以焦末為載體的生物流化床處理生活污水研究

楊一帆

（杭州市水務控股集團有限公司，浙江杭州310009）

以焦末為載體的生物流化床處理生活污水研究

楊一帆

（杭州市水務控股集團有限公司，浙江杭州310009）

以焦末為載體的生物流化床反應器處理模擬生活污水，考察了水力停留時間HRT、曝氣強度、進水COD濃度、回流速率和進水pH值等因素對生物流化床短期內的影響。現條件下，生物流化床處理模擬生活污水的最佳工藝條件為：HRT 2.5～3.0 h、曝氣強度45.9 m3/（m2·h）、進水COD濃度不超過2 000 mg/L、回流液速2.48 cm/s、pH值7.0～8.0，此時COD去除率達90%以上。

焦末；生活污水；生物流化床

生物流化床技術是20世紀70年代興起的污水處理技術，該技術將化工流態化技術引入污水處理領域，并結合了活性污泥法和生物膜法的特點，具有占地面積小、處理效率高、抗負荷能力強等優點。近年來，國內外對生物流化床進行了不少的試驗研究工作，在用于生活污水[1－3]、焦化廢水[4－6]、垃圾滲濾液[7－9]、染料廢水[10－11]、造紙廢水[12]等方面均取得良好的去除效果。生物載體[13]的選擇是生物流化床反應器主要參數之一，直接影響到系統能耗和生物膜負載能力，進而直接決定有機物去除效率。首先生物載體的主要作用是為微生物的生長提供巨大表面積，關聯著微生物的生長、繁殖、脫落和形態及空間結構；其次，載體在流化過程中具有切割、分散氣泡的作用，使布氣更均勻，強化傳質。焦末是半焦在實際生產、篩分、運輸和使用過程中產生的顆粒固體廢棄物，目前未得到很好的利用，因此，開發焦末的資源化利用具有重要意義。實驗室自制了一套生物流化床反應器，使用焦末作為流化料載體，考察水力停留時間HRT、曝氣強度、進水COD濃度、回流速率和進水pH值等因素對生物流化床短期內（5 h）處理模擬生活污水的影響，為以焦末為載體的生物流化床反應器的放大設計與工程應用提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

生物流化床裝置主要由流化床主體、三相分離器及進氣進水分布器等部分組成，如圖1所示。流化床主體用有機玻璃制成，高2 000mm，內徑100mm。三相分離器位于流化床頂部，擴大段角度約60°，用于氣固液三相分離。進氣管自上而下通過流化床，連接底部由2個砂芯曝氣頭組成的氣體分布器。廢水進水分布器由安裝在流化床底部的孔板組成，小孔數約150個，孔徑約0.5 mm；回流液體分布器由安裝在流化床底部的十字空心管組成，開孔垂直向下或斜向下45°，孔徑為5mm，數量25個，面積約4.91 cm2。

1.2 生物載體

焦末顆粒取自陜西神木三江煤化工有限公司，尺寸范圍0.6～2.3 mm，平均粒徑1.07 mm，堆積密度600 kg/m3，真密度1 600 kg/m3，孔隙率62.5%，吸水率0.377 g/g，BET比表面積55.0m2/g。

1.3 生活污水

實驗中廢水為模擬生活污水，配比如下（單位：mg/L）：氯化銨310、磷酸二氫鉀130、碳酸氫鈉775、硫酸鎂310、三氯化鐵60、硫酸鈣30，葡萄糖濃度根據實驗需要添加。本實驗范圍內，測得COD濃度為500～3 000mg/L。

1.4 生物流化床啟動

本實驗所用活性污泥（接種污泥）為杭州市七格污水處理廠二沉池剩余污泥，實驗掛膜過程初始污泥濃度（MLSS）約為4.2 g/L。生物載體掛膜優先采用快速排泥法[14]，具體步驟如下：將一定量的污泥和焦末載體投加到流化床反應器中，載體投加量約25%。打開風機悶爆24 h后靜置12 h，然后排清懸浮污泥和污水，開始連續進不含污泥的培養液，進水流速逐漸增大，直至達到實驗要求。15 d后，流化床出水基本穩定，通過徠卡顯微鏡可觀察到鐘蟲、線蟲、斜管蟲、豆形蟲等豐富的生物相，見圖2所示。此時，大部分焦末流化料已完成掛膜，經OLYSIM軟件測定，生物膜厚度在35～110μm。單位載體生物量4.0～4.5mg VSS/g載體。生物流化床啟動成功后，開始進行處理生活污水實驗研究。

圖1 生物流化床裝置示意圖

圖2 生物流化床內生物相顯微鏡照片

2 結果與討論

2.1 HRT對COD去除率的影響

在曝氣強度45.9 m3/（m2·h）、回流液速2.83 cm/s、進水COD濃度1 000 mg/L、進水pH值7.0的條件下，通過改變進水流速，調節不同HRT，研究生物流化床短期內（5 h）COD去除率變化規律，具體結果見圖3。本實驗條件下，出水溶解氧均在2.0 mg/L以上。

圖3 水力停留時間對COD去除率的影響

從圖3中可以看出，COD去除率隨著HRT的延長而增大，當HRT達到2.5 h后，COD去除率增大趨勢逐漸變緩。當HRT從0.5 h延長到3.0 h，COD去除率從60.2%增加到91.9%，出水COD濃度低于100mg/L。繼續增加HRT到4.7 h，COD去除率保持在90%以上，基本無變化。由此說明HRT達到3.0 h后，流化床內可生物降解有機物已基本降解。在實際操作中，為達到較好COD去除率，HRT可選擇在2.5～3.0 h。2.2 曝氣強度對COD去除率的影響

曝氣的作用主要有以下兩點：一是給好氧微生物新陳代謝供氧；二是載體流化動力之一，增強流化床混合傳質性能。為研究本實驗中曝氣強度對COD去除率的影響，分別選取曝氣強度為38.2，45.9，53.5，61.1m3/（m2·h），其他實驗條件為HRT 2.5 h、回流液速2.83 cm/s、進水COD濃度約1 000mg/L、進水pH值7.0。從條件改變開始計時，測定5 h后出水溶解氧和COD濃度，實驗結果見圖4。

從圖4可以看出，COD去除率隨著曝氣強度的增大先增加后減小。當曝氣強度為38.2 m3/（m2·h）時，供氧不足，出水DO濃度為1.3 mg/L，小于需氧條件2.0mg/L的要求，此時生物流化床體系處于缺氧環境，好氧微生物的生物活性受到影響，因此COD去除率較低，僅為76.5%。當曝氣強度增加到45.9m3/（m2·h）以上時，出水DO濃度均大于3.0mg/L，此條件下可以保證好氧微生物的正常新陳代謝，COD去除率較高，能保持在80%以上。曝氣強度較大時，生物流化床內水力剪切力大，導致生物膜從焦末載體上脫落，造成部分微生物的流失，因此COD去除率有略微下降趨勢。從氧利用率、能耗和COD去除率三方面考慮，本實驗曝氣強度在滿足供氧和正常流化的基礎上，較為適宜的取值為45.9m3/（m2·h）。

圖4 曝氣強度對COD去除率和溶解氧的影響

2.3 進水濃度對COD去除率的影響

實驗中選取進水COD濃度范圍500～3 000 mg/L，考察生物流化床在短期內的抗負荷能力。其他實驗條件分別為HRT 3.5 h、曝氣強度45.9 m3/(m2·h)、回流液速2.48 cm/s、進水pH值7.0，實驗結果見圖5。

圖5 進水COD濃度對COD去除率的影響

由圖5可得，當進水COD濃度在500～2 000mg/L范圍內時，生物流化床對有機物的去除率較高，COD去除率均在90%以上，表明該系統有一定的抗負荷沖擊能力。但是當進水COD濃度超過2 000 mg/L時，COD去除率下降明顯，已超出流化床系統的抗有機負荷沖擊能力范圍。經分析，生物流化床之所以有較強的抗沖擊負荷能力，一方面是因為污水回流比率較大，高濃度廢水進入生物流化床反應器內時，在短時間內被回流污水稀釋；另一方面是因為反應器內微生物量較大，能承受較大的COD負荷。本實驗生物流化床能適應500～2 000mg/L范圍內的沖擊負荷。

2.4 回流液速對COD去除率的影響

為了使生物載體正常流化，生物流化床通常設有回流裝置，以增加流化推動力。此外，回流可以稀釋進水濃度，提高系統抗負荷沖擊能力。回流液速的大小影響著流化床床層膨脹高度和載體水力剪切力，進而影響載體生物膜的生長與脫落，決定系統廢水處理性能。回流液速表示著回流液體在流化床反應器內軸向上的速度，以表觀液速表述，即cm/s。回流液速與出水速度之比即為回流比。為研究本實驗中回流液速對 COD去除率的影響，在 HRT 3.0 h，曝氣強度45.9m3/（m2·h），進水濃度約1 000 mg/L，進水pH值7.0的實驗條件下，分別選取回流液速1.42，1.77，2.12，2.48，2.83（cm/s），研究生物流化床在短期內COD去除率變化規律，結果見圖6。

圖6 回流液速對COD去除率的影響

從圖6中可以看出，隨著回流液速的增大，COD去除率先增大后減小。實驗中發現，當回流液速較小時，床層膨脹率較低，流化床主體有效體積利用率低，故而COD去除率較低。當回流液速為1.42 cm/s時，COD去除率為86.5%。當回流液速增加到2.48 cm/s，床層流化效果較好，COD去除率高，達到93.5%。繼續增加回流液速到2.83 cm/s，COD去除率略有降低（88.7%）。這是因為隨著回流液速的增大，流化床內水力剪切力也增大，造成部分載體生物膜脫落，脫落的生物膜隨著水流流出流化床，系統生物量減少。從總體效果來看，在保證載體正常流化條件下，回流液速對COD去除率的影響不大，COD去除率均能保持在85%。

2.5 進水pH值對COD去除率的影響

pH值是影響微生物酶活性及其生長和繁殖的重要因素之一，幾乎所有微生物都有一個最適pH值和相對不敏感區域。在廢水處理中，大多數微生物的適宜pH值范圍在6.0～9.0。為了解本實驗微生物的適宜pH值，實驗選取進水pH在5.0～9.0，研究生物流化床COD去除率在短期內的變化規律，其他實驗條件為HRT 3.5 h、曝氣強度45.9m3/（m2·h）、回流液速2.48 cm/s、進水濃度約1 000 mg/L，實驗結果見圖7。

圖7 進水pH值對COD去除率的影響

從圖7可以看出，COD去除率隨著進水pH值的增大呈先增大后減小趨勢。當進水pH值從5.0升到7.0時，COD去除率從82.9%增加到93.5%，在此過程中，微生物活性逐漸增強。繼續增大pH值到9.0，COD去除率仍能保持在90%以上。可見在較寬范圍內，本實驗微生物能保持較高活性。系統中pH值不僅影響微生物體內酶活性，而且在一定程度上改變了生物膜上微生物的分布和數量，改變生物膜的性能，因此COD去除率存在差異。實驗中為使微生物酶活性處于較高水平，可將進水pH值控制在7.0～8.0。

3 結論

對以焦末為載體的生物流化床反應器處理模擬生活污水進行研究，采用快速排泥法掛膜15 d后，出水水質基本穩定，生物膜厚度在35～110μm，單位載體生物量4.0～4.5mg VSS/g載體，反應器啟動成功。在本實驗條件下，生物流化床處理模擬生活污水的最佳工藝條件為：HRT 2.5～3.0 h、曝氣強度45.9m3/（m2·h）、進水COD濃度不超過2 000 mg/L、回流液速2.48 cm/s、pH值7.0～8.0，此時系統穩定出水COD去除率達90%以上。

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工信部擬出臺管理辦法強制汽車回收利用

根據中國汽車流通協會的數據，隨著汽車保有量大幅攀升，報廢汽車數量也逐年上升。2011年我國民用汽車保有量已突破1億輛，汽車報廢量超過400萬輛，預計2020年報廢量將超過1 400萬輛。報廢汽車回收利用問題日益突出。

2001年，我國就頒布了《報廢汽車回收管理辦法》，標志著報廢汽車回收管理開始走向法制化軌道。2006年，發改委、科技部、國家環保總局曾聯合發布《汽車產品回收利用技術政策》。但由于缺乏強制執行手段，至今，汽車報廢回收市場混亂、技術落后、監管滯后等問題并未得到根本解決。

在2013中國汽車回收利用國際論壇上，工信部節能與綜合利用司高東升向媒體介紹稱，《汽車產品限制使用有害物質和可回收利用率管理辦法》列入2013年工信部的立法計劃當中，條件成熟情況下將公開征收意見，預計最快年內出臺。

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）

楊一帆（1980－），男，浙江臨海人，排水工程師。