生物流化床技術在水處理領域的研究進展

羅金陽

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

近年來，隨著經濟高速發展，污水排放量逐年增加，衍生出污廢水中污染物種類復雜、濃度差異大、傳統污水處理技術處理效果不理想、缺乏廢水排放設施以及集中處理設備等問題。現階段，深入探究高效污水處理技術是解決缺水問題、治理水污染的直接有效途徑。

生物流化床技術是一種高效的污水處理技術[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、混合傳質充分迅速、容積負荷率及污泥負荷率高、耐沖擊負荷等特點，對各類污水均可實現高效穩定處理[3]。該工藝將生物膜法與化工流態化技術相結合[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器內處于流化狀態，各相之間充分接觸傳質，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。與傳統技術不同，生物流化床反應器混合傳質充分、阻力小，單位體積內的微生物活性更高，大幅度提升了傳質效果，因此，生物流化床處理效率相較于傳統生物法更佳[5]，在污水處理領域有良好的應用前景。

1 生物流化床的類型

生物流化床結構種類復雜繁多，根據床層內的物相分為兩相、三相生物流化床，兩相流化床依靠液流作為推動使其內部流態化，充氧與流化過程分開，需設脫膜和充氧設備。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，不需另設脫膜裝置。依據循環方法可分為外循環、內循環三相流化床。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

載體的性質直接關系到生物流化床的處理效果[6]，緊密聯系著生物顆粒流化、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、化學穩定性好、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，膨脹系數大，耐磨性更好。周雷[9]開發了高濃度復合粉末載體生物流化床工藝，選擇某污水廠進行生產性試驗并取得良好的處理效果，達到預期目標。

2.3 新型載體

近年來，研究人員發現各類新型載體作為填料可以有效解決傳統載體的某些不足，AITCHEIKH等以牡蠣殼為生態填料處理生物流化床反應器中的乳品廢水，取得良好的處理效率[10]。 郭琇[11]等研制新型復合載體應用于生物流化床，研究表明生物空心微球復合載體具有更優的抗沖擊負荷能力，被凈化后的水體可重復利用，實現污水零排放。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廢水。

3.1 處理生活污水

城鎮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流化床為核心技術的污水處理設備處理生活污水，試驗結果表明處理系統凈化后出水水質優于一級 A標準，CODCr、氨氮、總氮、總磷的去除率分別達到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器處理模擬城市生活污水，試驗結果表明當曝氣量為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合生物接觸氧化法協同處理實際生活污水，試驗結果表明DO濃度作為調控參數可優化聯合脫氮效果，同時降低流化床系統曝氣能耗。蔣曉陽[16]以脈沖厭氧流化床工藝處理生活污水，結果表明，流化床系統使用網狀海綿填料作載體時，處理效果優于填充圓形懸浮填料，HRT為24 h時，連續進水工況COD、SS去除率分別為67.3%、83.9%，改為脈沖進水后COD、SS去除率分別70.3%、88.5%，實驗結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處理工藝。朱守超[17]等構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。結果表明，HRT為3 h時，總氮去除率為52.61%。楊一帆[18]構建焦末載體流化床用以處理模擬生活污水，結果表明HRT為2.5~3.0 h、進水COD質量濃度在2 000 mg·L-1以下、pH值保持在7~8時COD去除率達90%以上。

3.2 處理各類工業廢水

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，排入水體會造成嚴重的水體富營養化和感官污染。印染廢水[20]色度高、可生化性差、成分復雜，徐富[21]等將Fenton流化床工藝應用到印染廢水深度處理中，實驗數據顯示芬頓流化床COD去除率達到73.5%。

近年來由于海產品需求量的增加[22]，引發海產品加工產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品加工廢水，結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，實驗結果表明，較高或低pH值時反應器處理效果良好，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，滿足當地環保排放要求。該深度處理工藝具有運行穩定、藥耗低、污泥產量低等顯著特點。

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。結果顯示 COD和總氮去除率分別為92%和95%，研究發現該工藝不僅能去除蛋白質類物質，還能降解富里酸類和腐殖酸類物質。

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器聯合膜生物反應器，用組合工藝處理豆制品生產廢水，結果表明，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發展現狀

對幾種流化床技術適用對象及特點進行了對比，結果如表1所示。

表1 幾種流化床技術適用對象及特點

優化設計生物流化床結構參數、更好地平衡處理效果與系統能耗、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的研發趨勢。

5 結論與展望

生物流化床技術污水處理效率高、占地面積小，在城市生活污水與工業廢水處理領域均有良好的發展前景。同時，流化床工藝仍然存在流態化特性復雜、固液分離依靠重力等不足，故工程應用仍有諸多需解決的問題。如何優化反應器結構、改進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；探究流化床內部水力學特性，研究其傳質特點和流體力學特性，通過生物學技術開發新型微生物。此外，與其他處理技術結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未來發展的方向。