生物流化床技术的发展现状与革新

康健

摘 要：生物流化床具有处理效率高，抗冲击负荷能力强等优点，在污水处理领域应用十分广泛。本文介绍了近年来生物流化床工艺流程和充氧方式的发展情况，并总结了目前生物流化床工艺的革新情况，为生物流化床的发展提供支持。

关键词：生物流化床；工艺流程；充氧方式；革新

生物流化床应用广泛，可用于厌氧脱出废水中的氨氮，也可好氧去除废水中的有机物质，包括生活污水，制药废水，印染废水，水厂、肉厂、粮食加工厂废水等。基本上具有可生化性的废水都适合。

1 生物流化床不同工艺流程的研究

依据流化床中附着生长不同类型的微生物，生物流化床可分为好气床、兼气床和厌气床三类。主要工艺流程有以下几类：

1.1 以氧气为氧源的生物流化床

以氧气为氧源的生物流化床有机负荷可以提高到27kg/m3，但是由于反應器需要大量的纯氧且回流比较大，因而在纯氧制造和回流电力部分会消耗很多能源。如果要使用空气作为氧气流化床的氧源，为使流化床的进水能够获得足够的溶解氧，就需要加大回流比。根据研究显示，对BOD5为214mg/L的生活污水，若采用空气充氧来保持系统对BOD5的去除率维持在85%以上，其循环比需提高至34：1，而纯氧气生物流化床的循环比则只需要3：1即可达到此效果。所以，虽然以空气为氧源的二相流化床在充氧时可避免生产纯氧的难题，但在其后面运行时需要在循环泵上消耗大量的电力资源进行回流。近年，国外氧气流化床处理工业废水和城市污水已经在实际中应用，在美国纽约州已建造了一套氧气流化床的二级处理设备，其设计规模为37850m3/d。

1.2 以空气为氧源的三相流化床

三相流化床的供氧方式是通过反应器底部或器壁输入空气，在流化床内部形成气液固三相。相对比两相流化床，三相流化床的操作条件更加剧烈，其充氧情况与活性污泥法比较相当，这样可以强化空气在反应器内的转移，增强微生物反应速率。可在三相流化床反应器内部，气液不能得到很好的分离，气泡容易在床体内部聚集无法散开而形成巨大的鼓泡，这些情况的出现会导致部分区域的氧吸收效果变差，而且气泡在反应器内的搅动也会使得载体随之流失，微生物的附着载体减少，从而降低出水水质，还容易使水质变得浑浊不清。目前三相流化床的研究在国内还比较少，基本上都是小试或者中试阶段，只在日本有一座较大规模的处理设备。

1.3 兼气生物流化床

兼气流化床，以兼性微生物为主，通常是在缺氧或者低氧环境条件下进行生物氧化来降解废水中的有机物质。由于在兼气流化床中供气的限制，兼性微生物的大量生长而产生了特殊了酶系统，这使得兼气床既能在有氧条件下与好养细菌进行好氧呼吸，当废水中不具有溶解氧时，也可利用水中溶解的化学物质中所含有的氧进行好养呼吸或者直接进行厌氧呼吸。当废水中没有溶解氧，兼性细菌利用废水中存在的NO3-N为氧源时，称为缺氧流化床。目前兼气流化床在废水处理上主要用于污水的反硝化脱氮上，而在废水的二级处理上的应用几乎未有报道提及。

1.4 厌氧生物流化床

厌氧流化床可处理高浓度的有机废水，当废水进入流化床后，废水中的有机物经过厌氧细菌的第一步厌氧呼吸进行发酵产氢产酸，最后使有机物转化为CH4和CO2。经反应器处理后的污水通过气液分离，对沼气回收利用。厌氧流化床目前尚未用于城市污水和工业废水的处理中，仅仅处于初步研究探索阶段，还未形成可以实际使用的操作流程。根据现有资料表明，利用厌氧生物流化床对化学工业、食品工业、乳制品工业以及污泥热处理液废水均具有较好的处理效果。此外，每kgCOD可在微生物的氧化作用下产生约0.4m3的沼气，其中甲烷含量在70-80%。当前的厌氧流化床不仅能用于高浓度有机废水的处理，在COD<300mg/L时处理低浓度有机废水时仍有较好的表现。

对于以上几个类型的流化床，当前已经有一些研究在尝试将他们进行前后相连对污水进行分步处理来达到标准的水质。英国水研究中心便提出可以将氧气流化床与缺氧流化床进行串联组成一个新流程，通过在氧气流化床前面添加一个厌气流化床工艺，将污水进行完全的生物氧化，硝化并部分脱氮处理。两种工艺的串联不仅可以使出水水质更加稳定良好，还能保证在水质有较大波动时能够有高效的处理效率。

2 生物流化床反应器的革新

随着废水处理技术的进步和创新，低耗、高效和处理难降解废水是流化床生物反应器的发展方向之一，目前开发的新型生物流化床主要有以下几类。

2.1 环流生物半流化床

北京化工研究院研发了一种置换和全混型叠加的环流生物半流化床，如图1。

该生物流化床反应器实现了固定床和流化床的串联运行操作，因此它不但具有良好的循环性，而且还解决了全混型流化床反应器对于一些难降解的污染物去除效率低的问题。实验采用淀粉废水，水力停留时间小于4h，COD负荷为4.2kg/（m3·d），最小的气水比为37：1。

2.2 自充氧内循环三相复合生物流化床

华北工学院在复合流化床反应器的基础上研究制造了如图2所示的自充氧内循环三相复合生物流化床。

三相复合生物流化床反应器的下部为一个三相流化床，上部配有活动的过滤安全网和载体，流化床上部出水通过自动充氧系统，采用流动的空气对出水进行充氧后便可进入浸没式的接触氧化床，通过进一步反应之后排除水体。反应器具有良好的自充氧性能，并且还具有高效率的处理效果和良好出水水质的优点，应用前景很好。

3 结束语

近年，流化床技术在国内外有过很多研究，由于其具有的巨大比表面积、高浓度微生物和高效的传质速率，使得流化床反应器在废水生物处理中很有发展前景。当前流化床技术已经在不同类型的废水处理上有所应用，并且还将随着技术的创新发展而拥有更广阔的应用前景。传统的流化床在面对成分日益复杂的工业废水时显得乏力，能耗大，复杂的流态化特性设计，泥水分离效果差等，这也使得我们要努力研究开发新型生物流化床反应器来适应不同性质的废水。当前一些新型流化床也在应用中暴露了一些问题，例如氧化流化床由于需要纯氧作为氧源，而纯氧的制造费用是很大一个难题，如何降低氧气制造成本和加大氧气利用率是一个问题，当前的生物膜分离系统在针对高浓度易脱水的活性污泥时其自动脱膜分离系统在工业应用上表现的不尽人意，如何解决新型技术在大型工业设备上的应用变得非常重要。生物流化床占地少，投资小，效率高，其技术特点正适合我国现阶段废水的处理，借鉴国内外技术，将该技术应用于工程当中实现工业化是一件对我国废水处理的创新发展非常有意义的事情。