1、4.4 生物流化床技术生物流化床技术一、生物流化床的基本原理一、生物流化床的基本原理1、流态化与流态化技术、流态化与流态化技术 反应器内填充固体颗粒介质，通入液体时，如流速小，则固体颗粒介质不动；如流速继续增加，颗粒开始松动与膨胀；流速继续增加，床层进一步膨胀，直到颗粒悬浮于液体中而互不接触，进入流态化状态（此时流速为临界流化速度）；若流速超过临界流化速度，则流化态继续发展。2、生物膜与生物膜技术、生物膜与生物膜技术（1）生物膜法 活性微生物固着在惰性载体的表面形成生物膜，废水流经生物膜表面，溶解性污染物为微生物所摄取、利用，废水得到净化。因而这种方法亦称为生物过滤法。（2）生物膜的形成与结构
2、（3）生物膜法的特点1）微生物相方面的特征 参与净化反应微生物多样化：生存环境稳定，污泥龄长。使硝化功能得以实现。活性污泥与生物膜上出现的微生物种类与频率的比较活性污泥与生物膜上出现的微生物种类与频率的比较微生物种类 出现频率 微生物种类 出现频率活性污泥法生物膜法 活性污泥法生物膜法 细菌吸管虫类藻类其它纤毛虫类鞭毛虫类轮虫类肉足虫类线虫类缘毛类 寡毛类下毛类其它后生动物 生物的食物链长：与活性污泥上生息的微生物相比，在生物膜上生息的微生物中，动物营养性者占优，微型后生动物的存活量也比较高。因此污泥量低。净化反应过程分段进行：生物膜处理法的各种工艺对废水的处理多分段进行，在各段生物膜上优势微
3、生物将是与进入该段废水的水质成分非常适应的菌属。硝化菌及脱氮菌能够得到良好的增值：生物膜固着在载体上，微生物的增值与废水在反应器内的停留时间无关，象硝化菌这样比增殖速度小的细菌也能得到比较稳定的增殖。2）在净化功能方面的特征 具有高度的硝化与脱氮功能：硝化与反硝化 对水质水量的变动有较强的适应性，且易于恢复：大量生产实践证明，当停止进水后，对生物膜的净化功能影响不大。对低浓度废水也能进行有效的处理：对活性污泥法来讲，原废水的BOD值不应低于5060mg/L，否则活性污泥絮体难于形成。而生物膜法对这样的低浓度，甚至浓度更低的废水也能够进行充分的处理。因此可应用于微污染水源的处理。3）在维护管理方
4、面的特征节能，动力费用低：动力能耗是活性污泥法的1/2至2/3；易于固液分离：脱落的生物膜中，动物成分多，因此易于固液分离；污泥产率低：与活性污泥法相比，污泥产率降低25左右。3、生物膜法的基本原理、生物膜法的基本原理（1）生物膜的特征与性质）生物膜的特征与性质1）生物膜的特征 生物膜厚度 生物膜总厚度一般介于0.07-0.4mm；生物膜活性厚度（有机物降解速率达到最大时的生物膜厚度）一般介于0.07-0.1mm。生物膜的密度 反映生物膜内微生物数量。密度大产生于好氧层，微生物细胞密集重叠；而密度小产生于厌氧层，是由于细胞的溶菌裂解造成的。2）影响微生物固定的因素 微生物性质A、悬浮微生物浓度
5、 在给定的系统中，悬浮微生物浓度代表了微生物与载体间的接触频度。一般讲，悬浮微生物浓度增加，微生物与载体间的接触频度也随之增高。大量实验结果表明，在微生物附着固定过程中存在一个临界悬浮微生物浓度。B、悬浮微生物活性 悬浮性活性污泥的活性通常用微生物的比增长速率来描述。载体表面性质 在正常生长环境下，微生物细菌表面带负电荷，如果通过一定的表面改良技术使载体表面具有正电荷，将使微生物在载体表面附着固定更为容易。环境特性A、液相pH 液相环境中，pH的变化将直接影响微生物细菌的表面电荷性质。当pH大于等电点pH（电位为0时的pH），细菌表面由于氨基酸的电离作用而显负电性；当pH小于等电点pH，细菌表
6、面由于氨基酸的电离作用而显正电性。B、液相离子强度C、水利剪切作用 反应初期，弱的剪切力有利于细菌在载体上的固定；在生物膜反应器的正常运行中，需要一定强度的剪切力，以使生物膜得到更新。D、接触时间（2）生物膜中的物质迁移）生物膜中的物质迁移1）有机污染物的迁移；2）溶解氧的迁移；3）反应产物的扩散（3）生物膜净化废水的机理）生物膜净化废水的机理 1）有机污染物的吸附）有机污染物的吸附 生物膜呈蓬松的絮状结构，微孔多表面积大，具有很强的吸附能力。2）有机污染物的生物降解）有机污染物的生物降解 生物膜微生物以吸附和沉积于膜上的有机物为营养料。增殖的生物膜脱落后进入废水，在二次沉淀池中被截留下来，成
7、为污泥。有机物负荷高，其处理水的NO3-可在2mg/L左右，BOD5去除率为6090%；负荷低，废水经过处理后，BOD5可以降到25mg/L以下，硝酸盐（NO3-）含量在10mg/L以上。（4）影响生物膜处理效果的主要因素）影响生物膜处理效果的主要因素1）进水底物的组分和浓度2）营养物资3）有机负荷及水力负荷4）溶解氧5）生物膜量6）pH7）温度8）有毒物资4、生物流化床的特点、生物流化床的特点（1）固体载体的颗粒十分细小，因此能提供微生物附着生长的巨大比表面积，使反应器内维持比较大的生物量；（2）传质性能好；（3）气固液三相的剧烈翻动，促使生物膜的形成、生长、成熟与脱落过程加剧，使膜的更新快
8、、活性强；（4）气固液三相分离溶液、迅速；（5）反应器耐冲击负荷能力强；（6）占地面积大大减少；（7）技术要求高，能耗较高。二、生物流化床的类型与工艺流程二、生物流化床的类型与工艺流程1、好氧生物流化床、好氧生物流化床（1）好氧生物流化床的结构组成好氧生物流化床是以微粒状填料如砂、焦炭、活性炭、玻璃珠、多孔球等作为微生物载体，以一定流速将空气或纯氧通人床内，使载体处于流化状态，通过载体表面上不断生长的生物膜吸附、氧化 并分解废水中的 有 机 物，从 而 达 到 对 废 水 中 污 染 物 的 去 除。好氧生物流化床按床内气、液、固三相的混合程度的不同，以及供氧方式床体结构及脱膜方式等的差别可分
9、为两相生物流化床和三相生物流化床。1）两相生物流化床 特点：充氧过程与流化过程分开，并完全依靠水流使载体流化。在流化床外设充氧设备和脱膜设备，在流化床内只有液、固两相。原废水先经充氧设备，可利用空气或纯氧为氧源使废水中溶解氧达饱和状态。2）三相生物流化床 其工艺流程如图所示。该流化床 由反应区、脱气区和沉淀区组成，反应区由内筒和外筒两个同心圆柱组成，曝气装置在内筒底部，反应区 内填充生物载体。混合液在内筒向上流、外筒向下流构成循环。特点：该反应器内气、液、固三相共存，污水充氧和载体流化同时进行，废水有机物在载体生物膜的作用下进行生物降解，空气的搅动使生物膜及时脱落，故不需脱膜装置。但有小部分载
10、体可能从床中带出，需回流载体。三相生物流化床的技术关键之一，是防止气泡在床内合并成大气泡而影响充氧效率，为此可采用减压释放或射流曝气方式进行充氧或充气。（2）好氧生物流化床适用范围适用于各种可生化降解的有机废水处理，主要用于去除中、低浓度的有机碳化合物，以及好氧硝化去除NH3N，对各类生活污水及工业废水均有良好的处理效果。（3）应用好氧生物流化床处理废水的效果好氧生物流化床已用于多种工业废水及城市污水的处理，并且取得了良好的效果。2、厌氧生物流化床、厌氧生物流化床与好氧生物流化床相比，该法不仅在降解高浓度有机物方面显出独特优点，而且具有良好 的脱氮效果。（1）厌氧生物流化床的结构组成）厌氧生物
11、流化床的结构组成厌氧生物流化床可视为特殊的气体进口速度为零的三相流化床。这是因为厌氧反应过程分为水解酸化、产酸和产甲烷3个阶段，床内虽无需通氧或空气，但产甲烷菌产生的气体与床内液、固两相混和即成三相流化状态。厌氧生物流化床工艺如下图所示。为维持较高的上流速度，需采用较大的回流比。厌氧生物流化床内微生物种群的分布趋于均一化，在床中央区域生物膜的产酸活性和产甲烷活性都很高，从而使其有效负荷大大提高。（2）厌氧生物流化床的适用范围厌氧生物流化床的适用范围厌氧生物流化床既适于高浓度的有机废水，又适于中、低浓度的有机废水处理，它的有 机容积负荷（以BOD5计）可达210kg/（m3d），由于所需氮磷营养
12、较少，尤 适于处理氮磷缺乏的工业废水。处理的工业废水包括含酚废水、萘磺酸废水、鱼类加工废水、炼油污 水、乳糖废水、屠宰场废水、煤气化废水等，处理的城市污水包括家庭废水、粪便废水、市政污水。厨房 废水等。（3）应用厌氧生物流化床法处理废水的效果应用厌氧生物流化床法处理废水的效果厌氧生物流化床处理废水的研究与应用实例迄今为止已比较广泛，而且已发挥了显著优势。3、其它新型流化床、其它新型流化床为使生物流化床发展成为高效、低耗、连续处理大量废水的新型反应器，国内外又研究开发了 一些新型生物流化床反应器。（1）磁场生物流化床磁场生物流化床磁场生物流化床反应器装置比较复杂，需在床体外加磁场，并且固定化细胞
13、的载体内需含一定的磁介质，床层内存在3种状态；散流床、链流床、磁聚床。施加磁场带来两个方面优点：固相粒子可在 更大的流速下才能从磁场生物流化床冲出；单位反应器体积所降解的污染物量明显提高。（2）复合式生物流化床）复合式生物流化床将不同类型的生物流化床组合或将生物流化床与其它生化处理反应器组合，便形成复合生物流化床。这样可以兼顾不同反应器的特点，提高处理效果，这种组合已经成为生物流化床的一个新发展方向。1）厌氧一好氧复合式生物流化床）厌氧一好氧复合式生物流化床此种生物流化床是由英国水研究中心开发的，用作有机物的去除、氨氮的硝化和脱氮，均收到良好的效果。其流程如图所示。该法的特点是第1段厌氧床内的
14、兼性菌利用硝酸盐中的氧作为氧源，使废水中部分有机碳化合物氧化，因而不需要补充碳源，同时也减少了第2段好氧床的有机负荷，降低能耗。最终使排水中硝酸盐的质量浓度降至510mg/L。2）固定床）固定床-流化床生物反应器流化床生物反应器北京化工研究院开发了一种全混型和置换叠加的复合式生物流化床，在一个床中实现了流化床和固定床的串联操作，既有利防止流态化生物相及生物载体的溢出，又具有良好的循环特性。反应器结构如图所示。研究结果表明，用其处理淀粉废水，停留时间小于4h，最大CODcr负荷为4.2kg/(m3d)，具有处理能力大、效率高的优点。3）好氧流化床）好氧流化床接触氧化床复合反应器接触氧化床复合反应
15、器此种反应器属一体化设备，以一上部带有活动式过滤安全网的内循环流化床为主体，流化床上部出水通过自充氧系统，进人侵没式接触氧化床，进一步反应后出水，该反应器除具有优良的自充氧特性外，兼有流化床处理效率高和接触氧化滤床出水性能好的特点，又因气水比低、能耗小和适应性好等，故有良好的应用前景。（3）厌氧甲烷发酵流化床膜反应器）厌氧甲烷发酵流化床膜反应器该反应器是把流化床反应器和膜分离技术结合起来，采用固定化技术固定微生物，通过膜分离得到高质量的出水，其原理如图所示。它具有生物介质分布均匀、传质速度快的特点，同时又能打破化学平衡的限制，提高底物浓度，将出水质量好和反应效率高有效的结合起来，省去后处理装置
16、，特别适用于高效率菌种且受底物浓度限制大的情况。其缺点是操作费用高、质优价廉的膜材料难以获得。（4）三重环流生物流化床）三重环流生物流化床该流化床将内循环管（气升管）分为3段，使三相流体按一定分布进行三层次的循环流动，其设计目的为强化传质，提高混合，降低启动压力。其结构及循环 示意如图所示。经流体力学实验研究表明，该反应器的气相含率较单重环流反应器在相同实验条件下高1015，气流量增大，缩短了循环时间，使液体循环速度加快。用该流化床处理废水，在有毒有机物高负荷条件下运行良好，平均容积负荷（以 CODcr计）为7.16kg/（m3d）时，CODcr平均去除率可达79.5，芳烃类化合物去除率为91
17、.9，对酚类去除率达 94.8。三、工程应用实例三、工程应用实例1、北京市密云县云湖度假村废水处理工程、北京市密云县云湖度假村废水处理工程射流曝气射流曝气型三相生物流化床型三相生物流化床设计流量：600m3/d，度假村生活污水；池的尺寸：2座，直径1.4m，高6.5m；载体介质：石英砂，粒径0.3-0.5m，密度2.63g/cm3，装 填高度0.6m；床内表观液速：0.954cm/s，气速0.420cm/s；载体生物膜厚：100微米，生物浓度17g/L；床容积负荷：4.14-6.25kgBOD5/(m3d)；污泥负荷：0.29-0.40kgBOD5/(kgMLSSd)；QR/Q=230-350%；HRT=10-24min；膜厚为137微米时，BOD5去除率90%，COD去除率75%；2、北京某植物油厂废水处理工程、北京某植物油厂废水处理工程（1）处理工艺格栅酸化隔油沉淀池中和池调节池气浮池生物流化床反应器好氧接触氧化池沉淀池滤池存储塘（2）设计参数进水：处理水量500m3/d，COD1500-8000mg/L，一般为2500mg/L，出水平均COD750mg/L，平均COD去除率70%。
