當(dāng)代水處理技術(shù)44+生物流化床技術(shù)

1、4.4 生物流化床技術(shù)一、生物流化床的基本原理1、流態(tài)化與流態(tài)化技術(shù) 反應(yīng)器內(nèi)填充固體顆粒介質(zhì)，通入液體時(shí)，如流速小，則固體顆粒介質(zhì)不動；如流速繼續(xù)增加，顆粒開始松動與膨脹；流速繼續(xù)增加，床層進(jìn)一步膨脹，直到顆粒懸浮于液體中而互不接觸，進(jìn)入流態(tài)化狀態(tài)（此時(shí)流速為臨界流化速度）；若流速超過臨界流化速度，則流化態(tài)繼續(xù)發(fā)展。12、生物膜與生物膜技術(shù)（1）生物膜法 活性微生物固著在惰性載體的表面形成生物膜，廢水流經(jīng)生物膜表面，溶解性污染物為微生物所攝取、利用，廢水得到凈化。因而這種方法亦稱為生物過濾法。（2）生物膜的形成與結(jié)構(gòu)2（3）生物膜法的特點(diǎn)1）微生物相方面的特征 參與凈化反應(yīng)微生物多樣化：生存

2、環(huán)境穩(wěn)定，污泥齡長。使硝化功能得以實(shí)現(xiàn)?；钚晕勰嗯c生物膜上出現(xiàn)的微生物種類與頻率的比較微生物種類 出現(xiàn)頻率 微生物種類 出現(xiàn)頻率活性污泥法生物膜法 活性污泥法生物膜法 細(xì)菌吸管蟲類藻類其它纖毛蟲類鞭毛蟲類輪蟲類肉足蟲類線蟲類緣毛類 寡毛類下毛類其它后生動物3 生物的食物鏈長：與活性污泥上生息的微生物相比，在生物膜上生息的微生物中，動物營養(yǎng)性者占優(yōu)，微型后生動物的存活量也比較高。因此污泥量低。 凈化反應(yīng)過程分段進(jìn)行：生物膜處理法的各種工藝對廢水的處理多分段進(jìn)行，在各段生物膜上優(yōu)勢微生物將是與進(jìn)入該段廢水的水質(zhì)成分非常適應(yīng)的菌屬。 硝化菌及脫氮菌能夠得到良好的增值：生物膜固著在載體上，微生物的增值

3、與廢水在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間無關(guān)，象硝化菌這樣比增殖速度小的細(xì)菌也能得到比較穩(wěn)定的增殖。42）在凈化功能方面的特征 具有高度的硝化與脫氮功能：硝化與反硝化 對水質(zhì)水量的變動有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且易于恢復(fù)：大量生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)停止進(jìn)水后，對生物膜的凈化功能影響不大。 對低濃度廢水也能進(jìn)行有效的處理：對活性污泥法來講，原廢水的BOD值不應(yīng)低于5060mg/L，否則活性污泥絮體難于形成。而生物膜法對這樣的低濃度，甚至濃度更低的廢水也能夠進(jìn)行充分的處理。因此可應(yīng)用于微污染水源的處理。53）在維護(hù)管理方面的特征節(jié)能，動力費(fèi)用低：動力能耗是活性污泥法的1/2至2/3；易于固液分離：脫落的生物膜中，動物成分多，因

4、此易于固液分離；污泥產(chǎn)率低：與活性污泥法相比，污泥產(chǎn)率降低25左右。63、生物膜法的基本原理（1）生物膜的特征與性質(zhì)1）生物膜的特征 生物膜厚度 生物膜總厚度一般介于0.07-0.4mm；生物膜活性厚度（有機(jī)物降解速率達(dá)到最大時(shí)的生物膜厚度）一般介于0.07-0.1mm。 生物膜的密度 反映生物膜內(nèi)微生物數(shù)量。密度大產(chǎn)生于好氧層，微生物細(xì)胞密集重疊；而密度小產(chǎn)生于厭氧層，是由于細(xì)胞的溶菌裂解造成的。 72）影響微生物固定的因素 微生物性質(zhì)A、懸浮微生物濃度 在給定的系統(tǒng)中，懸浮微生物濃度代表了微生物與載體間的接觸頻度。一般講，懸浮微生物濃度增加，微生物與載體間的接觸頻度也隨之增高。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、表明，在微生物附著固定過程中存在一個(gè)臨界懸浮微生物濃度。8B、懸浮微生物活性 懸浮性活性污泥的活性通常用微生物的比增長速率來描述。 載體表面性質(zhì) 在正常生長環(huán)境下，微生物細(xì)菌表面帶負(fù)電荷，如果通過一定的表面改良技術(shù)使載體表面具有正電荷，將使微生物在載體表面附著固定更為容易。9 環(huán)境特性A、液相pH 液相環(huán)境中，pH的變化將直接影響微生物細(xì)菌的表面電荷性質(zhì)。當(dāng)pH大于等電點(diǎn)pH（電位為0時(shí)的pH），細(xì)菌表面由于氨基酸的電離作用而顯負(fù)電性；當(dāng)pH小于等電點(diǎn)pH，細(xì)菌表面由于氨基酸的電離作用而顯正電性。10B、液相離子強(qiáng)度C、水利剪切作用 反應(yīng)初期，弱的剪切力有利于細(xì)菌在載體上的固定；在生物膜反應(yīng)器

6、的正常運(yùn)行中，需要一定強(qiáng)度的剪切力，以使生物膜得到更新。D、接觸時(shí)間11（2）生物膜中的物質(zhì)遷移1）有機(jī)污染物的遷移；2）溶解氧的遷移；3）反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散 （3）生物膜凈化廢水的機(jī)理 1）有機(jī)污染物的吸附 生物膜呈蓬松的絮狀結(jié)構(gòu)，微孔多表面積大，具有很強(qiáng)的吸附能力。 122）有機(jī)污染物的生物降解 生物膜微生物以吸附和沉積于膜上的有機(jī)物為營養(yǎng)料。增殖的生物膜脫落后進(jìn)入廢水，在二次沉淀池中被截留下來，成為污泥。 有機(jī)物負(fù)荷高，其處理水的NO3-可在2mg/L左右，BOD5去除率為6090%；負(fù)荷低，廢水經(jīng)過處理后，BOD5可以降到25mg/L以下，硝酸鹽（NO3-）含量在10mg/L以上。13（4

7、）影響生物膜處理效果的主要因素1）進(jìn)水底物的組分和濃度2）營養(yǎng)物資3）有機(jī)負(fù)荷及水力負(fù)荷4）溶解氧5）生物膜量6）pH7）溫度8）有毒物資144、生物流化床的特點(diǎn)（1）固體載體的顆粒十分細(xì)小，因此能提供微生物附著生長的巨大比表面積，使反應(yīng)器內(nèi)維持比較大的生物量；（2）傳質(zhì)性能好；（3）氣固液三相的劇烈翻動，促使生物膜的形成、生長、成熟與脫落過程加劇，使膜的更新快、活性強(qiáng)；（4）氣固液三相分離溶液、迅速；（5）反應(yīng)器耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；（6）占地面積大大減少；（7）技術(shù)要求高，能耗較高。15二、生物流化床的類型與工藝流程1、好氧生物流化床（1）好氧生物流化床的結(jié)構(gòu)組成好氧生物流化床是以微粒狀填料如

8、砂、焦炭、活性炭、玻璃珠、多孔球等作為微生物載體， 以一定流速將空氣或純氧通人床內(nèi)，使載體處于流化狀態(tài)，通過載體表面上不斷生長的生物膜吸附、氧化 并分解廢水中的有機(jī)物，從而達(dá)到對廢水中污染物的去除。好氧生物流化床按床內(nèi)氣、液、固三相的混合程度的不同，以及供氧方式床體結(jié)構(gòu)及脫膜方式等的差別可分為兩相生物流化床和三相生物流化床。161）兩相生物流化床 17特點(diǎn)： 充氧過程與流化過程分開，并完全依靠水流使載體流化。在流化床外設(shè)充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備，在流化床內(nèi)只有液、固兩相。原廢水先經(jīng)充氧設(shè)備， 可利用空氣或純氧為氧源使廢水中溶解氧達(dá)飽和狀態(tài)。182）三相生物流化床 其工藝流程如圖所示。該流化床 由反應(yīng)

9、區(qū)、脫氣區(qū)和沉淀區(qū)組成，反應(yīng)區(qū)由內(nèi)筒和外筒兩個(gè)同心圓柱組成，曝氣裝置在內(nèi)筒底部，反應(yīng)區(qū) 內(nèi)填充生物載體?；旌弦涸趦?nèi)筒向上流、外筒向下流構(gòu)成循環(huán)。 19特點(diǎn)： 該反應(yīng)器內(nèi)氣、液、固三相共存，污水充氧和載體流化同時(shí)進(jìn)行，廢水有機(jī)物在載體生物膜的作用下進(jìn)行生物降解，空氣的攪動使生物膜及時(shí)脫落，故不需脫膜裝置。但有小部分載體可能從床中帶出， 需回流載體。三相生物流化床的技術(shù)關(guān)鍵之一，是防止氣泡在床內(nèi)合并成大氣泡而影響充氧效率，為此可采用減壓釋放或射流曝氣方式進(jìn)行充氧或充氣。20（2）好氧生物流化床適用范圍適用于各種可生化降解的有機(jī)廢水處理，主要用于去除中、低濃度的有機(jī)碳化合物，以及好氧硝化去除NH3N

10、，對各類生活污水及工業(yè)廢水均有良好的處理效果。（3）應(yīng)用好氧生物流化床處理廢水的效果好氧生物流化床已用于多種工業(yè)廢水及城市污水的處理，并且取得了良好的效果。212、厭氧生物流化床與好氧生物流化床相比，該法不僅在降解高濃度有機(jī)物方面顯出獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好 的脫氮效果。（1）厭氧生物流化床的結(jié)構(gòu)組成厭氧生物流化床可視為特殊的氣體進(jìn)口速度為零的三相流化床。這是因?yàn)閰捬醴磻?yīng)過程分為水解酸化、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段，床內(nèi)雖無需通氧或空氣，但產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的氣體與床內(nèi)液、固兩相混和即成三相流化狀態(tài)。22 厭氧生物流化床工藝如下圖所示。為維持較高的上流速度，需采用較大的回流比。厭氧生物流化床內(nèi)微生物種群的分

11、布趨于均一化，在床中央?yún)^(qū)域生物膜的產(chǎn)酸活性和產(chǎn)甲烷活性都很高，從而使其有效負(fù)荷大大提高。23（2） 厭氧生物流化床的適用范圍厭氧生物流化床既適于高濃度的有機(jī)廢水，又適于中、低濃度的有機(jī)廢水處理，它的有 機(jī)容積負(fù)荷（以BOD5計(jì)）可達(dá)210kg/（m3d），由于所需氮磷營養(yǎng)較少，尤 適于處理氮磷缺乏的工業(yè)廢水。處理的工業(yè)廢水包括含酚廢水、萘磺酸廢水、魚類加工廢水、煉油污 水、乳糖廢水、屠宰場廢水、煤氣化廢水等，處理的城市污水包括家庭廢水、糞便廢水、市政污水。廚房 廢水等。24（3） 應(yīng)用厭氧生物流化床法處理廢水的效果厭氧生物流化床處理廢水的研究與應(yīng)用實(shí)例迄今為止已比較廣泛，而且已發(fā)揮了顯著優(yōu)勢。

12、3、其它新型流化床為使生物流化床發(fā)展成為高效、低耗、連續(xù)處理大量廢水的新型反應(yīng)器，國內(nèi)外又研究開發(fā)了 一些新型生物流化床反應(yīng)器。25（1） 磁場生物流化床磁場生物流化床反應(yīng)器裝置比較復(fù)雜，需在床體外加磁場，并且固定化細(xì)胞的載體內(nèi)需含一定的磁介質(zhì)，床層內(nèi)存在3種狀態(tài)；散流床、鏈流床、磁聚床。施加磁場帶來兩個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)：固相粒子可在 更大的流速下才能從磁場生物流化床沖出；單位反應(yīng)器體積所降解的污染物量明顯提高。26（2）復(fù)合式生物流化床將不同類型的生物流化床組合或?qū)⑸锪骰才c其它生化處理反應(yīng)器組合，便形成復(fù)合生物流化床。這樣可以兼顧不同反應(yīng)器的特點(diǎn)，提高處理效果，這種組合已經(jīng)成為生物流化床的一個(gè)新

13、發(fā)展方向。 271）厭氧一好氧復(fù)合式生物流化床此種生物流化床是由英國水研究中心開發(fā)的，用作有機(jī)物的去除、氨氮的硝化和脫氮，均收到良好的效果。其流程如圖所示。該法的特點(diǎn)是第1段厭氧床內(nèi)的兼性菌利用硝酸鹽中的氧作為氧源，使廢水中部分有機(jī)碳化合物氧化，因而不需要補(bǔ)充碳源，同時(shí)也減少了第2段好氧床的有機(jī)負(fù)荷，降低能耗。最終使排水中硝酸鹽的質(zhì)量濃度降至510mg/L。 28292）固定床-流化床生物反應(yīng)器北京化工研究院開發(fā)了一種全混型和置換疊加的復(fù)合式生物流化床，在一個(gè)床中實(shí)現(xiàn)了流化床和固定床的串聯(lián)操作，既有利防止流態(tài)化生物相及生物載體的溢出，又具有良好的循環(huán)特性。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖所示。研究結(jié)果表明，用其

14、處理淀粉廢水，停留時(shí)間小于4h，最大CODcr負(fù)荷為4.2kg/(m3d)，具有處理能力大、效率高的優(yōu)點(diǎn)。303）好氧流化床接觸氧化床復(fù)合反應(yīng)器此種反應(yīng)器屬一體化設(shè)備，以一上部帶有活動式過濾安全網(wǎng)的內(nèi)循環(huán)流化床為主體，流化床上部出水通過自充氧系統(tǒng)，進(jìn)人侵沒式接觸氧化床，進(jìn)一步反應(yīng)后出水，該反應(yīng)器除具有優(yōu)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性能好的特點(diǎn)，又因氣水比低、能耗小和適應(yīng)性好等，故有良好的應(yīng)用前景。3132（3）厭氧甲烷發(fā)酵流化床膜反應(yīng)器該反應(yīng)器是把流化床反應(yīng)器和膜分離技術(shù)結(jié)合起來，采用固定化技術(shù)固定微生物，通過膜分離得到高質(zhì)量的出水，其原理如圖所示。它具有生物介質(zhì)分

15、布均勻、傳質(zhì)速度快的特點(diǎn)，同時(shí)又能打破化學(xué)平衡的限制，提高底物濃度，將出水質(zhì)量好和反應(yīng)效率高有效的結(jié)合起來，省去后處理裝置，特別適用于高效率菌種且受底物濃度限制大的情況。其缺點(diǎn)是操作費(fèi)用高、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的膜材料難以獲得。 3334（4）三重環(huán)流生物流化床該流化床將內(nèi)循環(huán)管（氣升管）分為3段，使三相流體按一定分布進(jìn)行三層次的循環(huán)流動，其設(shè)計(jì)目的為強(qiáng)化傳質(zhì)，提高混合，降低啟動壓力。其結(jié)構(gòu)及循環(huán) 示意如圖所示。經(jīng)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明，該反應(yīng)器的氣相含率較單重環(huán)流反應(yīng)器在相同實(shí)驗(yàn)條件下高1015，氣流量增大，縮短了循環(huán)時(shí)間，使液體循環(huán)速度加快。用該流化床處理廢水，在有毒有機(jī)物高負(fù)荷條件下運(yùn)行良好，平均容積負(fù)荷（以 CODcr計(jì)）為7.16kg/（m3d）時(shí)，CODcr平均去除率可達(dá)79.5，芳烴類化合物去除率為91.9，對酚類去除率達(dá) 94.8。3536三、工程應(yīng)用實(shí)例1、北京市密云縣云湖度假村廢水處理工程射流曝氣型三相生物流化床設(shè)計(jì)流量：600m3/d，度假村生活污水；池的尺寸：2座，直徑1.4m，高6.5m；載體介質(zhì)：石英砂，粒徑0.3-0.5m，密度2.63g/cm3，裝 填高度0.6m；床內(nèi)表觀液速：0.954cm/s，氣速0.420cm/s；37載體生物膜厚：100微米，生物濃度17g/L；床容積負(fù)荷：4.14-6.