好氧流化床廢水處理技術若干問題探討

 　　對好氧流化床廢水處理技術的反應器結構和工藝、載體的選擇、反應器的啟動及操作條件等,對工藝穩定性的影響問題進行了探討。綜合了目前國內外在這方面的研究進展，認為影響該技術推廣使用的因素之一，是能耗與其他生物處理法相比稍大，要降低能耗必須從反應器結構的合理設計、載體的選擇及操作參數的優化控制等方面進行研究。

　　關鍵詞：好氧流化床 廢水處理 技術探討 反應器 載體 能耗

　　1 引言

　　在廢水生物處理工藝中，生物流化床技術是一種新型的生物膜法工藝，是繼流化床技術在化工領域廣泛應用后于20世紀70年代初發展起來的。其載體在流化床內呈流化狀態，使固(生物膜)、液(廢水)、氣(空氣)3相之間得到充分接觸，顆粒之間劇烈碰撞，生物膜表面不斷更新，微生物始終處于生長旺盛階段。該技術能使床內保持高濃度的生物量，傳質效率極高，從而使廢水的基質降解速度快，水力停留時間短，運轉負荷比一般活性污泥法高10～20倍[1]，耐沖擊負荷能力強。另外，流化床高徑比較大，反應器占地面積小等優點，使它越來越受到水處理界的重視，許多國家都開展了這方面的研究工作。進入20世紀80～90年代以后，該研究領域十分活躍，本文僅對其技術問題作若干探討。

　　2 反應器的結構與工藝

　　好氧流化床的基本結構形式主要有：圓筒式、錐筒式、導流筒式、逆導流筒式、側循環式、外循環式等。導流筒式流化床(或稱內循環流化床)是一種很有前途的流化床技術，它在傳統3相流化床內設置了導流筒，提高了反應器內反應介質的混合程度，近年來，有關這種流化床的研究較多。改造流化床結構有提高反應器操作能力的潛力。周平等[2]對內循環3相生物流化床處理丙烯酸廢水進行了研究，氧利用率可高達17%。鄭禮勝等[3]人在利用好氧生物流化床處理生活污水的中試中，平均去除COD容積負荷達10.4kg/(m3.d)。筆者對內循環流化床結構進行了改進(稱為雙循環2點布氣內循環流化床反應器)，將其用于實際生活廢水的處理(已另文發表)，取得了較好的效果。能在較低的氣水比情況下(4.8～6 ：1)，使COD平均去除容積負荷達14.76～15.09kg/(m3.d)。

　　值得注意的是，好氧流化床的出水水質不如其它生物法。筆者認為，在進一步挖掘該類反應器能力的同時，應當結合其它工藝，開發一些組合工藝或復合結構以提高出水水質。欒金義等 [4]開發了一種具有全混合型和置換型疊加的復合生物流化床，兼有流化床處理負荷高與接觸氧化法出水水質好的特點。華北工學院在復合生物流化床基礎上，研制了一種新型自充氧內循環3相復合生物流化床反應器[5]，除了具有優良的自充氧特性外，兼有流化床處理效率高和接觸氧化濾床出水好、氣水比低、能耗小和適應性好等優點。

　　根據供氧、脫膜、床型構造等方面的不同，生物好氧流化床可分為2相和3相。其不同之處在于，前者在廢水進入流化床之前先充氧(或空氣)進行預曝氣，使廢水中含有足夠的氧氣，然后再進入流化床，液固2相在床中充分混合接觸，進行生化反應。其優點是能提高溶解氧濃度，提高反應速度，但脫膜困難，需要脫膜裝置和充氧池，使投資成本增加。而3相流化床則直接將空氣(或氧氣)、廢水同時泵入流化床，造成氣-液-固3相在床中混合流動并進行生物轉化反應。由于有氣體的直接攪動，脫膜容易、結構簡單、操作方便，缺點是溶解氧的提高受生物膜承受水力剪切力的限制，過大的氣量會使載體的膜厚度大大減低，脫落的懸浮生物易隨出水流失，載體也有可能沖出反應器。在選用反應器時應當結合實際工況綜合考慮。

　　3 載體的選擇

　　在流化床中，載體的合理選擇及其結構參數的優化，是關系到反應器快速啟動和處理效果的關鍵因素之一。目前，在生物流化床中所采用的載體主要有：細砂、活性炭、焦炭、爐渣、玻璃珠、陶粒、多孔高分子顆粒等，而關于生物流化床處理技術中載體選用方面的研究目前尚欠深入。筆者認為對載體的選用通常應作如下幾方面的考慮：粒徑、密度、多孔特性、表面形狀、機械強度、親生物性、經濟性。

　　載體粒徑與比表面積的大小有關，粒徑愈小，比表面積愈大。多孔載體的比表面積比相同粒徑的實心載體大，比表面積大有利于介質充分接觸。載體的流化動力與載體密度有關，密度過大，所需動力大，導致運行費用高;密度小、粒徑小、球形度好的載體，不但可以降低動力，而且可以降低水力剪切力，有利于載體的掛膜，但密度過小，載體掛膜后易隨出水流失。因此，載體的密度要適宜(至少大于水的密度)。內部多孔、表面粗糙的載體除可增加比表面積外，還可固定更多的微生物，縮短啟動時間，承受較大水力負荷的沖擊。另外，載體在流化床中處于劇烈運動狀態，為了防止載體破碎，要求載體有一定的機械強度。此外，載體的成本也應考慮。在選用載體時應結合操作運行，綜合考慮以上因素。

　　聚丙烯酸酯多孔聚合物載體，具有多孔、低密度、表面粗糙度大、比表面積大、機械強度高、吸水好及親生物性好等特點[6]。潘永亮等[7]人將該載體用于好氧3相生物流化床處理有機廢水的研究，結果表明效果較好，在13d內就成功培養出穩定的生物膜。當COD負荷達15kg/(m3.d)時，其去除率穩定在85%以上。這種有機載體的推廣使用具有很好的發展前途。

　　4 反應器的啟動

　　反應器的啟動是穩定操作的前提。能否快速啟動，與載體上微生物固定的好壞有關。除了載體因素外，還與工藝操作條件有關。周平等[8]對好氧生物流化床載體掛膜特性進行了研究，認為較短的水力停留時間和較少的接種污泥量有利于流化床的快速啟動掛膜。反應器的啟動就是讓微生物固定在載體上。而這種微生物與懸浮微生物相比，后者在生長過程中更有利，因為前者受生物膜內傳質阻力和底物擴散限制的影響。較長的水力停留時間不利于懸浮微生物的帶出，導致反應器內這種微生物生長旺盛;相反，水力停留時間短則有利于懸浮微生物沖出反應器。另外，接種污泥量少，可以限制懸浮微生物的量，而有利于固定微生物的生長。鄭禮勝等[3]人在利用好氧生物流化床處理生活污水的中試中，沒有投加接種污泥，經過2周的連續運行，成功地培養出生物膜。另外，空氣流量的大小對反應器的啟動也有很重要的影響?？諝饬髁窟^大，會產生較大的剪切力，對掛膜不利;空氣流量小，雖然對掛膜有利，但太小則不能保證反應器內的需氧要求。因此，合適氣量的選擇尤顯重要。

　　污水水質情況對反應器的啟動也有關系，好氧微生物生長所需營養物質大致為：BOD:N:P=100:5:1。生活污水基本能滿足微生物所需的各種元素，因而可以在較短時間內啟動成功。工業廢水多缺乏某些元素，且含有毒物質，常常需要較長時間的過渡培養馴化，從而影響了反應器的啟動，如與生活污水混合處理，其效果會有所改善。pH和水溫變化也將影響微生物的生長，好氧生物的適宜pH為6.5～8.5，最佳溫度為20～30℃。

　　5 操作條件對工藝穩定性的影響

　　在污水處理過程中，保持正常操作和維持穩定出水水質是比較重要的。由于好氧流化床內的強烈混合作用以及微生物固定生長的特點，它對沖擊負荷的適應能力較強，當出現沖擊負荷時，COD去除率開始可能會下降，但很快就恢復正常，通常情況下不需要設調節池。對于一些水質變化特別大的工業廢水(尤其含有毒物質)，反應器前應設置調節池。對于進水COD濃度出現長時間(2d以上)高水平時，應考慮適當加大氣量供應，以保證反應器內有足夠的氧。在設計時，空壓機的排量應有適度的余量。

　　當反應器運行一段時間后，3相分離器中會沉積大量脫落的懸浮物，它不僅影響出水水質，而且消耗氧，這樣導致生物膜所需溶氧不足。如果通過加大氣量的辦法提高氧濃度，則會導致生物膜厚度減薄，使反應器內的生物量減少，出水懸浮物濃度加大，甚至載體會沖出反應器。因此，在操作中，應定期排除懸浮物(污泥)以維持工藝的穩定性。

　　6 結語

　　生物流化床作為一種新型水處理技術已顯出其優越性，有很好的發展前景。目前影響它推廣使用的因素之一是能耗與其它生物處理法相比稍大。要降低能耗，必須從反應器結構的合理設計、載體的優選及操作參數的優化控制等方面進行研究。由于我國這方面的研究工作起步較晚，經費和人力的投入有限，尚難形成產業化技術。今后在這個領域必須加強基礎研究，為這一技術的推廣使用提供基礎。