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1、第十一讲 好氧生物膜法生物流化床技术,生物流化床技术的开发始于20世纪70年代，源于一些科学家欲改善废水生物处理构筑物的净化效率，以使容积更小，占地面积更少； 以比重大于1的细小惰性颗粒如砂、焦碳、陶粒、活性炭等为载体，可以提高BTS（biomass total solid,生物质总固体，相当于活性污泥MLSS）； 反应器内的上升流速很高，可使载体处于流化状态； 生物浓度很高，传质效率也很高，是一种高效好氧生物反应器。,一、生物流化床的基本原理与特征,1、载体颗粒流化原理 载体颗粒的流化，是由于上升的水流(或水流与气流)所造成的。 三种状态：1)固定状态；2)流化状态；3)流失状态,2、生物膜
2、与生物膜技术,一些微生物群体固着、吸附于固体颗粒介质的表面，它们由菌胶团和一些丝状菌组成，其中有的是繁殖较迅速的异养性细菌，有的是增殖缓慢的自养性细菌（如硝化菌），形成由多种微生物组合的群体，它们在固体颗粒介质表面生长与脱落，不断更新，对有机污染物进行代谢降解反应，对氨氮进行硝化与反硝化反应。这种生长在固体介质表面的微生物群体即为生物膜; 近百年来，在利用生物膜净化废水方面发展了许多的构筑物型式，如洒滴滤池、生物滤塔、生物转盘、生物接触氧化池、生物土壤进化床、生物曝气滤池等，利用它们的技术统称为生物膜法技术; 将生物膜法技术与流态化技术结合在一起就产生一种新型的高效废水处理技术，这就是生物流化
3、床技术。生物流化床技术分为好氧生物流化床技术和厌氧生物流化床技术。,3、好氧生物流化床的基本原理与特征,在悬浮固体颗粒生物膜反应器内，悬浮固体颗粒载体（通常粒径为0.2-0.5mm)上生长的微生物形成生物膜。 （1）在好氧生物流化床反应器中进行着复杂的反应过程，包括： 基质从液相转移至生物膜表面； 基质在膜内传递； 氧的扩散与传输； 膜内进行好氧生物化学反应。,（2）生物膜的形成与生长,好氧生物流化床反应器内生物膜的形成过程包括固体介质表面微生物的吸附、成长及脱落等过程，这是一个动态的水动力学与生化代谢的综合过程。 载体体积和有机负荷越高，越容易生成较厚的生物膜，但不一定比较薄的生物膜其活性就
4、高。 载体的性质与浓度对挂膜的作用也十分重要。载体颗粒表面粗糙比表面光滑更容易形成生物膜。有的仅20的载体上生长有生物膜，却仍具有较稳定的净化能力。 反应器内的剧烈的水力运动使膜的生长密度增加，使膜变得致密。 生物膜内部往往生长着世代周期长、生长缓慢的细菌，如自养型细菌、硝化细菌等，而膜的外层往往生长着生长迅速的异养型细菌。 液体的pH值与温度等因素与膜的形成及生长也有密切关系。,（3）生物膜的脱落,生物膜的形成、生长、成熟与脱落，在流化床稳态运行过程中会自动达到平衡。 膜的脱落对膜的厚度、膜的扩散梯度、膜的组分、膜中微生物的分布规律及不同类型微生物的增长起重要作用。 流化床内生物膜的脱落既有
5、物理过程又有生物、生化过程。,涉及的物理过程有：, 水力剪切引起的剥蚀，使生物膜连续地从载体表面脱落并去除； 载体颗粒之间的碰撞与摩擦，使覆盖的生物膜脱落； 由于生物膜的老化、矿化而使老膜掉皮而脱落。,属于生物、生化过程的有：, 原生动物吞食细菌，使生物量不断减少； 快速生长的微生物往往在膜的外层占优势，而慢速生长的微生物往往处于膜的深处，此类微生物受供氧的限制比外层微生物更为显著。 膜的脱落为膜内微生物进行不同代谢过程创造了条件，有利含碳、氮污染物的去除。,二、生物流化床的工艺类型,根据供氧和脱膜方式及床体结构等的不同，可分为： 两相生物流化床（体外充氧的流化床） 三相生物流化床（传统的三相
6、好氧流化床、外循环三相好氧流化床、内循环三相好氧生物流化床）,1、两相生物流化床,在生物流化床外设充氧设备和脱膜设备，在床体内只有液、固两相； 进入反应器之前，废水中的DO可达89mg/l(以纯氧为气源时，可达3040mg/l)。,2、三相生物流化床,直接向反应器内充氧，床体内有气、固、液三相共存； 气体搅动剧烈，载体颗粒之间摩擦剧烈，可使表层的生物膜自行脱落，因此，一般无需体外脱膜装置。,2、三相生物流化床,2、三相生物流化床,工程实例,高效内循环流化床（4组）,高效内循环流化床（2组）,三、生物流化床的构造,反应器 载体 布水装置 充氧装置 脱膜装置,1、反应器：,一般呈圆柱状； 高径比一
7、般采用34:1； 若采用内循环三相生物流化床时，升流区截面积与降流区面积之比应在1左右。,2、载体,主要性能： 比重略大于1； 表面比较粗糙； 对微生物无毒性； 不会与废水中的物质发生反应； 价廉易得。 常用载体有：砂粒、无烟煤、焦炭、活性炭、陶粒及聚苯乙烯颗粒； 生物固体浓度与载体投加量有直接关系。,3、布水设备,对两相生物流化床，布水均匀十分关键； 对三相生物流化床，由于有气体的搅拌，布水设备不十分重要。,4、脱膜装置,一般三相生物流化床不需设置专门的脱膜装置 在两相生物流化床系统中常设的脱膜装置有： 振动筛 叶轮脱膜装置 刷式脱膜装置,优点及问题：,1）生物浓度高(1020g/l)，容积
8、负荷高(78kgBOD5/m3.d以上)，水力停留时间可大大缩短，基建费用较小； 2）传质性能良好。流化态的载体颗粒和巨大的气液固相的传质面积使速率大大提高，甚至可赶上生化反应速率，从而使后者成为限速因子。特别当采取高效充氧时，可使流化床具有很高的处理效率； 3）无污泥膨胀或堵塞，气、固、液相的剧烈翻滚，促进生物膜的形成、生长、成熟与脱落过程加剧，使膜的更新快、活性强； 4）液、固、气相分离容易、迅速 5）能适应不同浓度范围的废水和较大的冲击负荷； 6）由于容积负荷和床体高度较大，占地面积较小，可节省基建投资。,不足之处,1）能耗较高（为维持床内流化）； 2）载体颗粒粒径不均匀，易出现分层现象
9、； 3）管理要细微； 4）技术要求较高，工程设计和实际运行有一定难度。,三、设计方法,1、选择载体种类、确定技术参数 （1）载体的种类 石英砂、人工载体（聚苯乙烯小球等）； （2）载体颗粒的粒径。容易流化，运行能耗省； （3）载体的级配 为使床内载体分布均匀，使水动力学状况良好，床内生物量分布均匀，合理，要求高度的级配一致。最大粒径与最小粒径之比小于2； （4）载体颗粒的性状。尽量接近球形，表面粗糙； （5）载体颗粒的质量 。保证不易随出水外逸，又要节省运行能耗，有利于传质； （6）载体的强度 载体应具有足够强度，承受摩擦、侵蚀、碰撞的能力强，不易磨损； （7）载体生物膜厚 最好控制在1002
10、00m, 以120140 m为佳。,2、反应器的计算,由于流化床的结构，特别是三相分离装置，对一些公司和开发研究者均属专利，其设计方法及型式构造各家迥异，远未规范化、定型化。 介绍一下它的计算顺序和相关的概念。,计算顺序,（1）计算进入流化床反应器的有机负荷； （2）初选反应器的容积负荷； （3）求得反应器的容积 ； （4）选择、确定水力停留时间HRT； （5）计算降流区液体循环流量； （6）计算循环比，它是降流区的流量与废水的总流量； （7）求出降流区容积； （8）计算反应器的横截面及直径； （9）从液体上升流速求得升流区横截面积； （10）求得降流区横截面积。,3、若干技术参数的推荐值,有
11、机负荷 荷兰的生物流化床生产性装置对高浓度工业废水的实际负荷可达18.8-23.5kgCOD/(m3.d)，其生物量可达2040g/L； 国内对一些较复杂的工业废水的有机负荷一般为811kgCOD/(m3.d).慎重选用。 对于生活污水，国内外的实验结果显示有机负荷为5 11kgCOD/(m3.d）。,3、若干技术参数的推荐值,床内生物量 最大达40g/L，一般620g/L为易； 载体量 最大达200/L，一般为50100g/L. 污泥产率 0.24-0.38kgVSS/(去除kgCOD); 污泥龄 1.3-2.7d； 澄清区上升流速 0.3mm/s; 氧利用率 1030； 出水DO 2.0m
12、g/L; 冲击负荷 COD 2000mg/L,最大达9000mg/L，流化床均能忍受，并很快恢复正常运行; 能耗 变化较大，有的废水达4.8-9.6kW.h/(去除kgBOD5); HRT 30-40min； 气水比 约10：1,四、生物流化床的科研成果与工程应用实例,1、生产性规模应用实例 北京市环科院于1993年设计，建造了生产性射流曝气型三相生物流化床，处理废水量600m3/d，处理对象为度假村的生活废水。设计有两座流化床。载体为石英砂。膜厚137m时，BOD5去除率达90，COD去除率为75%. 荷兰Gist-brocades N.V.公司的生产性内循环三相好氧生物流化床工程 在3L容
13、积的反应器的实验室基础上放大成生产性规模流程。反应器总容积为300m3,分为两座。 辽宁锦州炼油厂废水处理工程 抚顺石油化工研究院在三相好氧生物流化床试验基础上，在锦州炼油厂进行了工业装置的实验研究（19821984年）。以砂为载体，床的BOD5容积去除负荷达3.86-15.3kgBOD5/(m3.d), HRT为28.8-64.8min，去除负荷为活性污泥法的58倍。空气中氧的利用率为活性污泥法的68倍。,2、生物流化床的实验室及半生产性试验研究实例与研究成果,清华大学环境系采用内循环三相好氧生物流化床工艺处理丙烯酸废水、石油废水、抗生素制药废水的中试研究。 采用的内循环三相生物流化床直径0.30m, 高5.35m, 反应区体积0.35m3，分离区0.06m3, 沉淀区0.21m3。载体采用陶粒，粒径为0.8-1.6mm. 对丙烯酸废水的处理，净化率达79.0%. 对燕山石化废水的处理，对COD净化率达7080，能高效地去除酚. 对庆大霉素和金霉素混合工业废水的处理，进化率达9798。,谢谢！,
