以焦末为载体的生物流化床处理生活污水研究

杨一帆

（杭州市水务控股集团有限公司，浙江杭州310009）

以焦末为载体的生物流化床处理生活污水研究

杨一帆

（杭州市水务控股集团有限公司，浙江杭州310009）

以焦末为载体的生物流化床反应器处理模拟生活污水，考察了水力停留时间HRT、曝气强度、进水COD浓度、回流速率和进水pH值等因素对生物流化床短期内的影响。现条件下，生物流化床处理模拟生活污水的最佳工艺条件为：HRT 2.5～3.0 h、曝气强度45.9 m3/（m2·h）、进水COD浓度不超过2 000 mg/L、回流液速2.48 cm/s、pH值7.0～8.0，此时COD去除率达90%以上。

焦末；生活污水；生物流化床

生物流化床技术是20世纪70年代兴起的污水处理技术，该技术将化工流态化技术引入污水处理领域，并结合了活性污泥法和生物膜法的特点，具有占地面积小、处理效率高、抗负荷能力强等优点。近年来，国内外对生物流化床进行了不少的试验研究工作，在用于生活污水[1－3]、焦化废水[4－6]、垃圾渗滤液[7－9]、染料废水[10－11]、造纸废水[12]等方面均取得良好的去除效果。生物载体[13]的选择是生物流化床反应器主要参数之一，直接影响到系统能耗和生物膜负载能力，进而直接决定有机物去除效率。首先生物载体的主要作用是为微生物的生长提供巨大表面积，关联着微生物的生长、繁殖、脱落和形态及空间结构；其次，载体在流化过程中具有切割、分散气泡的作用，使布气更均匀，强化传质。焦末是半焦在实际生产、筛分、运输和使用过程中产生的颗粒固体废弃物，目前未得到很好的利用，因此，开发焦末的资源化利用具有重要意义。实验室自制了一套生物流化床反应器，使用焦末作为流化料载体，考察水力停留时间HRT、曝气强度、进水COD浓度、回流速率和进水pH值等因素对生物流化床短期内（5 h）处理模拟生活污水的影响，为以焦末为载体的生物流化床反应器的放大设计与工程应用提供科学依据。

1 实验部分

1.1 实验装置

生物流化床装置主要由流化床主体、三相分离器及进气进水分布器等部分组成，如图1所示。流化床主体用有机玻璃制成，高2 000mm，内径100mm。三相分离器位于流化床顶部，扩大段角度约60°，用于气固液三相分离。进气管自上而下通过流化床，连接底部由2个砂芯曝气头组成的气体分布器。废水进水分布器由安装在流化床底部的孔板组成，小孔数约150个，孔径约0.5 mm；回流液体分布器由安装在流化床底部的十字空心管组成，开孔垂直向下或斜向下45°，孔径为5mm，数量25个，面积约4.91 cm2。

1.2 生物载体

焦末颗粒取自陕西神木三江煤化工有限公司，尺寸范围0.6～2.3 mm，平均粒径1.07 mm，堆积密度600 kg/m3，真密度1 600 kg/m3，孔隙率62.5%，吸水率0.377 g/g，BET比表面积55.0m2/g。

1.3 生活污水

实验中废水为模拟生活污水，配比如下（单位：mg/L）：氯化铵310、磷酸二氢钾130、碳酸氢钠775、硫酸镁310、三氯化铁60、硫酸钙30，葡萄糖浓度根据实验需要添加。本实验范围内，测得COD浓度为500～3 000mg/L。

1.4 生物流化床启动

本实验所用活性污泥（接种污泥）为杭州市七格污水处理厂二沉池剩余污泥，实验挂膜过程初始污泥浓度（MLSS）约为4.2 g/L。生物载体挂膜优先采用快速排泥法[14]，具体步骤如下：将一定量的污泥和焦末载体投加到流化床反应器中，载体投加量约25%。打开风机闷爆24 h后静置12 h，然后排清悬浮污泥和污水，开始连续进不含污泥的培养液，进水流速逐渐增大，直至达到实验要求。15 d后，流化床出水基本稳定，通过徕卡显微镜可观察到钟虫、线虫、斜管虫、豆形虫等丰富的生物相，见图2所示。此时，大部分焦末流化料已完成挂膜，经OLYSIM软件测定，生物膜厚度在35～110μm。单位载体生物量4.0～4.5mg VSS/g载体。生物流化床启动成功后，开始进行处理生活污水实验研究。

图1 生物流化床装置示意图

图2 生物流化床内生物相显微镜照片

2 结果与讨论

2.1 HRT对COD去除率的影响

在曝气强度45.9 m3/（m2·h）、回流液速2.83 cm/s、进水COD浓度1 000 mg/L、进水pH值7.0的条件下，通过改变进水流速，调节不同HRT，研究生物流化床短期内（5 h）COD去除率变化规律，具体结果见图3。本实验条件下，出水溶解氧均在2.0 mg/L以上。

图3 水力停留时间对COD去除率的影响

从图3中可以看出，COD去除率随着HRT的延长而增大，当HRT达到2.5 h后，COD去除率增大趋势逐渐变缓。当HRT从0.5 h延长到3.0 h，COD去除率从60.2%增加到91.9%，出水COD浓度低于100mg/L。继续增加HRT到4.7 h，COD去除率保持在90%以上，基本无变化。由此说明HRT达到3.0 h后，流化床内可生物降解有机物已基本降解。在实际操作中，为达到较好COD去除率，HRT可选择在2.5～3.0 h。2.2 曝气强度对COD去除率的影响

曝气的作用主要有以下两点：一是给好氧微生物新陈代谢供氧；二是载体流化动力之一，增强流化床混合传质性能。为研究本实验中曝气强度对COD去除率的影响，分别选取曝气强度为38.2，45.9，53.5，61.1m3/（m2·h），其他实验条件为HRT 2.5 h、回流液速2.83 cm/s、进水COD浓度约1 000mg/L、进水pH值7.0。从条件改变开始计时，测定5 h后出水溶解氧和COD浓度，实验结果见图4。

从图4可以看出，COD去除率随着曝气强度的增大先增加后减小。当曝气强度为38.2 m3/（m2·h）时，供氧不足，出水DO浓度为1.3 mg/L，小于需氧条件2.0mg/L的要求，此时生物流化床体系处于缺氧环境，好氧微生物的生物活性受到影响，因此COD去除率较低，仅为76.5%。当曝气强度增加到45.9m3/（m2·h）以上时，出水DO浓度均大于3.0mg/L，此条件下可以保证好氧微生物的正常新陈代谢，COD去除率较高，能保持在80%以上。曝气强度较大时，生物流化床内水力剪切力大，导致生物膜从焦末载体上脱落，造成部分微生物的流失，因此COD去除率有略微下降趋势。从氧利用率、能耗和COD去除率三方面考虑，本实验曝气强度在满足供氧和正常流化的基础上，较为适宜的取值为45.9m3/（m2·h）。

图4 曝气强度对COD去除率和溶解氧的影响

2.3 进水浓度对COD去除率的影响

实验中选取进水COD浓度范围500～3 000 mg/L，考察生物流化床在短期内的抗负荷能力。其他实验条件分别为HRT 3.5 h、曝气强度45.9 m3/(m2·h)、回流液速2.48 cm/s、进水pH值7.0，实验结果见图5。

图5 进水COD浓度对COD去除率的影响

由图5可得，当进水COD浓度在500～2 000mg/L范围内时，生物流化床对有机物的去除率较高，COD去除率均在90%以上，表明该系统有一定的抗负荷冲击能力。但是当进水COD浓度超过2 000 mg/L时，COD去除率下降明显，已超出流化床系统的抗有机负荷冲击能力范围。经分析，生物流化床之所以有较强的抗冲击负荷能力，一方面是因为污水回流比率较大，高浓度废水进入生物流化床反应器内时，在短时间内被回流污水稀释；另一方面是因为反应器内微生物量较大，能承受较大的COD负荷。本实验生物流化床能适应500～2 000mg/L范围内的冲击负荷。

2.4 回流液速对COD去除率的影响

为了使生物载体正常流化，生物流化床通常设有回流装置，以增加流化推动力。此外，回流可以稀释进水浓度，提高系统抗负荷冲击能力。回流液速的大小影响着流化床床层膨胀高度和载体水力剪切力，进而影响载体生物膜的生长与脱落，决定系统废水处理性能。回流液速表示着回流液体在流化床反应器内轴向上的速度，以表观液速表述，即cm/s。回流液速与出水速度之比即为回流比。为研究本实验中回流液速对 COD去除率的影响，在 HRT 3.0 h，曝气强度45.9m3/（m2·h），进水浓度约1 000 mg/L，进水pH值7.0的实验条件下，分别选取回流液速1.42，1.77，2.12，2.48，2.83（cm/s），研究生物流化床在短期内COD去除率变化规律，结果见图6。

图6 回流液速对COD去除率的影响

从图6中可以看出，随着回流液速的增大，COD去除率先增大后减小。实验中发现，当回流液速较小时，床层膨胀率较低，流化床主体有效体积利用率低，故而COD去除率较低。当回流液速为1.42 cm/s时，COD去除率为86.5%。当回流液速增加到2.48 cm/s，床层流化效果较好，COD去除率高，达到93.5%。继续增加回流液速到2.83 cm/s，COD去除率略有降低（88.7%）。这是因为随着回流液速的增大，流化床内水力剪切力也增大，造成部分载体生物膜脱落，脱落的生物膜随着水流流出流化床，系统生物量减少。从总体效果来看，在保证载体正常流化条件下，回流液速对COD去除率的影响不大，COD去除率均能保持在85%。

2.5 进水pH值对COD去除率的影响

pH值是影响微生物酶活性及其生长和繁殖的重要因素之一，几乎所有微生物都有一个最适pH值和相对不敏感区域。在废水处理中，大多数微生物的适宜pH值范围在6.0～9.0。为了解本实验微生物的适宜pH值，实验选取进水pH在5.0～9.0，研究生物流化床COD去除率在短期内的变化规律，其他实验条件为HRT 3.5 h、曝气强度45.9m3/（m2·h）、回流液速2.48 cm/s、进水浓度约1 000 mg/L，实验结果见图7。

图7 进水pH值对COD去除率的影响

从图7可以看出，COD去除率随着进水pH值的增大呈先增大后减小趋势。当进水pH值从5.0升到7.0时，COD去除率从82.9%增加到93.5%，在此过程中，微生物活性逐渐增强。继续增大pH值到9.0，COD去除率仍能保持在90%以上。可见在较宽范围内，本实验微生物能保持较高活性。系统中pH值不仅影响微生物体内酶活性，而且在一定程度上改变了生物膜上微生物的分布和数量，改变生物膜的性能，因此COD去除率存在差异。实验中为使微生物酶活性处于较高水平，可将进水pH值控制在7.0～8.0。

3 结论

对以焦末为载体的生物流化床反应器处理模拟生活污水进行研究，采用快速排泥法挂膜15 d后，出水水质基本稳定，生物膜厚度在35～110μm，单位载体生物量4.0～4.5mg VSS/g载体，反应器启动成功。在本实验条件下，生物流化床处理模拟生活污水的最佳工艺条件为：HRT 2.5～3.0 h、曝气强度45.9m3/（m2·h）、进水COD浓度不超过2 000 mg/L、回流液速2.48 cm/s、pH值7.0～8.0，此时系统稳定出水COD去除率达90%以上。

[1] Chow dhury N，Zhu J，Nakhla G，et al.A novel liquid-solid circulating fluidized-bed bioreactor for biological nutrient rem oval from m unicipalw astew ater[J].Chem Eng Technol，2009，32(3)：364-372.

[2] Patel A，Zhu J，Nakhla G.Sim ultaneous carbon，nitrogen and phosphorous rem oval from m unicipal w astew ater in a circulating fluidized bed bioreactor[J].Chem osphere，2006，65：1 103-1 112.

[3] 郑礼胜，施汉昌，钱易.内循环三相生物流化床处理生活污水[J].中国环境科学，1999，19(1)：51-55.

[4] Sutton P M，Hurvid J;Hoeksem a M.Biological fluidizedbed treatm ent of w astew ater from byp roduct coking operations:full-scale case history[J].W ater Environ Res，1999，71(1)：5-9.

[5]杨平，王彬，石炎福，等.生物流化床A-A-O工艺处理焦化废水中试研究[J].化工学报，2002，53(10)：1 085-1 088.

[6]任源，韦朝海，吴超飞，等.生物流化床A/O2工艺处理焦化废水过程中有机组分的GC/MS分析[J].环境科学学报，2006，26 (11)：1 785-1 791.

[7]Eldyasti A，Chow dhury N，Nakhla G，et al.Biological nutrient rem oval from leachate using a pilot liquid-solid circulating fluidized bed bioreactor(LSCFB)[J].J Hazard Mater，2010，181：289-297.

[8]Turan M，Gulsen H，Celik M S.Treatm ent of landfill leachate by a com bined anaerobic fluidized bed and zeo lite colum n system[J].JEnviron Eng，2005，131(5)：815-819.

[9] Im ai A，Onum a K，Inam ori Y，et al.Biodegradation and adsorption in refractory leachate treatm ent by the biological activated carbon fluidized bed p rocess[J].W ater Res，1995，29(2)：687-694.

[10] Sen S，Dem irer G N.Anaerobic treatm ent of real textile w astew ater w ith a fluidized bed reactor[J].W ater Res，2003，37：1868-1878.

[11]Baban A，Yediler A，Avaz G，et al.Biologicaland oxidative treatm ent of cotton textile dye-bath effluents by fixed and fluidized bed reactors[J].Bioresource Technol，2010，101：1 147-1 152.

[12]疏明君，李友明，谢澄，等.内循环好氧三相流化床处理造纸中段废水[J].工业水处理，2002，22(5)：24-27.

[13]罗雪梅，丁桑岚.化床生物反应器载体的研究[J].水处理技术，2010，36(7)：20-23.

[14]俞汉青，顾国维.生物膜反应器挂膜方法的试验研究[J].中国给水排水，1992，8(3)：13-17.

工信部拟出台管理办法强制汽车回收利用

根据中国汽车流通协会的数据，随着汽车保有量大幅攀升，报废汽车数量也逐年上升。2011年我国民用汽车保有量已突破1亿辆，汽车报废量超过400万辆，预计2020年报废量将超过1 400万辆。报废汽车回收利用问题日益突出。

2001年，我国就颁布了《报废汽车回收管理办法》，标志着报废汽车回收管理开始走向法制化轨道。2006年，发改委、科技部、国家环保总局曾联合发布《汽车产品回收利用技术政策》。但由于缺乏强制执行手段，至今，汽车报废回收市场混乱、技术落后、监管滞后等问题并未得到根本解决。

在2013中国汽车回收利用国际论坛上，工信部节能与综合利用司高东升向媒体介绍称，《汽车产品限制使用有害物质和可回收利用率管理办法》列入2013年工信部的立法计划当中，条件成熟情况下将公开征收意见，预计最快年内出台。

Study on treatment of domestic sewage using a fluidized bed bioreactor w ith waste coke particles as the biocarrier

YANG Yifan
（Hangzhou Water Holding Group Co.,Ltd,Hangzhou 310009,China）

Treatm ent of synthetic dom estic sew age using a fluidized bed bioreactor(FBBR)w ith w aste coke particles (WCPs)as the biocarrier w as investigated.The effects of hydraulic retention tim e (HRT),aeration intensity,initial concentration of chem ical oxygen dem and (COD),recirculating liquid velocity,and pH on COD rem oval efficiency w ere investigated.the COD rem ovalw as over 90%,under the conditions of:HRT at 2.5～3.0 h,aeration intensity of 45.9 m3/（m2·h）,initialCOD concentration less than 2 000 m g/L,a recirculating liquid velocity of 2.48 cm/s,and a pH of 7.0～8.0.

w aste coke particles(WCPs);dom estic sew age;fluidized bed bioreactor(FBBR)

X703

A

1674－0912（2013）09－0036－05

2013－08－07）

杨一帆（1980－），男，浙江临海人，排水工程师。