生物流化床综述及研究进展
1. 前言
随着人类文明进程的不断深化，资源短缺问题日益凸显，已经逐渐成为制约人类发展的瓶颈，被称为生命之源的水资源尤甚，节水早已成为世界各国的普遍共识。生活污水、工业废水的回收和重复利用是解决水资源短缺问题的行之有效的方法之一。20世纪后期至今以来，污水处理事业取得了长足的进步，污水处理大多采用生化法，其技术成熟、运行经济可靠、处理能力强、出水水质好。国内、外的研究表明，在生化处理工艺中，生物流化床技术以其表面积巨大、传质高效、污泥负荷和容积负荷高、抗冲击能力强、生物活性好、占地面积少等优点成为近年来研究的热点。
本文针对生物流化床污水处理技术的发展状况，对其工艺进行简要介绍，并总结其研究现状，指出未来的研究方向，为生物流化床技术更大规模的工程应用创造条件。
2. 生物流化床工艺简介
2.1 生物流化床的发展历史
20世纪30年代最先有人提出在悬浮床、膨胀床或流化床中采用将活细胞固定在颗粒载体上的办法来处理废水的设想[1]。70年代继流化床技术在化工领域广泛应用之后，人们开始将其应用到废水处理上[2]。1971年Robertl等人发现被活性炭吸附的废水中的有机物大都能被微生物所分解。此后，美、英、日等国对生物流化床技术进行了大量的研究试验工作。1973年美国Jeris Johns等人成功开发出用于去除BOD5和NH3-N的硝化处理的厌氧生物流化床技术，并申请了专利。1975年，美国Ecolotrol公司开发了HY-FIO生物流化床工艺，用于废水的二、三级处理[3]。日本于70年代中期开始研究，它着眼于中小型工厂的废水处理，采用空气曝气，装置的构型和脱膜方式与欧美不同。1993年日本Hokkaido大学的学者报道了一种由颗粒流化床分离器、好氧生物滤床和薄膜过滤器组成的新型处理系统[4]。在工程实践中，以好氧流化床降解含22种酚和氮杂环、芳香胺的废水[5]，以纯氧为氧源的生物流化床降解含多氯代酚的地下水[6-7]，生物流化床处理酵母废水[8]，垃圾填埋场浸出液中难降解有机污染物的处理[9]，在颗粒活性炭流化床中2，4，6-三氯代酚的厌氧降解[10]，流化床生物膜反应器系统处理湖水中的藻类[11]等均取得了满意的效果。
近年来，我国也对生物流化床进行了不少的试验研究工作，在石化废水[12]、印染废水[13]、制药废水[14]等的试验中均取得了良好的效果。
2.2生物流化床的作用机理
生物流化床以砂、活性炭、焦炭、陶粒、沸石、磁环、玻璃珠、多孔球以及橡胶粒等高分子聚合物等材料为载体，充填在床内，载体表面被覆着生物膜，其质变轻，污水以一定流速从下向上流动，使载体处于流化状态。载体颗粒小，比表面积大，生物量大。载体处于流化状态，污水从其下部、左、右侧流过，广泛而频繁多次地与生物膜相接触，同时载体颗粒之间互相磨擦碰撞而强化传质过程和生物膜的活性，从而使污水中的有机物在生物膜的吸附降解作用下得以去除。
2.3生物流化床的工艺类型
传统的生物流化床按照耗氧形式的不同可分为厌氧流化床、好氧流化床和兼氧流化床；好氧流化床按照床内物相的不同可分为二相流化床和三相流化床；好氧流化床按循环方式的不同又可分为内循环流化床和外循环流化床[15]。
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。如磁场生物流化床，厌氧—好氧复合式生物流化床，固定床—流化床生物反应器，好氧流化床—接触氧化床复合反应器，厌氧甲烷发酵流化床膜反应器，三重环流生物流化床等等。
3.生物流化床的研究现状
3.1生物载体研究
李探微等采用气提式循环流化床反应器处理污水，对炉渣、焦碳、塑料颗粒进行了载体实验比较。结果表明，塑料颗粒较易流化，但稍有流失；载体挂膜效果，焦碳略优于炉渣，塑料效果最差；有机物降解作用，焦碳、炉渣两者的COD去处率相当，塑料效果最差。李探微等还考察了不同级配的载体对床内氧传质的影响。结果表明，载体中投配部分大颗粒，有利于氧在水中的转移；反应器条件不同，最佳颗粒尺寸级配也不相同。
蔡建安等发现，在气升式流化床反应器中使用粗粒焦碳与细粒石英砂组成的混合载体来处理废水，有良好的效果。与单一载体相比，不同粒径级配的混合载体容积负荷高，不易流失，有利于载体挂膜和氧的转移传质，可降低曝气能耗。
Edwards在研究生物流化床处理高浓度化工废水时发现，颗粒活性炭流化床比以砂粒作载体的流化床具有更高的抗COD 冲击负荷的能力，也能更迅速地启动。
3.2 生物膜特性研究
Kargi等对生物流化床进行了理论分析，认为生物膜有一个最理想的厚度可以使废水中污染物的去除效率最高。
周平等也对生物膜厚度对流化床反应器处理性能的影响进行了分析，发现载体生物膜较薄时，虽然膜内传质阻力较小，但由于此时生物浓度也较低，故处理效果较差，出水浓度较高；而当载体生物膜较厚时，一方面由于膜内传质阻力较大，另一方面由于为维持床高而排出的载体量过大，导致床内生物浓度下降，故处理效果也不好，出水浓度较高。
Ruggerit等以砂子和玻璃这两种不同的载体来测定最佳生物膜活性的影响因素，结果发现生物膜活性受到液一固传质及载体的粗糙性的强烈影响。
潘涛等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。
3.3高浓度、难降解有机废水处理中的应用研究
郑礼胜等[16]人在利用好氧生物流化床处理生活污水的中试中，平均去除COD容积负荷达10.4kg/（m3·d）。
王志盈等[17]报道，采用下向流内循环生物流化床反应器，在0.5~1.0mg/L溶解氧下，NH3-N由进水时的300mg/L降低至<20mg/L，去除率高达90%。
叶正芳等[18]用曝气生物流化床对煤气化废水进行处理，研究发现，对平均值为COD 3450 mg/L、NH3—N 451 mg/L、挥发酚为177 mg/L的煤气化废水，经过ABFB处理后，其出水降为COD 57.7 mg/L、NH3-N 0.285 mg/L、挥发酚0.434 mg/L，其运行效果好、运行稳定、抗种击负荷强是一种先进的永处理技术。
陈怡等[19]进行了曝气生物流化床（ABFT）技术在氨氮废水和高浓度有机废水治理上的应用研究，结果表明，石油类、挥发酚、SS、COD、氨氮和硫化物的去除率分别达到77.8%、97.2%、66.77%、89.03%、99.9%、97.5%，有效地解决了含高浓度氨氮、硫化物、挥发酚等废水的治理难题。
4.生物流化床的发展趋势
生物流化床有比表面积大、微生物浓度高、容积负荷率和污泥负荷率高、传质快、耐冲击负荷能力强、净化能力强等诸多优点。
随着废水处理技术的不断发展，生物流化床在各种废水处理上应用的也越来越广泛，高效、低耗和处理难降解高浓度有机物废水是生物流化床的发展方向之一。然而，在微污染水的处理方面，国内的研究尚处于起步阶段，这也必将成为今后的一大研究趋势。
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