好氧浮动床生物膜反应器运行参数的试验研究

龚云华¹，高廷耀²，周增炎²
（1.上海市政工程设计研究院，上海 200092；2. 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

　　摘　要：通过对中试规模的浮动床生物膜反应器处理混合化工废水的试验研究，探讨了水力停留时间、污泥负荷、温度等对反应器处理性能与效果的影响，试验结果表明：水力停留时间在13.4h，14.4h，15.6h，17h时CODcr的平均去除率分别为74％，77％，77％，81％：污泥负荷范围在0.17～0.77kg[BOD5]/（kg［MLSS］·d内，BOD5去除率先是上升趋势，而后呈下降趋势；水温在8～10℃时，水力停留时间为117～15h，CODcr去除效率在57.7％～65.8％之间，BOD5去除率在76.3％～85.4％之间.
　　关键词：化工废水；废水处理；浮动床；生物膜反应器；悬浮填料
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2003）01－0005－04

A Test of Operating Parameters of An Aerobic Floating-Bed Biomembrane Reactor
GONG Yun-hua¹, GAO Ting-yao², ZHOU Zeng-yan²
(1. Shanghai Municipal Engineering Design Institute, Shanghai 200092, China; 2.School of Environmental Science and Engineering, Tongi University, Shanghai 200092, China)

　　Abstract: A pilot test of floating-bed biomembrane reactor for the treatment of mixed chemical wastewater was carried out to study the effects of HRT, sludge loading rate and temperature on the treatment performance of the reactor and the results of the treatment. The results showed that when the HRT was 13. 4 hrs, 14.4 hrs, 15.6 hrs and 17.0 hrs, the average removal rate of CODcr, was 74%, 77%, 77% and 81% respectively；when the sludge loading rate was within the range of 0.17～0.77kg[BOD₅]/(kg[MLSS].d), the removal rate of BOD₅ tended to increase first and to decrease then; and when the water temperature was 8℃～10℃ and the HRT was 11.7 hrs～15.0 hrs,the CODcr removal rate was 57. 7%～65. 8% and the removal rate of BOD₅ was 76.3% ～ 85.4%.
　　Key words: chemical wastewater; wastewater treatment; floating bed; biomemembrane reactor; suspended packing

　　浮动床生物膜反应器，又称为悬浮床生物膜反应器，是近年发展起来的一种革新型生物膜法反应器。该工艺的特点是生物膜生长在反应器内的悬浮填料上，这些填料随反应器内混合液的混合翻转作用而自由回转移动。在好氧反应器中这种混合翻转动力由曝气提供，而在缺氧反应器内则通过机械搅拌作用提供。好氧浮动床生物膜反应器结合了生物接触氧化法工艺与好氧生物流化床工艺的特点，它既能解决固定床反应器易堵塞、需要定时反冲洗，流化床填料易流失等问题，具有传统生物膜法耐冲击负荷、生物相丰富、剩余污泥量少的特点，又具有活性污泥法处理效率高、运行稳定等优点[1-3]。本文通过对采用中试规模的浮动床生物膜反应器处理混合化工废水的初步试验研究，探索了该工艺对混合化工废水的处理效果及其影响因素。

1 试验材料与方法

1.1 悬浮填料
　　本试验采用国产专利技术制造的新型悬浮填料；是一种以聚丙烯为主要材料的特殊塑料制品，空心柱体，内有多叶瓣翼片，柱体外径50mm，高度100mm，比表自积为278m²／m³，密度为0.96－0.99g／cm³。
1.2 试验流程及装置
　　浮动床生物膜反应器采用钢板焊接而成，整体尺寸为：长×宽×高=3.0m×1.25m×1.25m，沿纵向等分为4格，有效水深1.00m，总有效容积3.75m3，填料填充率为50％，即占反应器有效容积的二分之一；采用穿孔管曝气。
1.3 试验用水
　　初期试验进水直接取自上海市桃浦工业区污水处理厂沉砂池出水，后根据实际情况作了相应调整，进水取自污水厂的调节池，取消高位水箱改为直接通过均质配水池自流进水。试验过程中未设置二次沉淀池，出水静置2h后，取上清液测试。

2 启动与挂膜

　　首次试验在1999年7月，取某生活污水处理厂储泥池污泥投入反应器，连续进出水，水力停留时间控制在8h左右，开始曝气。因原污泥储存时间较长，活性较差，几乎无原生动物，经10d后，填料上基本无生物膜形成；重新投加污泥接种，污泥取自桃浦工业区内的上海三维制药厂维生素C废水处理系统，污泥活性良好，含较多钟虫。2周后，填料挂膜良好。
　　第二阶段试验在2000年12月开始，流程改为自流进出水后，采用自然培养的方法进行启动：将已露天堆放达20d的旧填料作为载体置于反应器中，水力停留时间控制在6－7h之间，保证在较高的水力负荷条件下使填料挂膜，开始10d左右，老的生物膜相继脱落，由于水温较低(10—18℃）新的生物膜生长缓慢，20d以后新的生物膜逐渐形成，40d后处理出水指标基本趋于稳定，认为启动、挂膜已经完成。

3 试验结果与分析

3.1 水力停留时间对处理效果的影响
　　水力停留时间是浮动床生物膜反应器的主要工艺参数，它直接影响反应器的水力学特性和污染物负荷状况，试验过程中考察了平均进水水质CODcr的质量浓度为629.7－926mg／L，BOD5与CODcr的质量比在0.3以上，pH值在6－9范围内，平均水温在18℃以上，不同水力停留时间（停留时间分别取13.4h，14.4h，15.6h，17h）时，CODcr的平均去除率分别为74％，77％，77％，81％。图1a—图1d分别给出了不同水力停留时间条件下连续运行的进、出水CODcr值及去除率的变化。

　　结果表明：
　　①随着水力停留时间的增加，CODcr去除率呈上升趋势，主要原因是由于混合化工废水存在难以生物降解的物质，延长水力停留时间有利于世代期长的微生物生长。另一方面，水力停留时间长，水力负荷小，能防止出水夹带脱落的生物膜流出，影响出水水质。但CODcr去除率随停留时间的延长上升较为缓慢，无限制地延长势必消耗较高的能源，同时，也将造成负荷过低而使微生物无法维持生长与内源呼吸的动态平衡，造成生物膜老化，降低处理效果。因此，综合考虑去除效率、负荷、技术经济与实际要求建议停留时间控制在15h左右。
　　②在水力停留时间一定的条件下，CODcr去除率随着进水CODcr浓度的增加而提高，随着CODcr浓度的减少而降低。这里因为在水力停留时间一定时，进水底物浓度提高时浮动床生物膜反应器中填料上生物膜周围营养物质丰富，微生物的生长繁殖快，微生物种群也更加多样化，从而更有利于底物降解。
3.2 污泥负荷对处理效果的影响
　　试验过程中BOD₅污泥负荷范围为0.17－0.77kg［BOD₅］／（kg［MLSS］.d）。图2为不同污泥负荷条件下BOD₅的去除率，随着污泥负荷的提高，BOD₅去除率首先呈上升趋势而后呈下降趋势。这是因为当污泥负荷在一定范围内提高时，填料上的生物膜内异养微生物由于生长与代谢受进水有机底物的控制，随着BOD5污泥负荷升高，水中的营养物水平上升，异养微生物数量能很快增加并保持较高的活性，生物膜厚度也随之增加，使有机物的降解速率加快，BOD₅的去除率上升。当污泥负荷超过一定范围时，异养微牛物的代谢不再受进水有机底物控制，生物膜的增殖速率不再随污泥负荷增加而增加，BOD₅的去除率反而下降。

3.3 温度对处理效果的影响
　　稳定运行阶段，对反应器考察了典型高、低温条件下的CODcr、BOD₅的去除效果。其试验数据见表1。

表1　典型高、低温条件下的试验运行数据 温度／℃ 停留时间／h ρ(CODcr)/(mg.L^-1) CODcr去除率／％ ρ(CODcr)/(mg.L^-1) BOD5去除率／% m(BOD₅):m(CODcr 进水 出水 进水 出水 进水 出水 8 15 440.4 150.8 65.8 146.9 21.5 85.4 0.33 0.14 8.5 15 417.9 170.6 59.2 210.7 50 76.3 0.51 0.29 9 11.7 515.8 218.2 57.7 211.1 39.3 81.4 0.41 0.18 9.5 15 489.4 188.5 61.5 175.2 28 84 0.36 0.15 10 15 357.1 145.8 59 207.2 42 80 0.58 0.29 30 12 476.0 104 78 205 11 95 0.43 0.11 32 12 298.0 65 78 177 16 91 0.59 0.25 33 12 269.0 55 80 144 7 95 0.53 0.13

　　试验结果表明：
　　①水力停留时间条件相近时，温度是影响有机物去除率的主要因素，在停留时间为11.7h，12h时，水温在9℃，30－33℃时，CODcr去除率分别为57.7％，78％－80％，BOD₅去除率分别为76.3％，91％－95％。
　　②水温在8－10℃时，停留时间为11.7h－15h，CODcr处理效率在57.7％－65.8％之间，BOD₅去除率在76.3%－85.4％之间，说明浮动床填料生物膜反应器在低温条件下仍然有较高的处理效率。
3.4 反应器接触反应特征
　　将浮动床生物膜反应器沿纵向分成4格，废水进入反应器后呈推流状态至出水，但在每格中又因填料在曝气池中自由浮动流化而呈完全混合形态。微生物的质和量及污染物、微生物、溶解氧之间的传质效果是影响生物处理效果的主要因素。不同工况条件下CODcr沿纵向的变化如表2所示。

表2 CODcr沿反应器纵向的变化 温度/℃ 反应器停留时间/h ρ（CODcr）/（mg.L^-1) 进水 1#格 2#格 3#格 4#格 28 12 860 363 202 183 173 15 13.4 722 325 211 206 192 19 13.4 939 422 376 279 221 15 13.9 755 365 250 230 211 15 15 773 357 220 207 172 19 17 876 392 223 214 202 20 20 734 357 192 181 176

　　由表2可知CODcr沿纵向呈明显递减趋势，第1格CODcr的质量浓度显著低于进水CODcr的质量浓度。表明浮动床反应器呈现推流反应器的特征，对应的单格又基本达到完全混合状态，污水进入反应器后即迅速被混合稀释。这种接触反应流态使反应器中微生物分级明显，有利于形成高级种群。种属的微生物，又能强化污染物。生物膜。溶解氧之间的传质并使微生物保持不断更新维持较高
的活性。

4 生物相检测与分析

　　反应器中微生物相主要由附着生长在填料上的生物膜与混合液中的活性污泥组成。由于没有污泥回流，混合液中的污泥量较少，经镜检观察，温度较高条件下（平均温度在25℃以上）污泥性状良好，并有大量细菌和少量原生动物和小型后生动物出现；而在温度较低时（平均温度在15℃以下）进行启动。挂膜到稳定运行后的3个月内，混合液中只有少量细菌、藻类，偶然可见原生动物活体。但镜检观察到，无论是在高温条件还是温度较低的情况下，填料上的生物膜均包括大量细菌。藻类、放线菌、球衣菌，以及原生动物和小型后生动物，且在高温条件下，比较突出地表现为由放线菌、球衣菌等组成的丝状菌构成的生物膜网状结构。
　　两个阶段的稳定运行试验过程中发现，反应器第1格、第2格生物膜较粗糙，后2格生物膜较光滑。生物填料上的膜分级现象明显，第1级生物膜呈深灰色，第2级呈灰色，第3、第4级呈灰褐色，略带淡黄。此外，生物膜主要生长在填料柱体内多叶瓣翼片上，外表面几乎没有生物膜，膜的粘性较大。
　　通过对试验数据结果分析和生物相观察表明，反应器内对污水处理起主要作用的是生长在填料上的生物膜；在温度较高条件下，以生物膜与混合液中的活性污泥构成的生态系统共同对水中的污染物起去除作用，生物膜与混合液中细菌、原生动物。藻类、真菌等组成的复杂的微生物生态系统生物量丰富、分级明显，更能有效去除污染物质。混合液中污泥性状良好说明生物膜因水流紊动始终保持着很高的生物活性，填料外表面由于受到较大水力剪切力和冲刷作用致使基本无生物膜生长。

5 结论

　　①好氧浮动床生物膜反应器处理混合化工废水具有较好的处理效果，停留时间在13.4h，14.4h，15.6h，17h的平均去除率分别为74％，77％，77％，81％。综合考虑去除效率、负荷、技术经济与实际要求的关系建议停留时间控制在15h左右；低温条件下的试验表明反应器在停留时间为15h能保证低温条件下的处理效率。
　　②好氧浮动床生物膜反应器具有推流反应器和完全混合反应器的特征，这种接触反应流态使反应器中微生物分级明显，有利于形成高级种群、种属的微生物，又能强化污染物、生物膜、溶解氧之间的传质并使微生物不断更新维持较高的活性。

参考文献：

　　[1]C H JoHnson,M W Page, L Blaha. Full scale noving bed biofilm reactor results from refinery and slaughter house treatment facilities [J]. Wat Sci ＆ Tch, 2000,41(4-5):401-407.
　　[2] B Rusten, B G Hellstrom, F Hellstrom, et al. Piolot testing and preat the FREVAR wastewater treatment plant[]. Wat Sci ＆ Tech, 2000, 41(4-5):13-20.
　　[3] Ruste B, McCopy M, Proctor R, et al. The innovative moving bed biofilm reactor/solid contact reaeration process for secondary treatment of municipal wastewater[J]. Water Environment Research, 1998,70(5):1083-1089.

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　　作者简介：龚云华（1976－），男，湖南双峰人，硕士，毕业于同济大学环境科学与工程学院，主要从事水污染防治和固体废弃物处理设计及研究工作。