三相生物流化床中生物膜厚度研究
摘要：通过 工业 规模的三相生物流化床试验，探讨了载体表面生物膜厚度与有机物去除速率、容积负荷及污泥浓度等传统参数之间的必然联系，证实了生物膜厚度是描述反应器行为的关键参数，揭示了三相生物流化床高处理效率的实质是微生物浓度高，并得出最佳膜厚为90～110μm。
关键词：污水处理 三相生物流化床 生物膜厚度 去除效率
三相生物流化床是70年代才开始 发展 起来的一种新兴污水好氧处理工艺。与其他生化处理工艺相比，高处理效率是其最具竞争力的特点。
本文在现场试验的基础上，通过考察生物膜厚度(指湿生物膜厚度，下同)与处理效率之间的必然关系，揭示了生物流化床高处理效率的本质。
1 试验原理和 方法
当载体的材质和粒径确定以后，载体表面生物膜的厚度决定了载体颗粒在水中的沉降特性，从而决定了床层的膨胀高度[1]。另一方面，当载体的粒径和数量确定以后，生物膜的厚度决定了反应器中微生物的浓度，而微生物浓度与处理效率密切相关。因此，生物膜厚度是联系生物流化床流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数。在设计中，当已知污水的水质水量时，需要确定一个合适的生物膜厚度，使其能满足处理效率上的要求，由此再确定床层的膨胀高度。
载体表面所生长的生物膜一般由两部分组成：靠近载体表面的部分称为惰性生物层，这部分微生物由于难以获得食料，活性差，基本不参与生化反应;包裹于惰性层外面的叫活性生物层，有机污染物的去除主要依靠这一层中的微生物。液相主体中的基质通过水膜进入活性生物层并在该层内扩散的速率直接 影响 着生化反应的速率，也就影响了流化床的处理效率。Andrews认为[2]，在稳定状态下生物膜中不存在基质的累积，他假设生物膜为一平面薄膜并忽略液相传质阻力，这样
D(d2S/dω2)-r'=0 (1)
式中 D——基质在生物膜中的扩散系数
S——膜中基质的浓度
ω——距载体表面的距离
r'——单位体积生物膜消耗基质的速率
由此导出了生物膜中基质浓度分布的数学模型并得到如下结论：单位体积生物膜吸收基质的速率随生物膜厚度的增加，先增大后减小，其间存在最大值，最大吸收速率对应的生物膜厚为最佳膜厚。
直观上，当生物膜厚较小时，所有的生物膜都是活性的，这时生物膜量的增加当然会使处理效率增大。当膜厚增大到大于最佳膜厚时，尽管生物膜的总量仍在增大，但活性却降低很快，造成处理效率下降。由此可见，生物膜厚度并不是越大越好。在两相生物流化床中，一般是通过专门的脱膜设备来控制生物膜厚。由于膜厚决定了床层膨胀高度，在实际运转中，控制床层高度就达到了控制膜厚的目的。在三相床中，由于反应器内气泡的搅动，水力紊动剧烈，生物膜表面更新快，在进水浓度不是很高时，一般不需专门的脱膜设备，而是在反应器内设置沉淀区以去除剩余污泥。在这种情况下，床内稳定生物膜厚通常不会大于最佳膜厚。所谓稳定生物膜厚，是指生物膜的增长速率与内源呼吸、水力冲刷等因素造成的生物膜减少速率相等时的膜厚。
在试验中，用不同水质水量的原水得到不同的稳定膜厚，以考察处理效率与膜厚的关系。试验在直径为1.4 m、高6.5 m的工业装置上进行，采用射流曝气(图1)。载体为直径0.3～0.5 mm、体积质量2.63 g/cm3的石英砂，装填高度为0.6 m。床内表观液速0.954 cm/s，表观气速0.42 cm/s，回流水量为14.7 L/s。进水水量水质的改变是通过调节清水和污水的配比来实现的，水质变化由低浓度到高浓度。
试验中发现，当进水的水量水质改变以后(约需10 d)，床层的膨胀高度便稳定在固定值，说明这时生物膜的厚度也达到了稳定，所以选择各次试验的时间间隔为15 d左右。
生物膜厚度是通过带刻度的显微镜测量颗粒的直径而得到的[3]。从样品中随机选取50粒包裹了生物膜的载体，用显微镜测得每一粒的直径di，则平均粒径由下式 计算 ：
d=Σdi3/Σdi2 (2)
而生物膜厚度为：
δw=(dp-dm)/2 (3)
式中 dp——包裹了生物膜的载体的平均粒径
dm——石英砂载体的平均粒径
dp,dm用同样方法测定。
2 试验数据
试验结果见表1。需要说明的是，在计算表中各参数时，反应器的有效容积是指床层膨胀高度HB乘以床层截面积。表中微生物浓度X根据干生物膜的厚度和体积质量计算，而干生物膜是湿生物膜经滤纸吸干后 自然 风干2h得到的。
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日期
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1995-11-05
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1995-11-23
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1995-12-07
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1995-12-20
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湿生物膜厚δw(μm）
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52
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80
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115
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137
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进水流量Q（L/s）
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4.23
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6.35
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6.29
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5.08
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BOD5进水浓度（mg/L）
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47.6
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63.9
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70.0
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77.2
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BOD5出水浓度（mg/L）
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12.5
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18.6
|
17.6
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7.5
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BOD5去除率（%）
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74
|
71
|
75
|
90
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COD进水浓度（mg/L）
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102
|
130
|
140
|
152
|
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COD出水浓度（mg/L）
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29.3
|
29.3
|
52.3
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38.1
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COD去除率（%）
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71
|
77
|
63
|
75
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干生物膜厚度δd(μm）
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4.50
|
7.50
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10.5
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11.5
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干生物膜密度ρfd(g/cm3)
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1.44
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1.41
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1.46
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1.34
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床层膨胀高度HB（m）
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1.85
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2.59
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3.86
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4.80
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微生物浓度X（g/L）
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11.4
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16.2
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17.1
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14.1
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BOD5去除速率r(kg/d）
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12.8
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24.8
|
28.5
|
30.6
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容积负荷Fv[kg/m3.d)
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4.50
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6.25
|
4.80
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4.14
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污泥负荷Fs[kg/(kg.d)]
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0.395
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0.386
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0.281
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0.294
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回流比R（%）
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348
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231
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234
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289
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停留时间HRT（min）
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11
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10
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16
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24
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3 结论
① 三相生物流化床是一种高效的污水处理工艺
本试验中，污水流量为4.23～5.08 L/s，浓度为47.6～77.2 mgBOD5/L时，去除率达71%～90%，体积负荷4.14～6.25 kgBOD5/(m3·d)，且停留时间仅10～24 min。
② 污染物去除速率与膜厚的关系
从图2中看到，当膜厚δW增大时，反应速率r也增大，但当膜厚增大到140 μm左右时，反应速率不再增大，最高反应速率出现在膜厚为120～140 μm时。
③ 容积负荷与膜厚的关系
当膜厚δW<140 μm时，δW的增大导致了r和HB同时增大，但从图2可以清楚地看出，r和HB的增长率正好有相反的趋势，即r曲线是凸向的而HB曲线是凹向的，因此FV必然存在峰值，峰值出现在δW=90 μm时。当δW>90 μm时，FV开始急剧下降，尽管这时去除速率r仍在增大，但是显然其增大是以更大地增加反应器容积为代价的。因此，相对于去除速率而言膜厚达到最佳时(δW=130～150 μm)，从投资的角度讲却并不是最佳。综合这两方面，我们认为在本试验所用载体情况下，δW以90～110 μm为宜，对应的r不应超过30 kg/d。
事实上，限制膜厚也就限制了进水的水量水质。当进水水量较大、浓度较高时，应增大载体的粒径以减小床高，从而节省投资。对0.3～0.5 mm的石英砂载体，适用的进水水量不超过6.3 L/s(544 m3/d)，进水BOD5不超过75 mg/L，水量较小时可适当增大浓度，但应使r<30 kg/d为宜。
④ 微生物浓度和污泥负荷与膜厚的关系
当生物膜厚小于最佳膜厚时，生物膜的活性较高，这时用反应器中干生物膜的量来反映活性微生物的浓度是合理的。尽管随膜厚的增大床层中微生物的总量有所增加，但是同时床层的体积也因床高的增大而增大，因此在图3中，当生物膜厚增大到一定数值(100 μm左右)后，再继续增大δW则X反而下降。这里也可以看到膜厚宜选择在100μm左右。
与普通活性污泥法相比，三相生物流化床的容积负荷与污泥浓度均有较大提高，但换算成污泥负荷以后，却未见明显增大。这说明三相生物流化床中单位生物量分解有机物的能力并没有明显提高。可以说，三相生物流化床处理污水的高效性主要是由于反应器内具有较高的生物浓度所致，而流态化操作方式所创造的良好传质效果则是维持反应器内较高生化反应速率的必要条件。
参考 文献
1 潘涛等.三相生物流化床膨胀特性方程的 研究 .环境 科学 ，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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