生物流化床在废水处理中的应用进展

方佩珍，潘永亮，杨平，郭勇
（四川大学 化工学院，四川 成都610065）

　　摘要：介绍了生物流态化技术在废水处理方面的应用历史与发展概况，对近年来出现的一些新型生物流化床反应器的操作原理和结构特点作了介绍。指出生物流化床应向着降低能耗、适应不同水质的处理需要方向发展。
　　关键词：废水；生物处理；流化床
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2002)05-0001-03

Application and Development of Biological
Fluidized-Bed Technology in Wastewater Treatment
FANG Pei-zhen，PAN Yong-liang，YANG Ping，GUO yong
（Chemical Engineering College of Sichuan University，Chengdu 610065，China）

　　Abstract：History of application and development of biological fluidization technology in waste water treatment are briefly described，while an introduction is made to the operating principles and design features of some new-type biological fluidized-bed reactors developed in recent years．It is pointed out that biological fluidized-bed technology should be developed in such a direction that it will result in lower energy consumption and meet the requirements for the treatment of different waters．
　　Key words：wastewater；biological treatment；fluidized bed

　　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Jeris Johns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]，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
　　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。

　　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％。

　　2.4 BASE三相生物流化床反应器
　　荷兰的M.C.M.Van loosdrocht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（Biofilm Airlift Suspension-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，PO₄^3-，SO₄^2-，NO₃^-，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。

参考文献：
[1][美]L-S范．气液固流态工程[M]（俞正青，译）北京：中国石化出版社，1989
[2]G Hoyland．Aerobic treatment in ‘oxitron‘ biological fluidized bed plant at coleshill[J]．Water Pollution Control，1983，82(4)：479～493．
[3]P F Copper．Complete treatment of sewage in a two-stage fluidized-bed system part 1[J]．Water Pollution Control，1982，81(4)：447～464．
[4]TatsuhikoSuzuki．A　new sewage treatment system with fluidized pellet bed separator[J]．Wat Sci Technol，1993，27(11)：185～192．
[5]B Koch．Sand and activated carbon as biofilm carriers for microbial degradation of phenols and nitrogen-containting aromatic compounds[J]．Wat Res，1991，25(1)：1～8．
[6]Jaakko A Puhakka．Aerobic fluidized-bed treatment of polychlorinated phenolic wood preservative constituents[J]．Wat Res，1992，26(6)：765～770．
[7]J A Puhakka．Biodegradation of chlorophenols by mixed and pure cultures from a fluidized-bed reactor[J]．Applied Microbiol Biotechnol，1995，42(6)：951～957．
[8]G．Ryhiner．Operation of a three-phrase biofilm fluidized sand bed reactor for aerobic wastewater treatment[J]．Biotechnology and Bioengineering，1988，32(5)：677～688．
[9]A IMAIM、Removal of refractory organics and nitrogen from landfill leachate by the microoganism-attached activeated carbon fluidized bed process[J]．Wat Res，1993，27(1)：143～145．
[10]M A Moteleb．Anaerobic degradation of 2，4，6-trinitrotoluene in granular activated carhon fluidized bed and batch reactors[J]．Wat Sci Technol，2001，43(1)：67～75．
[11]T Tanaka．Algae-removal performance of a fluidized-bed biofilm reactor system for lake water treatment[J]．Wat Sci Technol，2001，43(1)：277～283．
[12]蔡建安．三相气提式循环流化床处理焦化废水[J]．水处理技术，1997，23(2)：110～114．
[13]耿士锁．生物接触氧化-生物炭流化床在毛纺印染废水深度处理中的应用[J]．环境与开发，1997，12(4)：28～30．
[14]胡妙生．厌氧生物活性炭流化床处理制药废水[J]．中国给排水，1996，12(4)：39～41．
[15]C T M J Frijters．Extensive nitrogen removal in a new type of air-lift reactor[J]．Wat Sci Technol，2000，41(4-5)：469～476．
[16]M C M Van Loosdrecht．Integration of nitrification and denitrification in biofilm airlift suspension reactors[J]．Wat Sci Technol，2000，41(4～5)：97～103．

作者简介：方佩珍（1975～），女，浙江天台人，在读研究生。