外循环生物流化床挂膜启动研究

王泽波 严建华 王 飞

(能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)，浙江 杭州 310027)

外循环生物流化床挂膜启动研究

王泽波 严建华 王 飞

(能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学)，浙江 杭州 310027)

自行设计了一台小型外循环生物流化床，并研究了该流化床处理垃圾渗滤液启动过程中，载体填充率、曝气量、水力停留时间(HRT)和进水碳、氮质量比(C/N)对椰壳活性炭载体表面生物膜形成的影响。结果表明，挂膜启动过程中较合适的条件为载体填充率5%(体积分数)、曝气量80L/h、HRT8h、进水C/N8～10。

外循环生物流化床 挂膜启动 曝气量 水力停留时间

流化床技术应用到污水处理方面起始于1973年JOHUS等开发出厌氧生物流化床，之后国内外诸多学者在生物流化床领域做了大量的实验研究，并针对不同污水水质开发出多种不同工艺的流化床[1-3]。外循环生物流化床因其生物量大、微生物活性强、处理能力高、抗冲击负荷能力强[4]、床内各相混合均匀、传质效果好、能耗低、占地面积小等优点成为生物膜法处理污水的一种重要工艺。与内循环生物流化床相比，外循环生物流化床最明显的特征是在流化床不同空间形成好氧区和缺氧区，无需额外安装三相分离器就可达到较好的气液分离效果。但其同时也存在一大缺点，即流化床挂膜启动较困难，因为在载体循环流化过程中，会受到较大的气、水剪切力的影响，不利于微生物固定附着，而流化床要具备较高的污水降解效果就必须保持床内具有稳定的高浓度生物量。针对此问题，本研究自行设计了一台小型外循环生物流化床，对其在垃圾渗滤液处理过程中的挂膜启动进行了研究，以确定最佳挂膜工艺操作参数。

1 材料与方法

1.1 实验系统

自行设计的小型外循环生物流化床见图1。主体采用有机玻璃加工而成，主床内径40 mm、高度1 800 mm，副床内径180 mm、高度为1 000 mm，旋转分离器内径160 mm、高度300 mm，主床和副床由上部连接管、下部导流管连接。总容积50 L，有效容积40 L。工作原理：废水和曝气分别由蠕动泵和ACO电磁式空气压缩机从主床底部进水口和进气口进入，主床内形成好氧环境，由于主床内流体的密度小于副床内，废水将在主、副床间作循环流动。循环流动的液相带动载体运动，从而使得载体也在主、副床间循环运动。虽然副床内未曝气，但由于液相的循环运动，流体将夹带一小部分未从旋转分离器溢出的气体循环到副床，形成副床内的缺氧环境。

图1 外循环生物流化床示意图Fig.1 Schematic diagram of external biological circulating fluidized bed

1.2 实验材料

外循环生物流化床启动阶段所用废水取自杭州某垃圾填埋场渗滤液，经稀释后作为培养基质，主要水质指标见表1。实验选用椰壳活性炭颗粒作为载体，其相关物性参数见表2。接种污泥取自杭州某污水处理厂二沉池活性污泥，污泥质量浓度约为4 000 mg/L。

表1 垃圾渗滤液主要水质指标

表2 椰壳活性炭颗粒物性参数

1.3 实验方法

向外循环生物流化床内投加不同量的椰壳活性炭颗粒作为生物膜附着的载体，同时投入10 L接种污泥，使两者充分混合，垃圾渗滤液经稀释后由蠕动泵控制以不同流量泵入，启动空气压缩机，控制不同曝气量进行连续曝气，使外循环生物流化床中的载体呈流化状态。实验中，定时从出水孔取样测定出水COD，并计算COD去除率。当COD去除率维持稳定后，分别从主、副床取样孔取得固液混合液、泥水混合液，测定相应的附着、悬浮生物量，并计算生物膜厚度。

1.4 分析方法

COD采用重铬酸钾氧化法，溶解氧采用JPB-607便携式溶氧仪测定。

附着生物量及生物膜厚度[5]：取单位体积固液混合液置于干燥的坩埚(净质量为m3)中，于105 ℃下烘干至恒定质量m1；然后加入1%(质量分数)NaOH溶液，边搅拌边加热，使生物膜完全脱落，用蒸馏水洗涤载体数次；将此清洁载体及坩埚于105 ℃烘干至恒定质量m2，由此得：

X=m1-m2

(1)

V=(m1-m2)/(5%×ρ水)

(2)

(3)

(4)

式中：X为单位体积固液混合液的附着生物量，g；V为湿生物量(湿生物膜含水率按95%计算)，mL；ρ水为常温下水密度，g/mL，ρ水=1 g/mL；n为载体数量；ρs为载体颗粒真密度，g/cm3；ds为载体颗粒平均粒径，cm；δ为生物膜厚度，cm。

悬浮生物量：取一定体积泥水混合液，用滤纸过滤，再将滤纸放在105 ℃下烘干至恒定质量，减去滤纸质量即为混合液中悬浮生物量。

污泥体积指数(SVI)采用体积质量法测定。

2 结果与分析

2.1 载体填充率

载体在流化床中的作用是为微生物固定附着提供场所，大量微生物在载体表面聚集形成稳定的生物膜，可明显提高流化床内生物量，促进废水生物降解。流化床中投入的载体量将直接影响附着生物量，载体量大，虽然能提供更多的附着表面积，但在循环流动过程中载体颗粒间的碰撞频率将增加，致使部分表面附着生物膜脱落，不利于流化床挂膜启动。实验中，设置1%(体积分数，下同)～10%的载体填充率，采用连续曝气方式，曝气量为80 L/h，水力停留时间(HRT)为8 h，进水碳、氮质量比(C/N)为8左右，COD去除率随时间的变化见图2。连续运行2.5 d后，COD去除率均基本维持稳定。运行4.0 d时，取样测定附着、悬浮生物量，并计算生物膜厚度，结果见表3。

图2 不同载体填充率下COD去除率随时间的变化Fig.2 COD removal rate during the experiment under different carrier fill rate

当载体填充率为1%时，悬浮生物量占绝对优势，附着生物量只有0.3 g/L，生物膜厚度为106 μm，说明在此条件下启动外循环生物流化床，限制附着生物量增加的主要因素是载体数量，其未能提供足够的微生物附着所需表面积，另外，悬浮生物量较高导致出水水质较混浊，COD去除率较低，不利于启动；当载体填充率增加到5%时，附着生物量增加到0.8 g/L，悬浮生物量下降到0.8 g/L，此时生物膜厚度相应增加至138 μm，出水水质较清，COD去除率达82.3%，达到启动要求；当载体填充率增加至8%后，附着生物量虽有小幅增加，但悬浮生物量开始回升，COD去除率略有下降；继续增加载体填充率至10%时，附着生物量反而下降至0.6 g/L，悬浮生物量增至1.2 g/L，出水COD浓度升高，此时由于外循环生物流化床内固含率高，少部分载体颗粒堆积在主床底部未能参与循环，实验中通过调节流量计增大曝气量促进循环，其结果使得气固液三相紊流加剧，载体受到气体的剪切力增大，固体颗粒间碰撞频率也明显增加，致使颗粒表面生物膜开始脱落，生物膜厚度下降至121 μm，不利于生物挂膜。因此，挂膜启动过程中较合适的载体填充率为5%。

表3 载体填充率对生物挂膜和COD去除率的影响

2.2 曝气量

曝气不仅提供流化床循环流动的主要动力，也为主床内有机物的好氧生物降解和氨氮的硝化作用提供溶解氧。实验中，载体填充率维持5%，通过流量计调节曝气量，采用连续曝气方式，HRT=8 h，C/N为8左右，为保证载体能完全循环流化，初始曝气量设置为50 L/h，进水COD负荷维持在6.0 kg/(m3·d)左右。由图3可见，5种不同曝气量下，连续运行12 h后COD去除率基本趋于稳定。稳定运行后，在50 L/h曝气量下，主床内溶解氧低至0.6 mg/L(见表4)，从而导致溶解氧因传质阻力不能完全穿透生物膜，造成生物膜结构松散，表层生物膜在气、水剪切力的共同作用下开始脱落，使生物膜厚度降低，而悬浮生物由于自身结构不紧凑、流动性大，容易从环境中获得足够的溶解氧而大量繁殖，致使出水水质浑浊，COD去除率较低；曝气量从50 L/h依次增加到80 L/h的过程中，溶解氧逐渐升高，促进部分氧分子向附着在载体表面的生物膜内层扩散，从而使得整个生物膜处于好氧环境，促进膜内微生物生长繁殖，增加附着生物量，生物膜厚度从78 μm增加到135 μm，COD去除率也相应增加至81.3%，基本达到启动要求；当曝气量进一步增加到90 L/h时，虽然溶解氧再次提高，但是进水COD负荷基本维持不变，此时限制生物膜生长增厚的因素是环境中营养物质的供给不足，造成膜内微生物活性降低，结构松散，另外过量的空气流量引起流体的剧烈扰动，对生物膜产生强烈的冲击，使得生物膜厚度减小，不利于挂膜启动。因此，在保证载体循环流化、一定生物膜厚度和COD去除率的情况下，最佳曝气量控制在80 L/h。

图3 不同曝气量下COD去除率随时间的变化Fig.3 COD removal rate during the experiment under different aeration rate

曝气量/(L·h-1)溶解氧/(mg·L-1)生物膜厚度/μmCOD去除率/%500.67871.2601.19474.6701.511678.8802.013581.3902.612378.9

2.3 HRT

HRT延长，进水流量减小，有机负荷降低；HRT缩短，进水流量增大，需要更多动能，反应时间缩短。实验中，载体填充率为5%，曝气量为80 L/h，C/N为8左右，采用连续曝气方式，通过流量计调节进水流量，从而改变HRT。由图4可见，HRT为5、8、10 h下连续运行18 h后，COD去除率均基本趋于稳定。当HRT为10 h时，进水有机负荷较低，此时附着生物量非常低，仅0.3 g/L(见表5)，流化床内悬浮生物量占绝大多数，说明悬浮生物生长的竞争优势较大，其原因是附着生物由于受到生物膜内传质阻力和底物扩散限制的影响，底物首先经表层生物膜吸收，之后剩余部分有机物才进一步渗透到内层生物膜，因此存在底物扩散限制的问题，而悬浮生物在流化床内多以絮状形式存在，体积小，结构较松散，在流动过程中可自由地与底物频繁接触，易于从环境中摄取有机物，因此悬浮生物的生长速率大于附着生物，但悬浮生物量的增加将降低系统稳定性，不利于流化床连续运行；当HRT缩短至8 h，附着生物量从0.3 g/L增加到1.1 g/L，而悬浮生物量从1.5 g/L下降到0.8 g/L，载体的挂膜情况得到明显的改善，从COD去除率来看基本满足启动要求；当HRT继续缩短至5 h时，附着生物量反而下降至0.7 g/L，流化床内悬浮生物量回升至1.2 g/L，这是由于HRT过短，使得单位时间内进入流化床的有机物浓度过高，高浓度的有机负荷将抑制生物膜的生长，易导致生物膜脱落，造成悬浮生物量增加。由此可见，较合适的HRT应控制在8 h。

图4 不同HRT下出水COD去除率随时间的变化Fig.4 COD removal rate during the experiment under different HRT

HRT/h附着生物量/(g·L-1)悬浮生物量/(g·L-1)COD去除率/%100.31.576.581.10.880.250.71.277.4

2.4 进水C/N

污泥絮体是由丝状菌和菌胶团组合而成，对于性状良好的活性污泥而言，这两者间有一个适当的比例关系，如果丝状菌生长速率远超过菌胶团，将会导致絮体结构松散，沉淀性能下降，继而发生污泥膨胀现象[6]。引起污泥膨胀的原因包括废水水质、水温、pH、溶解氧、有机负荷等[7]。通常，判断污泥膨胀的指标是SVI，SVI超过300 mL/g，即可认为发生污泥膨胀。本实验采用稀释后的垃圾渗滤液作为启动用水，初始氨氮较高，C/N为8左右，实验中通过投加葡萄糖和氯化铵来调节C/N，实验中载体填充率为5%，曝气量为80 L/h，HRT=8 h。由图5可见，当C/N=12时，SVI最高达到321 mL/g。此时，已发生明显的污泥膨胀现象，显微观察发现，生物膜表面和悬浮污泥絮体表面均缠绕有大量的丝状菌(见图6(a))，其原因可能是在碳源和溶解氧充足的条件下，氮源不足，导致抑制丝状菌生长的选择器缺乏[8]，丝状菌的生长得不到有效抑制，大量繁殖，从而出现污泥膨胀现象。当C/N=8、10时，SVI基本稳定在180～220 mL/g，显微观察发现，当C/N=8时生物膜表面较光滑，悬浮污泥絮体结构稳定(见图6(b))。当C/N=6时，环境中碳源相对较少，有机负荷较低，大部分微生物生长受到抑制，但丝状菌

图5 C/N对SVI的影响Fig.5 Influence of C/N on SVI

图6 不同C/N下污泥显微观察(放大400倍)Fig.6 Microphotograph of sludge by different C/N (magnification of 400 times)

因其自身具有较大的比表面积，菌丝能从菌胶团中伸展出来，增加摄取营养的表面积(见图6(c))，因此丝状菌在对有机物的竞争中占有优势，使其数量增多，导致污泥沉降性能下降，SVI升高。由此得出，进水C/N应控制在8～10。

3 结 论

外循环生物流化床挂膜启动过程中较合适的条件：载体填充率为5%，曝气量为80 L/h，HRT为8 h，进水C/N为8～10。

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[8] 张金生，袁兴中，曾光明，等.外循环三相流化床载体挂膜特性研究[J].环境科学，2008，29(10)：2794-2797.

Researchonthebiofilmformationduringthestartofexternalbiologicalcirculatingfluidizedbed

WANGZebo，YANJianhua，WANGFei.

(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization，ZhejiangUniversity，HangzhouZhejiang310027)

An experimental external biological circulating fluidized bed was designed. The effects of carrier fill rate,aeration rate,hydraulic retention time (HRT),C/N (mass fraction) on the formation of biofilm on coconut shell active carbons during the start of the reactor were studied. The results showed the suitable condition of the start was 5% (volume fraction) carrier fill rate,80 L/h aeration rate,8 h HRT and 8-10 C/N of the influent.

external biological circulating fluidized bed; biofilm formation; aeration rate; hydraulic retention time

王泽波，男，1990年生，硕士研究生，研究方向为高浓度有机废水的生物处理。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.018

2016-01-20)