摘要(yao)：通過 工業 規模(mo)的三(san)相生(sheng)(sheng)物(wu)流化(hua)床試(shi)驗(yan)，探(tan)討了載體表面(mian)生(sheng)(sheng)物(wu)膜厚度(du)與有機物(wu)去除速(su)率、容積負荷及污泥(ni)濃度(du)等傳統參(can)數之(zhi)間的必(bi)然聯(lian)系(xi)，證實(shi)了生(sheng)(sheng)物(wu)膜厚度(du)是(shi)描述反應器行為的關鍵(jian)參(can)數，揭示(shi)了三(san)相生(sheng)(sheng)物(wu)流化(hua)床高處理效率的實(shi)質是(shi)微生(sheng)(sheng)物(wu)濃度(du)高，并得出最(zui)佳膜厚為90～110μm。

關鍵詞：污水(shui)處理 三相生物(wu)流化床 生物(wu)膜厚度 去除效率

三相(xiang)生物流化(hua)床(chuang)是70年代才開始 發展 起來的(de)一種(zhong)新興污水(shui)好氧處(chu)理工(gong)藝。與其他生化(hua)處(chu)理工(gong)藝相(xiang)比，高(gao)處(chu)理效率是其最具(ju)競爭(zheng)力的(de)特(te)點。

本文在現場試驗(yan)的基礎(chu)上，通過考察生(sheng)(sheng)物膜厚度(指(zhi)濕生(sheng)(sheng)物膜厚度，下同(tong))與處理(li)效(xiao)率之間的必然關系(xi)，揭(jie)示了(le)生(sheng)(sheng)物流化(hua)床高處理(li)效(xiao)率的本質。

1 試驗原(yuan)理和(he) 方法

當(dang)(dang)載體(ti)(ti)的(de)材質(zhi)和(he)粒徑(jing)確定(ding)(ding)(ding)以后，載體(ti)(ti)表(biao)面生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)的(de)厚(hou)度(du)(du)(du)(du)決(jue)定(ding)(ding)(ding)了(le)載體(ti)(ti)顆粒在水中(zhong)的(de)沉(chen)降特(te)(te)性，從而決(jue)定(ding)(ding)(ding)了(le)床(chuang)(chuang)層的(de)膨脹(zhang)高度(du)(du)(du)(du)[1]。另一方面，當(dang)(dang)載體(ti)(ti)的(de)粒徑(jing)和(he)數量確定(ding)(ding)(ding)以后，生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)的(de)厚(hou)度(du)(du)(du)(du)決(jue)定(ding)(ding)(ding)了(le)反應(ying)器(qi)中(zhong)微生(sheng)物(wu)(wu)的(de)濃度(du)(du)(du)(du)，而微生(sheng)物(wu)(wu)濃度(du)(du)(du)(du)與(yu)處理效(xiao)率密切相關(guan)。因此(ci)，生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)厚(hou)度(du)(du)(du)(du)是(shi)聯系生(sheng)物(wu)(wu)流(liu)化(hua)床(chuang)(chuang)流(liu)體(ti)(ti)力學特(te)(te)性和(he)生(sheng)化(hua)反應(ying)動力學特(te)(te)性的(de)關(guan)鍵參數。在設計中(zhong)，當(dang)(dang)已(yi)知污水的(de)水質(zhi)水量時，需要確定(ding)(ding)(ding)一個合適的(de)生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)厚(hou)度(du)(du)(du)(du)，使其能滿足處理效(xiao)率上的(de)要求，由此(ci)再確定(ding)(ding)(ding)床(chuang)(chuang)層的(de)膨脹(zhang)高度(du)(du)(du)(du)。

載體表(biao)面(mian)(mian)所生(sheng)長的(de)生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)一(yi)般由兩部(bu)分組成：靠(kao)近載體表(biao)面(mian)(mian)的(de)部(bu)分稱為惰性(xing)(xing)生(sheng)物(wu)層(ceng)，這部(bu)分微生(sheng)物(wu)由于(yu)難(nan)以獲得食料，活性(xing)(xing)差(cha)，基本不參與(yu)生(sheng)化反應(ying)(ying);包裹于(yu)惰性(xing)(xing)層(ceng)外面(mian)(mian)的(de)叫活性(xing)(xing)生(sheng)物(wu)層(ceng)，有機污(wu)染物(wu)的(de)去除主要依靠(kao)這一(yi)層(ceng)中(zhong)的(de)微生(sheng)物(wu)。液(ye)(ye)相(xiang)主體中(zhong)的(de)基質通過水膜(mo)(mo)進(jin)入(ru)活性(xing)(xing)生(sheng)物(wu)層(ceng)并在(zai)該層(ceng)內(nei)擴(kuo)散的(de)速率(lv)直接 影響(xiang) 著生(sheng)化反應(ying)(ying)的(de)速率(lv)，也就影響(xiang)了流(liu)化床的(de)處理效率(lv)。Andrews認為[2]，在(zai)穩定狀(zhuang)態下生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)中(zhong)不存在(zai)基質的(de)累(lei)積，他假設生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)為一(yi)平面(mian)(mian)薄膜(mo)(mo)并忽略液(ye)(ye)相(xiang)傳質阻力(li)，這樣

D(d2S/dω2)-r'=0　　　　　　(1)

式中　 D——基質(zhi)在(zai)生物膜(mo)中的擴散系數(shu)

S——膜中(zhong)基質(zhi)的濃(nong)度

ω——距載體表面(mian)的距離

r'——單位體積(ji)生物膜消耗基(ji)質(zhi)的速率

由此導(dao)出了生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)中基質(zhi)濃度(du)分(fen)布的(de)(de)數學模型并(bing)得到如下(xia)結(jie)論：單位體積生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)吸(xi)收基質(zhi)的(de)(de)速(su)率(lv)隨生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)厚度(du)的(de)(de)增加，先增大(da)后(hou)減小，其間存在(zai)最(zui)大(da)值(zhi)，最(zui)大(da)吸(xi)收速(su)率(lv)對應的(de)(de)生(sheng)物(wu)膜(mo)(mo)厚為最(zui)佳膜(mo)(mo)厚。

直(zhi)觀上(shang)，當(dang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)較小時(shi)(shi)，所有的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)都是(shi)活性(xing)的(de)(de)(de)，這時(shi)(shi)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)加當(dang)然(ran)會使處(chu)理(li)效率增(zeng)大(da)(da)(da)。當(dang)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)增(zeng)大(da)(da)(da)到(dao)大(da)(da)(da)于(yu)最(zui)佳膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)時(shi)(shi)，盡管(guan)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)總量(liang)仍在(zai)增(zeng)大(da)(da)(da)，但活性(xing)卻降(jiang)低很快，造成(cheng)處(chu)理(li)效率下降(jiang)。由(you)此可見，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)度(du)并(bing)不(bu)是(shi)越大(da)(da)(da)越好。在(zai)兩相生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)流化床(chuang)(chuang)中，一般是(shi)通過專門的(de)(de)(de)脫膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)設備來控(kong)制(zhi)(zhi)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)。由(you)于(yu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)決(jue)定了床(chuang)(chuang)層膨脹高(gao)度(du)，在(zai)實際運轉中，控(kong)制(zhi)(zhi)床(chuang)(chuang)層高(gao)度(du)就達到(dao)了控(kong)制(zhi)(zhi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)。在(zai)三(san)相床(chuang)(chuang)中，由(you)于(yu)反(fan)(fan)應(ying)器內氣泡的(de)(de)(de)攪動，水力(li)紊(wen)動劇烈，生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)表面更(geng)新快，在(zai)進水濃度(du)不(bu)是(shi)很高(gao)時(shi)(shi)，一般不(bu)需(xu)專門的(de)(de)(de)脫膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)設備，而是(shi)在(zai)反(fan)(fan)應(ying)器內設置沉淀區以(yi)去除剩余污泥(ni)。在(zai)這種情況下，床(chuang)(chuang)內穩定生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)通常不(bu)會大(da)(da)(da)于(yu)最(zui)佳膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)。所謂穩定生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)，是(shi)指(zhi)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)增(zeng)長速(su)率與(yu)內源呼(hu)吸、水力(li)沖刷(shua)等因素(su)造成(cheng)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)減少(shao)速(su)率相等時(shi)(shi)的(de)(de)(de)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)厚(hou)(hou)。

在試驗中，用(yong)不(bu)同水(shui)(shui)質水(shui)(shui)量(liang)的(de)原(yuan)水(shui)(shui)得到不(bu)同的(de)穩定膜(mo)厚，以考察處理效率與(yu)膜(mo)厚的(de)關系。試驗在直徑(jing)為1.4 m、高(gao)6.5 m的(de)工業裝(zhuang)置上進行，采用(yong)射流曝氣(圖1)。載體(ti)為直徑(jing)0.3～0.5 mm、體(ti)積質量(liang)2.63 g/cm3的(de)石英砂，裝(zhuang)填高(gao)度(du)為0.6 m。床內(nei)表觀液(ye)速0.954 cm/s，表觀氣速0.42 cm/s，回流水(shui)(shui)量(liang)為14.7 L/s。進水(shui)(shui)水(shui)(shui)量(liang)水(shui)(shui)質的(de)改(gai)變是(shi)通(tong)過調節清(qing)水(shui)(shui)和污水(shui)(shui)的(de)配(pei)比來實現(xian)的(de)，水(shui)(shui)質變化由低(di)濃(nong)(nong)度(du)到高(gao)濃(nong)(nong)度(du)。

試(shi)驗(yan)中發現，當進(jin)水的(de)水量水質改變以(yi)后(hou)(約需10 d)，床層的(de)膨脹高度便穩定在(zai)固定值(zhi)，說明(ming)這(zhe)時(shi)生(sheng)物膜的(de)厚度也(ye)達到了(le)穩定，所以(yi)選擇(ze)各(ge)次試(shi)驗(yan)的(de)時(shi)間間隔為(wei)15 d左右。

生物膜(mo)厚度(du)是通過帶刻度(du)的顯微(wei)鏡測(ce)量顆粒(li)的直徑而得到(dao)的[3]。從樣品中(zhong)隨機選取50粒(li)包裹了生物膜(mo)的載體，用顯微(wei)鏡測(ce)得每一(yi)粒(li)的直徑di，則平均粒(li)徑由(you)下式 計算 ：

d=Σdi3/Σdi2 　　　　　　　　　(2)

而生(sheng)物膜厚(hou)度為：

δw=(dp-dm)/2　　　　　　　　　　(3)

式中　dp——包裹了生物膜(mo)的載體(ti)的平均粒徑

dm——石英砂載體的平均粒(li)徑(jing)

dp,dm用同樣方法測定。

2 試驗數據

試(shi)驗結果(guo)見表1。需要說明的(de)是(shi)，在計算(suan)表中(zhong)各(ge)參數時，反應器的(de)有效(xiao)容積(ji)(ji)是(shi)指(zhi)床(chuang)層膨脹(zhang)高度(du)HB乘以床(chuang)層截面(mian)積(ji)(ji)。表中(zhong)微生物濃度(du)X根據(ju)干生物膜(mo)的(de)厚(hou)度(du)和(he)體積(ji)(ji)質(zhi)量計算(suan)，而干生物膜(mo)是(shi)濕生物膜(mo)經濾紙(zhi)吸(xi)干后 自然 風干2h得到(dao)的(de)。

3　 結論

① 三相生物流化床是(shi)一種高效的(de)污水處理工藝(yi)

本試(shi)驗(yan)中(zhong)，污水流量為4.23～5.08 L/s，濃度為47.6～77.2 mgBOD5/L時，去除率(lv)達71%～90%，體積負(fu)荷4.14～6.25 kgBOD5/(m3·d)，且停留時間(jian)僅(jin)10～24 min。

② 污染物去除(chu)速(su)率與膜(mo)厚的關(guan)系

從圖2中看(kan)到(dao)，當(dang)膜厚(hou)δW增大時，反應速率(lv)(lv)r也增大，但當(dang)膜厚(hou)增大到(dao)140 μm左右時，反應速率(lv)(lv)不再增大，最高反應速率(lv)(lv)出現在膜厚(hou)為(wei)120～140 μm時。

③ 容積負(fu)荷與膜厚(hou)的關(guan)系

當膜厚(hou)δW<140 μm時(shi)(shi)，δW的(de)增(zeng)大(da)(da)導致(zhi)了r和(he)HB同(tong)時(shi)(shi)增(zeng)大(da)(da)，但(dan)從圖(tu)2可以(yi)(yi)清楚地看(kan)出(chu)，r和(he)HB的(de)增(zeng)長率(lv)正好有相反的(de)趨勢，即r曲線(xian)是(shi)(shi)凸向(xiang)的(de)而HB曲線(xian)是(shi)(shi)凹向(xiang)的(de)，因此FV必(bi)然存(cun)在峰(feng)值(zhi)，峰(feng)值(zhi)出(chu)現(xian)在δW=90 μm時(shi)(shi)。當δW>90 μm時(shi)(shi)，FV開始(shi)急劇下降，盡(jin)管(guan)這(zhe)時(shi)(shi)去(qu)(qu)除速(su)率(lv)r仍在增(zeng)大(da)(da)，但(dan)是(shi)(shi)顯然其增(zeng)大(da)(da)是(shi)(shi)以(yi)(yi)更大(da)(da)地增(zeng)加反應(ying)器容積為代價的(de)。因此，相對于去(qu)(qu)除速(su)率(lv)而言膜厚(hou)達到最佳(jia)時(shi)(shi)(δW=130～150 μm)，從投(tou)資(zi)的(de)角(jiao)度講卻并不是(shi)(shi)最佳(jia)。綜(zong)合這(zhe)兩方面，我們(men)認為在本試(shi)驗所用(yong)載體情況(kuang)下，δW以(yi)(yi)90～110 μm為宜，對應(ying)的(de)r不應(ying)超過30 kg/d。

事實上(shang)，限制(zhi)膜厚也(ye)就限制(zhi)了進(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)水(shui)(shui)(shui)(shui)質。當(dang)進(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)較(jiao)大、濃度較(jiao)高時(shi)，應增大載體(ti)的(de)粒(li)徑(jing)以減小床高，從而節省投資(zi)。對0.3～0.5 mm的(de)石(shi)英砂(sha)載體(ti)，適用(yong)的(de)進(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)不超過6.3 L/s(544 m3/d)，進(jin)(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)BOD5不超過75 mg/L，水(shui)(shui)(shui)(shui)量(liang)較(jiao)小時(shi)可適當(dang)增大濃度，但應使r<30 kg/d為(wei)宜。

④ 微生(sheng)物(wu)濃度和(he)污泥負荷與膜厚的關系

當(dang)生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)厚(hou)小于最佳膜(mo)(mo)(mo)厚(hou)時，生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)的(de)活(huo)(huo)性(xing)較高，這時用反(fan)應器中干生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)的(de)量(liang)來反(fan)映活(huo)(huo)性(xing)微生(sheng)物(wu)(wu)的(de)濃度(du)是合理的(de)。盡管隨(sui)膜(mo)(mo)(mo)厚(hou)的(de)增大床層中微生(sheng)物(wu)(wu)的(de)總量(liang)有(you)所增加，但是同時床層的(de)體積也因(yin)(yin)床高的(de)增大而增大，因(yin)(yin)此在(zai)(zai)圖3中，當(dang)生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)(mo)厚(hou)增大到(dao)一定數值(100 μm左(zuo)右)后(hou)，再繼續增大δW則X反(fan)而下(xia)降。這里也可以看到(dao)膜(mo)(mo)(mo)厚(hou)宜選擇(ze)在(zai)(zai)100μm左(zuo)右。

與(yu)普通活性(xing)污泥法相(xiang)比，三相(xiang)生(sheng)物流(liu)(liu)(liu)化(hua)(hua)床(chuang)的(de)容積負荷與(yu)污泥濃度均有(you)較大提高，但換算成污泥負荷以后，卻未見(jian)明顯增大。這說明三相(xiang)生(sheng)物流(liu)(liu)(liu)化(hua)(hua)床(chuang)中單(dan)位生(sheng)物量分解有(you)機(ji)物的(de)能力并沒(mei)有(you)明顯提高。可以說，三相(xiang)生(sheng)物流(liu)(liu)(liu)化(hua)(hua)床(chuang)處理污水(shui)的(de)高效(xiao)性(xing)主要(yao)是(shi)由(you)于反(fan)應(ying)器內具有(you)較高的(de)生(sheng)物濃度所(suo)致，而流(liu)(liu)(liu)態化(hua)(hua)操作(zuo)方(fang)式所(suo)創(chuang)造的(de)良好傳(chuan)質(zhi)效(xiao)果則是(shi)維持反(fan)應(ying)器內較高生(sheng)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)速率的(de)必要(yao)條件。

參考 文獻

1 潘濤等(deng).三相生物(wu)流化床膨脹特性方程的 研究 .環境 科學 ，1997;18(3)

2 Andrews G,Trapasso R. The optimal design of fluidized bed bioreactors.Journal WPCF,1985;57(2)

3 Mulcahy T,Shieh K.Fluidization and reactor biomass characteristics of the denitrification fluidized bed biofilm reactor.Wat Res.1987;21(4)

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