，與其他處理技術(shù)結(jié)合可以大幅度提升生物流化床工藝處理的效果、降低處理成本、增強實用性，將是生物流化床技術(shù)未來發(fā)展的方向。