生物流化床在废水处理中的应用进展_1 14页

生物流化床在废水处理中的应用进展　　流化床反应器是一种实现固体颗粒与气相、液相、气液相之间的混合传质、传热的设备。它与传统的固定床反应器不同，床内固体微粒始终悬浮于液（气）体中并剧烈运动，具有类似液体的自由流动性，从而大大强化了物质的扩散过程，提高了反应速度，对于催化剂寿命较短或频繁再生的场合更具优越性，这使流态化得以在工业上广泛应用。1生物流化床的应用简况　　早在上个世纪30年代就有人提出在悬浮床、膨胀床或流化床中采用将活细胞固定在颗粒载体上的办法来处理废水的设想[1]。但直到60年代后期，这一设想都未能在废水生物处理的工业化过程中付诸实施。1971年Robertl等人对废水生物处理水作深度净化时，发现被活性炭吸附的有机物大都能被微生物所分解，这为发展具有生物膜法和活性污泥法两者优点的生物流化床技术提供了试验基础。从那以后，美国、英国、日本等国对生物流化床技术进行了大量的研究试验工作。1973年美国JerisJohns等人成功开发了厌氧生物流化床技术，用于去除BOD5和NH3-N的硝化处理，同年申请了专利。1975年，美国Ecolotrol公司开发了HY-FIO生物流化床工艺，用于废水的二、三级处理。美国Dorr-Oliver公司在流化床的实用性方面做了许多研究，尤其是充氧器与进水分布系统上取得了很大的进展。Dorr-Oliver设计的Oxitron反应器[2]n，在床底部的锥体部分采用喷嘴造成一种强有力的喷射床作为流化床的分布器。英国水研究中心和美国水研究中心又分别对充氧方式进行改进[3]，并成功地用于厌氧-好氧两段流化床对废水进行全面的二级处理，包括有机碳的去除和脱氮。日本于70年代中期进行此方面的研究，它着眼于中小型工厂的废水处理，采用空气曝气，装置的构型和脱膜方式与欧美不同。例如，三菱公司研制的流动循环曝气反应器，把曝气、脱膜、循环合成一体。1993年日本Hokkaido大学的学者报道了一种由颗粒流化床分离器、好氧生物滤床和薄膜过滤器组成的新型处理系统[4]。在工程实践中，以好氧流化床降解含22种酚和氮杂环、芳香胺的废水[5]，以纯氧为氧源的生物流化床降解含多氯代酚的地下水[6-7]，生物流化床处理酵母废水[8]，垃圾填埋场浸出液中难降解有机污染物的处理[9]，在颗粒活性炭流化床中2，4，6-三氯代酚的厌氧降解[10]，流化床生物膜反应器系统处理湖水中的藻类[11]等均取得了满意的效果。　　近年来，我国也对生物流化床进行了不少的试验研究工作，在石化废水[12]、印染废水[13]、制药废水[14]等的试验中均取得了良好的效果。2新型生物流化床反应器　　随着废水处理技术的不断发展，高效、低耗和处理难降解有机物废水是生物流化床的发展方向之一。下面介绍几种近几年来出现的新型生物流化床反应器。　　2.1环流生物半流化床n　　北京化工研究院开发了一种全混型和置换叠加的环流生物半流化床，如图1所示。环流生物半流化床实现了流化床和固定床的串联操作，它不但具有良好循环特性，而且克服了全混型反应对一些较难降解的有机物去除效率低的困难。试验用于淀粉废水处理，水力停留时间（HRT）小于4h，最大CODcr负荷为4.2kg/(m3·d)，最小气水比为37:1。　　2.2自充氧内循环三相复合生物流化床　　华北工学院化工系在复合生物流化床的基础上研制开发的一种新型的流化床，如图2所示。这种反应器下部为三相流化床，上部带有活动式过滤安全网和填料，床上部出水通过自充氧系统，用流动空气自动充氧后，进入浸没式接触氧化床，经进一步反应后排出。它具有良好的自充氧特性、兼有流化床处理效率高和接触氧化滤床出水好的优点，而且能耗小、适应性好、气水比低，具有良好的应用前景。n　　2.3新型Circox气提式三相流化床反应器　　荷兰的Frijters等人开发了一种新型的Circox气提式流化床反应器[15]，如图3所示。这种流化床是在普通气提式流化床内增添了一个缺氧区，以提高反应器的脱氮能力。由于反应器具有好氧和兼氧两区，能取得较高的液流速度和混合的均匀性。Circox气提式流化床开始是用于土豆加工废水的厌氧预处理，有很好的CODcr去除率，其容积负荷（CODcr）可达4～10kg/(m3·d)，脱氮率超过90％，床内生物量高达30g/L，而剩余污泥率只有2％～10％。　　2.4BASE三相生物流化床反应器　　荷兰的M.C.M.Vannloosdrocht等人开发出一种新型的一体化气提式生物流化床反应器[16]BASE（BiofilmAirliftSuspension-Extension），如图4所示。这种反应器是在原BAS的基础上增加了一下导管（缺氧区），以获得足够停留时间造成缺氧条件，能达到NH3-N的有效去除。通过调节顶部好氧区的气压和底部好-缺氧区间小循环孔来控制液体和生物膜在两区间的循环，因此不需要另加泵和循环管线。　　2.5流化床纳米TiO2光反应器　　流化床纳米TiO2光反应器与一般生物流化床不同之处在于床中的载体上没有生物膜，而是负载了TiO2。催化剂。TiO2活性高。稳定性好、对人体无害。实验表明TiO2至少可以经历12次反复使用而保持光分解效率基本不变，连续580min光照下保持其光活性。　　纳米TiO2多相光催化利用可见光或紫外光，能有效地降解多种难降解或其它方法难降解的物质，如氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等，能有效地将它们转化为H2O，CO2，PO43-，SO42-，NO3-n，卤素离子等无机小分子，达到完全无害化的目的。　　这种污染治理技术具有能耗低、操作简便、反应温和、可减少二次污染等优点。若利用太阳能，对环保、维持生态平衡、实现可持续发展都有重要的意义。　　目前的废水转化处理方法大都是针对排放量大、污染浓度高的污染物，而对水中浓度较低、难以转化的污染物的净化还无能为力，而这种技术能很好地解决这一难题。它适用于废水的后期深度处理，例如，西班牙对工厂排出的废水先采用生物法进行处理，再用光催化法降解难生物降解物质，获得了满意的结果。3结语　　生物流化床反应器具有大的比表面积、微生物的浓度高、容积负荷率和污泥负荷率高、传质快、耐冲击负荷能力强、净化能力强的特点。但对日益严峻的水污染问题，传统的生物流化床的不足也日益暴露出来，如能耗大、流化床内部的流态化特性十分复杂给放大设计造成了困难、泥水分离靠重力作用以致分离效率依赖活性污泥沉降性能的问题。因此，今后不仅应着重在降低能耗、加强反应器的放大设计等方面研究，而且应努力研究和开发不同结构的流化床反应器以适应不同性质废水的处理条件。生物膜法在市政水处理中的应用　n生物膜法水处理技术在市政水处理中的运用领域主要有：市政给水中的微污染水体水处理，其主要目的是去除水体中的氨氮、亚硝酸盐氮以及CODMn等指标；市政污水处理中采用生物膜法去除水体中COD、BOD、氨氮等污染物，降低出水中N、P等导致水体富营养化元素；以及对污水厂二级出水的深度处理，以达到回用水水质标准，提高水的重复利用率，节约有限的水资源。生物膜法技术在市政给水处理中的运用目前我国不少城市饮用水水源为微污染水源，原水受到生活性有机污染，水中总氮、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮、生化需氧量、高锰酸钾指数等均有不同程度的超标。对各常规给水处理工艺流程的常规项目测定分析表明，浊度的去除主要是靠常规处理工艺，而对氨氮、亚硝酸盐氮和生化需氧量的去除必须靠生物作用才能获得满意效果。为满足日益提高的出水水质标准，在常规处理工艺上增加生物预处理工艺是无疑是提高水质的最佳选择。八十年代以来，由于生物预处理工艺因其在处理有机污染物、氨氮、色、嗅、味等方面的特点及其经济上的优势，越来越受到重视并得到较快的发展。这一领域的研究和应用，总体上都处于以去除氨氮、BOD5、CODCr等有机物综合指标为代表的污染质的阶段。用于市政给水处理中生物预处理工艺主要有：生物过滤反应器、生物滤塔、生物接触氧化反应器、生物转盘反应器、生物流化床以及土地处理系统等[1]n。其中以生物过滤反应器中的生物陶粒滤池与生物接触氧化反应器最为常用。前者有一定的机械过滤能力适合处理较低浓度或低温原水，后者则因为填料空隙率大，不易堵塞，适合处理较高浓度的微污染原水。国内采用生物接触氧化池对滦河以及黄河水处理后表明该法对多项主要水质指标均有良好去除效果，高锰酸钾指数去除率为10-25％，氨氮去除率为40-70％，藻类去除率为15－30％[2]。在臭氧—生物活性炭吸附工艺这一生物膜法处理工艺中，颗粒活性炭是微生物生长的载体。活性炭表面及微孔形成的微生物膜通过生物降解作用，可进一步降解在活性炭表面及微孔富集的有机物，从而降低了活性炭的吸附饱和度，延长了其使用寿命。70年代中期，德国对臭氧—生物活性炭吸附工艺的研究发现，与单纯的活性炭吸附比较，活性炭的再生周期延长4～6倍[3]。其后，欧洲的许多现代化水厂逐步推广使用了臭氧－生物活性炭吸附对微污染水源的深度净化工艺。在“八五”、“九五”国家科技攻关计划中，“饮用水微污染净化技术”作为专题进行研究，并将取得的重要成果中的生物预处理技术成果成功运用于工程实践。其中位于深圳水库库尾，设计处理规模400万m3／d的广东省东深源水生物硝化工程是国内目前规模最大的采用生物接触氧化法的预处理工程[4]n。源水经沉砂区、粗、细隔栅后，进入采用YDT弹性立体填料的生物处理池，水力停留时间55min.填料接触时间40min.，气水比1：1。自1998年12月试运行以来，通过工艺启动过程的自然接种，培养驯化，使填料挂膜，形成系统的生物硝化能力，并使氨氮去除率和硝酸盐氮生成率趋于稳定。试运行得出的初步结论是：生物接触氧化工艺适合于处理东深微污染源水，对氨氮的处理效果显著。氨氮去除率在75％以上。同时，增加了深圳水库水体的溶解氧，提高了水库的自净能力，改善了东深源水供水水质。[5]市政污水处理中生物膜法技术运用生物膜法水处理技术用在市政污水处理主要有滴滤池（TF）、生物接触转盘(RBC)、淹没式附着生长生物反应器(SAGB)等主要形式[6]。滴滤池是生物膜法水处理技术在污水处理领域最早运用的形式。早在1889年就进行了砂砾处理废水的试验。19世纪90年代到20世纪初在英国进行了研究。并于20世纪前半叶到20世纪50年代在美国大规模应用。之后人们趋向采用经济型操作性更好的活性污泥法。但是随着新介质、工艺构造以及对生物膜过程的理解增加，导致了滴滤池再次大规模应用[7]。目前滴滤池常与其他的污水处理工艺一起运用于城市污水处理，如滴滤池与活性污泥组合工艺（TF/AS工艺），滴滤池与活性生物滤池组合工艺（TF/ABF工艺）[8]。瑞典LÄCKEBY水务集团为马尔摩市政废水处理厂承建了4个大型滴滤池，采用滴滤池作为硝化反应器和新的脱氮段，包括Kaldnes固定膜技术。并于1999年春季将该处理厂投入运行，至今运行效果良好。n生物接触转盘是生物膜法污水生物处理技术的一种，是污水灌溉和土地处理的人工强化。这种处理法使细菌和菌类的微生物、原生动物一类的微型动物在生物转盘境料载体上生长繁育，形成膜状生物性污泥——生物膜。污水经沉淀池初级处理后与生物膜接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，使污水得到净化。当前生物接触转盘工艺开发于20世纪50年代，20世纪60年代第一套生物接触转盘系统在德国运行，目前全世界有大约3000套装置在运行[9]。尽管生物接触转盘工艺出水水质与活性污泥法接近，运行能耗低，平均只有传统活性泥法的一半费用低，但是由于其工程造价高而限制了其使用。日处理水量为40000立方米的淮阴市北京新村污水处理厂是目前在国内运行较大的采用该工艺的市政污水处理厂[10]。该污水处理厂采用气动生物转盘法该工艺中气动生物转盘采用直径3m高效转盘32台，每台转盘填料折表面积1500m2。每四台转盘设在钢筋混凝土接触反应槽中，槽直径3.5米，供气由鼓风机房送出，鼓风机房装有三台LG300×400-1罗茨鼓风机，每台风机配用电机功率15KW，设计二用一备，实际只开一台风机。全部生物盘设在室内，起保温作用。转盘旋转速度每分钟2转，接触氧化槽内溶解氧浓度大于2mg/L，容积面积比8L/m2。设计水力负荷86L/m2.d，BOD面积负荷9g/m2.d。此外日处理水量为4000立方米的南京锁金村污水处理厂也采用生物接触转盘工艺。n淹没式附着生长生物反应器是一种新一代的生物膜水处理技术，由于该技术趋向将生物载体淹没在流体中，因而叫做淹没式附着生长生物反应器。该工艺主要类型有下流式填充生物反应器（DFPB）、上流式填充生物反应器（UFPB）、流化床生物反应器（FBBR）、悬浮与附着生长组合系统（CSAG）。其中好氧类型的下流式填充生物反应器（DFPB）和上流式填充生物反应器（UFPB）加起来又叫曝气生物滤池（biologicalaeratedfilter），简称BAF，是近年来国际上兴起的污水处理新技术，发展极为迅速[11][12]。广泛应用于城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工废水、酿造等有机废水处理，具有去除SS、CODcr、BOD5、硝化与反硝化、脱氮除磷、除去AOX(有害物质)的作用，其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，并节省了后续二次沉淀池。该工艺采用了高比表面积的生物填料，有机物容积负荷、水力负荷大、水力停留时间短、出水水质高，因而所需占地面积小、基建投资少、能耗及运行成本低[13]。由于这些优点该水处理工艺倍受关注。采用不同的工艺组合以及控制不同的工艺参数，曝气生物滤池可以用来进行好氧的碳氧化、碳氧化与硝化组合、分段硝化、反硝化和厌氧处理[14]。甚至可以在同一曝气生物滤池中实现以上各功能[15]。目前在欧美和日本等国家已有上千座大小各异的污水处理厂应用了这种工艺，在美国城市污水处理厂已经成功运用淹没式填充床生物反应器进行三级脱氮处理[13]。n 对于城市二级污水处理厂，国内目前采用的曝气生物滤池多采用二段法处理，第一级曝气生物滤池主要设计为除碳滤池，目的是去除污水中的有机污染物。第二级曝气生物滤池主要合计去除污染物为氨氮，目的是将水中氨氮氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，以确保达到排放标准。如有脱氮要求，往往将第一级曝气生物滤池下部设计成厌氧区，确保回流硝化液在此脱氮。需除磷时，多在滤池前采用化学辅助除磷，以其达到严格的水质要求。上向流曝气生物滤池工艺在我国第一处应用为大连马栏河污水处理厂，采用德国菲立普•穆勒公司的Biofor工艺，与东北市政设计院联合设计，一期12万吨/天，建成后，出水达到生活杂用水水质标准，3万吨/天回用于绿化、小区中水，其余深海排放，现吨水运营成本为0.50元左右。大连马栏河污水处理厂一期工程占地4公顷,总投资1.6亿。进水BOD5200mg/L左右,出水达到5mg/L以下,进水氨氮30mg/L左右，出水达到5mg/L以下。沈阳仙女河设计规模24万吨,采用二级生物滤池，现在已经投产，目前为国内采用曝气生物滤池技术规模最大的工程。生物膜法技术在处理市政二级排水中的运用n随着水资源的日益匮乏和短缺，大量的市政污水处理厂的排水被视为新的水源越来越受到人们的重视。城市污水的再生与回用可以有效地缓解水环境污染和水资源缺乏的矛盾。由于市政污水处理厂二级排水中尚含有大量的污染物，直接回用必定受到限制。因此城市污水二级处理后的深度处理，其目的是进一步去除污水中的悬浮物(SS)、有机物、浊度、以及氮和磷等。生物过滤技术充分利用滤料的截污吸附作用和滤料上附着生物膜的降解作用，可以获得较好的污染物去除效果，并且具有流程短、运行管理方便、费用低的优点。根据回用水目的的要求不同，采用生物膜法技术和其他技术的结合可以有效去除水中污染物。根据国家有关规定，新扩改的电厂项目的冷却循环补给水水源需要以处理后的二级市政排水作为水源。据此，回用于电厂做为电厂冷却塔冷却循环补给水水源时，需要去除二级排水中的COD、BOD、氨氮、总磷、硬度、碱度等指标。此时可采用曝气生物滤池加石灰软化法来达到有效去除水中污染物指标。处理水量为40000m3/d的河北衡水2X300MW机组的冷却循环补给水，就是采用衡水污水处理厂二级排水做为水源，经过除碳曝气生物滤池和除氮曝气生物滤池处理后，再经由石灰软化机械加速澄清池以及变空隙滤池处理后回用。二级排水经过除碳滤池和除氮滤池处理后，CODcr<40mg/L，BOD5<5mg/L，氨氮<2mg/L，污染物去除率分别为66.7％，80.3％，92％。由此可见采用曝气生物滤池处理市政二级排水出水水质相关指标可以达到电厂冷却循环补给水水质要求。n生物膜法水处理技术具有负荷高、占地面积小、运行维护管理方便、出水水质好等特点被广泛运用于市政给水处理、市政污水达标处理以及污水深度处理回用等众多领域。随着人们对生物膜水处理机理的进一步认识和掌握，生物膜技术在水处理领域中必将发挥越来越重要的作用。