生物流化床技術的發展現狀與革新

康健

摘 要：生物流化床具有處理效率高，抗沖擊負荷能力強等優點，在污水處理領域應用十分廣泛。本文介紹了近年來生物流化床工藝流程和充氧方式的發展情況，并總結了目前生物流化床工藝的革新情況，為生物流化床的發展提供支持。

關鍵詞：生物流化床；工藝流程；充氧方式；革新

生物流化床應用廣泛，可用于厭氧脫出廢水中的氨氮，也可好氧去除廢水中的有機物質，包括生活污水，制藥廢水，印染廢水，水廠、肉廠、糧食加工廠廢水等。基本上具有可生化性的廢水都適合。

1 生物流化床不同工藝流程的研究

依據流化床中附著生長不同類型的微生物，生物流化床可分為好氣床、兼氣床和厭氣床三類。主要工藝流程有以下幾類：

1.1 以氧氣為氧源的生物流化床

以氧氣為氧源的生物流化床有機負荷可以提高到27kg/m3，但是由于反應器需要大量的純氧且回流比較大，因而在純氧制造和回流電力部分會消耗很多能源。如果要使用空氣作為氧氣流化床的氧源，為使流化床的進水能夠獲得足夠的溶解氧，就需要加大回流比。根據研究顯示，對BOD5為214mg/L的生活污水，若采用空氣充氧來保持系統對BOD5的去除率維持在85%以上，其循環比需提高至34：1，而純氧氣生物流化床的循環比則只需要3：1即可達到此效果。所以，雖然以空氣為氧源的二相流化床在充氧時可避免生產純氧的難題，但在其后面運行時需要在循環泵上消耗大量的電力資源進行回流。近年，國外氧氣流化床處理工業廢水和城市污水已經在實際中應用，在美國紐約州已建造了一套氧氣流化床的二級處理設備，其設計規模為37850m3/d。

1.2 以空氣為氧源的三相流化床

三相流化床的供氧方式是通過反應器底部或器壁輸入空氣，在流化床內部形成氣液固三相。相對比兩相流化床，三相流化床的操作條件更加劇烈，其充氧情況與活性污泥法比較相當，這樣可以強化空氣在反應器內的轉移，增強微生物反應速率。可在三相流化床反應器內部，氣液不能得到很好的分離，氣泡容易在床體內部聚集無法散開而形成巨大的鼓泡，這些情況的出現會導致部分區域的氧吸收效果變差，而且氣泡在反應器內的攪動也會使得載體隨之流失，微生物的附著載體減少，從而降低出水水質，還容易使水質變得渾濁不清。目前三相流化床的研究在國內還比較少，基本上都是小試或者中試階段，只在日本有一座較大規模的處理設備。

1.3 兼氣生物流化床

兼氣流化床，以兼性微生物為主，通常是在缺氧或者低氧環境條件下進行生物氧化來降解廢水中的有機物質。由于在兼氣流化床中供氣的限制，兼性微生物的大量生長而產生了特殊了酶系統，這使得兼氣床既能在有氧條件下與好養細菌進行好氧呼吸，當廢水中不具有溶解氧時，也可利用水中溶解的化學物質中所含有的氧進行好養呼吸或者直接進行厭氧呼吸。當廢水中沒有溶解氧，兼性細菌利用廢水中存在的NO3-N為氧源時，稱為缺氧流化床。目前兼氣流化床在廢水處理上主要用于污水的反硝化脫氮上，而在廢水的二級處理上的應用幾乎未有報道提及。

1.4 厭氧生物流化床

厭氧流化床可處理高濃度的有機廢水，當廢水進入流化床后，廢水中的有機物經過厭氧細菌的第一步厭氧呼吸進行發酵產氫產酸，最后使有機物轉化為CH4和CO2。經反應器處理后的污水通過氣液分離，對沼氣回收利用。厭氧流化床目前尚未用于城市污水和工業廢水的處理中，僅僅處于初步研究探索階段，還未形成可以實際使用的操作流程。根據現有資料表明，利用厭氧生物流化床對化學工業、食品工業、乳制品工業以及污泥熱處理液廢水均具有較好的處理效果。此外，每kgCOD可在微生物的氧化作用下產生約0.4m3的沼氣，其中甲烷含量在70-80%。當前的厭氧流化床不僅能用于高濃度有機廢水的處理，在COD<300mg/L時處理低濃度有機廢水時仍有較好的表現。

對于以上幾個類型的流化床，當前已經有一些研究在嘗試將他們進行前后相連對污水進行分步處理來達到標準的水質。英國水研究中心便提出可以將氧氣流化床與缺氧流化床進行串聯組成一個新流程，通過在氧氣流化床前面添加一個厭氣流化床工藝，將污水進行完全的生物氧化，硝化并部分脫氮處理。兩種工藝的串聯不僅可以使出水水質更加穩定良好，還能保證在水質有較大波動時能夠有高效的處理效率。

2 生物流化床反應器的革新

隨著廢水處理技術的進步和創新，低耗、高效和處理難降解廢水是流化床生物反應器的發展方向之一，目前開發的新型生物流化床主要有以下幾類。

2.1 環流生物半流化床

北京化工研究院研發了一種置換和全混型疊加的環流生物半流化床，如圖1。

該生物流化床反應器實現了固定床和流化床的串聯運行操作，因此它不但具有良好的循環性，而且還解決了全混型流化床反應器對于一些難降解的污染物去除效率低的問題。實驗采用淀粉廢水，水力停留時間小于4h，COD負荷為4.2kg/（m3·d），最小的氣水比為37：1。

2.2 自充氧內循環三相復合生物流化床

華北工學院在復合流化床反應器的基礎上研究制造了如圖2所示的自充氧內循環三相復合生物流化床。

三相復合生物流化床反應器的下部為一個三相流化床，上部配有活動的過濾安全網和載體，流化床上部出水通過自動充氧系統，采用流動的空氣對出水進行充氧后便可進入浸沒式的接觸氧化床，通過進一步反應之后排除水體。反應器具有良好的自充氧性能，并且還具有高效率的處理效果和良好出水水質的優點，應用前景很好。

3 結束語

近年，流化床技術在國內外有過很多研究，由于其具有的巨大比表面積、高濃度微生物和高效的傳質速率，使得流化床反應器在廢水生物處理中很有發展前景。當前流化床技術已經在不同類型的廢水處理上有所應用，并且還將隨著技術的創新發展而擁有更廣闊的應用前景。傳統的流化床在面對成分日益復雜的工業廢水時顯得乏力，能耗大，復雜的流態化特性設計，泥水分離效果差等，這也使得我們要努力研究開發新型生物流化床反應器來適應不同性質的廢水。當前一些新型流化床也在應用中暴露了一些問題，例如氧化流化床由于需要純氧作為氧源，而純氧的制造費用是很大一個難題，如何降低氧氣制造成本和加大氧氣利用率是一個問題，當前的生物膜分離系統在針對高濃度易脫水的活性污泥時其自動脫膜分離系統在工業應用上表現的不盡人意，如何解決新型技術在大型工業設備上的應用變得非常重要。生物流化床占地少，投資小，效率高，其技術特點正適合我國現階段廢水的處理，借鑒國內外技術，將該技術應用于工程當中實現工業化是一件對我國廢水處理的創新發展非常有意義的事情。