生物流化床技术在水处理领域的研究进展
时间：2023-06-02 10:05:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
罗金阳
（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）
近年来，随着经济高速发展，污水排放量逐年增加，衍生出污废水中污染物种类复杂、浓度差异大、传统污水处理技术处理效果不理想、缺乏废水排放设施以及集中处理设备等问题。现阶段，深入探究高效污水处理技术是解决缺水问题、治理水污染的直接有效途径。
生物流化床技术是一种高效的污水处理技术[1]，以生物膜法为主[2]，有机融合活性污泥法的特点，具有微生物浓度高、生物相多样化、比表面积大、混合传质充分迅速、容积负荷率及污泥负荷率高、耐冲击负荷等特点，对各类污水均可实现高效稳定处理[3]。该工艺将生物膜法与化工流态化技术相结合[4]，常以球状多孔填料作载体，生物膜附着于载体表面，通入空气使流化床反应器内处于流化状态，各相之间充分接触传质，附着生物膜由于水流和气体的冲刷作用而生长、脱落，原水中的污染物被微生物氧化分解。与传统技术不同，生物流化床反应器混合传质充分、阻力小，单位体积内的微生物活性更高，大幅度提升了传质效果，因此，生物流化床处理效率相较于传统生物法更佳[5]，在污水处理领域有良好的应用前景。
生物流化床结构种类复杂繁多，根据床层内的物相分为两相、三相生物流化床，两相流化床依靠液流作为推动使其内部流态化，充氧与流化过程分开，需设脱膜和充氧设备。三相流化床通过通入的气流来流化，气、液、固三相体系共存，污水充氧与载体流化同时进行，附着于载体上的生物膜降解污染物，由于气流扰动作用，老化的生物膜及时得到清理，不需另设脱膜装置。依据循环方法可分为外循环、内循环三相流化床。按照微生物种类菌属又分为好氧流化床、厌氧流化床等。
载体的性质直接关系到生物流化床的处理效果[6]，紧密联系着生物颗粒流化、微生物附着、体系能耗等方面。生物流化床常用载体主要有无机载体、有机载体和新型载体三大类。
2.1 无机载体
目前，流化床中应用最广泛的无机载体以多孔矿物材料为主[7]，这类材料表面粗糙，孔隙丰富，比表面积大，易于取得，微生物易附着。选择载体时，球形为佳[8]，孔隙率高、颗粒小、孔径合理、亲水性好、化学稳定性好、机械性能良好为宜。
2.2 有机载体
有机载体常用有机聚合物。这类材料较无机载体相比密度更小，膨胀系数大，耐磨性更好。周雷[9]开发了高浓度复合粉末载体生物流化床工艺，选择某污水厂进行生产性试验并取得良好的处理效果，达到预期目标。
2.3 新型载体
近年来，研究人员发现各类新型载体作为填料可以有效解决传统载体的某些不足，AITCHEIKH等以牡蛎壳为生态填料处理生物流化床反应器中的乳品废水，取得良好的处理效率[10]。
郭琇[11]等研制新型复合载体应用于生物流化床，研究表明生物空心微球复合载体具有更优的抗冲击负荷能力，被净化后的水体可重复利用，实现污水零排放。用植物等材料作为载体也是未来的研究方向。
生物流化床有着良好的有机物去除效果[12]以及脱氮除磷效果，适用于处理生活污水及各类工业废水。
3.1 处理生活污水
城镇生活污水有机物浓度低、悬浮物浓度高、可生化性好，郑少澄[13]等以改良型A2O流化床为核心技术的污水处理设备处理生活污水，试验结果表明处理系统净化后出水水质优于一级 A标准，CODCr、氨氮、总氮、总磷的去除率分别达到85.2%、90.5%、75.8%、90.1%以上。佘国生[14]等采用好氧流化床生物膜反应器处理模拟城市生活污水，试验结果表明当曝气量为150 L·h-1、温度为20 ℃时，流化床对污染物的去除效果最好，此时CODCr、氨氮、TN和TP去除率分别为96.55%、89.53%、86.20%和83.96%。许德超[15]等研究生物流化床联合生物接触氧化法协同处理实际生活污水，试验结果表明DO浓度作为调控参数可优化联合脱氮效果，同时降低流化床系统曝气能耗。蒋晓阳[16]以脉冲厌氧流化床工艺处理生活污水，结果表明，流化床系统使用网状海绵填料作载体时，处理效果优于填充圆形悬浮填料，HRT为24 h时，连续进水工况COD、SS去除率分别为67.3%、83.9%，改为脉冲进水后COD、SS去除率分别70.3%、88.5%，实验结果证明脉冲厌氧流化床处理效果良好，该工艺可作为生活污水预处理工艺。朱守超[17]等构建蜂窝填料三相流化床处理城市生活污水，探究总氮的去除效果。结果表明，HRT为3 h时，总氮去除率为52.61%。杨一帆[18]构建焦末载体流化床用以处理模拟生活污水，结果表明HRT为2.5~3.0 h、进水COD质量浓度在2 000 mg·L-1以下、pH值保持在7~8时COD去除率达90%以上。
3.2 处理各类工业废水
流化床对各类有机废水[19]均有较好处理效果，有机废水BOD5一般都较高，pH低，极易酸化，可生化性（BOD5/COD）良好，排入水体会造成严重的水体富营养化和感官污染。印染废水[20]色度高、可生化性差、成分复杂，徐富[21]等将Fenton流化床工艺应用到印染废水深度处理中，实验数据显示芬顿流化床COD去除率达到73.5%。
近年来由于海产品需求量的增加[22]，引发海产品加工产生的废水量和污染急剧增加。DING[23]等研究不同运行条件下生物流化床处理海产品加工废水，结果表明随着污泥浓度的增加和水力停留时间的延长，脱氮除磷效率随之提高，载体填料的比表面积的增大也会有效提升系统的脱氮除磷效率。
南秀杰[24]等用生物流化床处理氯苯废水，实验结果表明，较高或低pH值时反应器处理效果良好，相比易降解的油脂废水，降解氯苯废水需要更长的HRT，氯苯的最佳去除率＞75%。郑利[25]等采用芬顿-流化床工艺处理二沉池出水，经三沉池沉淀后COD可降至35~45 mg·L-1，色度（Pt-Co）降到25度以下，满足当地环保排放要求。该深度处理工艺具有运行稳定、药耗低、污泥产量低等显著特点。
HAN[26]等采用微电解生物流化床工艺处理低碳氮比的焦化废水。结果显示 COD和总氮去除率分别为92%和95%，研究发现该工艺不仅能去除蛋白质类物质，还能降解富里酸类和腐殖酸类物质。
李康琪[27]等研究新型组合工艺，采用螺旋对称流厌氧流化床+涡旋流强化脱氮反应器联合膜生物反应器，用组合工艺处理豆制品生产废水，结果表明，流化床CODCr平均去除率为87.8%，CODCr平均去除率88.1%。
对几种流化床技术适用对象及特点进行了对比，结果如表1所示。
表1 几种流化床技术适用对象及特点
优化设计生物流化床结构参数、更好地平衡处理效果与系统能耗、通过耦合工艺来提升处理效果是近年来高效新型生物流化床技术的研发趋势。
生物流化床技术污水处理效率高、占地面积小，在城市生活污水与工业废水处理领域均有良好的发展前景。同时，流化床工艺仍然存在流态化特性复杂、固液分离依靠重力等不足，故工程应用仍有诸多需解决的问题。如何优化反应器结构、改进曝气方式以降低能耗是问题之一；
菌种和载体选择是生物流化床的核心，寻求更易挂膜、性能更好的载体可以提高利用率；
探究流化床内部水力学特性，研究其传质特点和流体力学特性，通过生物学技术开发新型微生物。此外，与其他处理技术结合可以大幅度提升生物流化床工艺处理的效果、降低处理成本、增强实用性，将是生物流化床技术未来发展的方向。
