中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年　第19卷　第1期 Vol.19 No.1 1999



内循环三相生物流化床处理生活污水
郑礼胜　施汉昌　钱　易
摘要：对内循环三相生物流化床处理生活污水进行了中试研究,探讨了生物膜的形成和水力停留时间及供气量对处理效果的影响.结果表明：在气水比4：1、水力停留时间40min、进水COD150～1000mg/L条件下,平均COD去除率为89%、平均去除容积负荷为10.4kgCOD/m3.d,氧利用率为13%.
关键词：内循环三相生物流化床；生活污水；废水处理
中图分类号：X799 文献标识码：A 文章编号：1000- 6923(1999)01- 0051- 05
Domestic wastewater treatment using an inner loop three phase fluidized bed reactor.
ZHENG Li-sheng1 , SHI Han-chang2,QIAN Yi2 (1.Department of Applied Chemistry, Shandong Institute of Building Materials, Jinan 250022, China；2.Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science. 1999,19(1)：51～55
Abstract：A pilot scale experiment on the domestic wastewater treatment using an inner loop three phase fluidized bed reactor was presented in this paper. The formation of bio-film and effects of hydraulic retention time and volumetric gas rate on efficiency of wastewater treatment were studied. The results showed that the average COD removal rate , COD volumetric load and oxygen utilization rate were 89%,10.4 kg COD/m3.d and 13% respectively under the conditions of air/wastewater ratio 4:1, HRT 40 min and the influent COD concentration of 150～1000mg/L.
Key words：inner loop three phase biofluidized bed；domestic wastewater；wastewater treatment
　　内循环三相生物流化床是一类新型高效流化床反应器,近年来在反应器流态、氧转移、生物膜的形成等理论[1-5] 及应用[6,7]方面进行了深入研究,为内循环三相生物流化床的中试和放大至工业规模的研究奠定了必要的基础.本文利用内循环三相生物流化床中试装置,对处理生活污水进行了试验研究,取得了令人满意的结果.
1 主要设备、材料与方法
1.1 主要设备
　　内循环三相生物流化床包括内循环三相生物流化床中试装置（图1）.流化床总高度9.19 m,内外筒直径分别为0.4和0.6 m,内筒高度为7 m,反应区(A+B)体积为2m3,分离沉降区(C+D)体积为4m3,内筒底部微孔曝气装置由微孔钛板制成.
　　充氧设备 采用长春空压机厂生产的W-0.9/7型空气压缩机.
　　载体 选用北京陶粒厂生产的粒径为0.3～0.8 mm的陶粒.
　　溶解氧测定 采用YSI-58型溶解氧测定仪直接测定.

图1 内循环三相生物流化床示意
Fig. 1 Inner loop three phase fluidized bed reactor
A.升流筒 B.降流筒 C.脱气区 D.沉降区
1.2 污水水质
　　生活污水取自清华大学1号楼污水泵房,pH值为6.5～8.3,COD为150～1000 mg/L,SS为120～440mg/L.
1.3 处理方法
　　将内循环三相生物流化床充满生活污水后,加入载体200 kg,开启空气压缩机鼓入空气,待流化正常后,控制供气量为12m3/h、进水水量为1～4m3/h,使流化床连续运行.为分析和评价运行状况和处理效果,定时对进水和出水按标准方法进行监测,主要监测项目有CODCr、SS、VSS、NH3-N、DO.
2 结果与讨论
2.1 内循环三相生物流化床的工作原理
　　内循环三相生物流化床由反应区、脱气区和沉淀区组成.反应区由内筒和外筒两个同心圆柱体组成.微孔曝气装置设在内筒的底部.反应区内填充陶粒作为载体,为微生物生长和繁殖提供了很大的表面积,从而提高了单位容积内的生物量.当压缩空气由曝气装置释放进入内筒(升流筒)时,由于气体的推动作用和压缩空气在水中的裹夹与混合作用,使水与载体的混合液密度减小而向上流动,到达分离区顶部后以大气泡逸出,而含有小气泡的水与载体混合液则流入外筒(降流筒),由于外筒含气量相对减少导致密度增大,因此,混合液在内筒向上流,外筒向下流构成内循环,内、外筒混合液的密度差正是循环流化的动力.由于载体处于循环流化状态,从而大大加快了微生物和废水之间的相对运动,强化了传质作用,同时又可有效地控制生物膜的厚度,使其保持较高的生物活性,污水被处理后经沉降区分离沉降后通过出水堰排出.
2.2 生物膜的形成与分析
　　内循环三相生物流化床中生物膜的培养和形成是内循环三相生物流化床能否正常运行的关键.本研究选择在水力停留时间为1h、供气量为12m3/h的条件下直接曝气培养.经过2周的连续运行,由显微镜观察发现,生物膜逐渐长成至成熟,载体上有大量的钟虫、轮虫、丝状菌、草履虫和线虫等,成熟的生物膜呈黄色且透明,平均厚度在80m m左右,同时也获得了较为稳定的出水,表明挂膜成功.
　　在中试过程中内循环三相生物流化床载体表面的生物膜形成过程可分为以下3个阶段.
2.2.1 微生物附着于载体表面 陶粒是一种具有较强吸附能力的多孔物质,因此,生活污水中的微生物可迅速被陶粒吸附,使其附着于载体表面及内部孔隙.
2.2.2 附着于载体表面微生物生长增殖 被吸附于载体表面的微生物在好氧条件下附着繁殖,在载体的凹陷处由于气水的剪切作用小,更有利于附着生物量的繁殖.这种附着微生物的增殖逐渐向载体颗粒的整个表面扩展.因此在挂膜过程中,水流的剪切和载体之间的摩擦作用呈负影响,而载体表面的粗糙程度则呈正影响.
2.2.3 生物膜的形成 当附着的微生物繁殖扩展至整个载体表面时便形成初生生物膜,随着内循环三相生物流化床的运行不断增长变厚、脱落与更新而逐渐成熟.
　　内循环三相生物流化床的成膜时间为15d,总生物量为7.25g/L,附着生物量为3.75 g/L,悬浮生物量为3.5g/L,载体浓度为75g/L.
　　为考察测定结果的准确度,将载体实测浓度与计算值进行对照,按载体投加量200kg和循环流化区的体积(反应区和脱气区的体积之和)2.6m3计算载体的实际浓度为76.9kg/m3,表明测定值与计算值基本一致.
2.3 水力停留时间对处理效果的影响
　　在内循环三相生物流化床挂膜成功达到稳定运行后,探讨了水力停留时间对处理效果的影响.在水力停留时间分别为120、60、40、30min即进水水量分别为1、2、3、4m3/h的条件下连续运行,为获得可靠且稳定的结果,在每个水力停留时间下各自连续运行5d并测定出水COD值,测定结果见图2.图2表明,在水力停留时间为120～30min、COD为150～800mg/L范围内,COD去除率达75%以上,且大多在85%～90%范围,说明内循环三相生物流化床具有较强的处理能力,而且可在较短的水力停留时间条件下运行,这对提高流化床的处理能力极为有利.为保证有较好的处理效果,在处理生活污水的正常运行中控制水力停留时间为40 min即进水流量为3m3/h.

图2 水力停留时间对处理效果的影响
Fig. 2 Effect of HRT to efficiency
 去除率  HRT(min)
2.4 供气量对处理效果的影响
　　供气量的大小是影响处理效果的重要因素,要满足微生物的好氧呼吸,还要保证载体的正常流化.本研究载体加入量为200kg,由试验确定维持载体正常流化的最小供气量为10m3/h.在实际运行中发现当供气量达15m3/h时,沉降区有少量气泡上浮,而且随供气量的增加明显加强,势必导致出水悬浮物浓度偏大.为保证流化床正常运行和有较好的处理效果,在正常运行时选择供气量为12m3/h较为适宜,该供气量对应的气水比为4:1.
2.5 运行结果分析
2.5.1 COD的去除 内循环三相生物流化床进入正常运行后控制进水流量为3m3/h、供气量为12m3/h,运行结果见图3.由图3可以看出,在进水COD浓度为150～1000mg/L时,COD去除率均达75%以上,尤其是进水浓度较高时,去除率可达90%以上,表明内循环三相生物流化床具有较强的抗冲击能力和对高浓度废水处理的优越性,此特点是由于内循环三相流化床有着良好的混合流态和较强的充氧能力,使进水中高浓度有机物迅速得到充分地稀释与降解.根据对进、出水水质的连续测定结果统计,进水COD平均浓度为323mg/L,出水COD平均浓度为33.4mg/L,由此计算COD平均去除率为89.6%,以COD去除率为基础的容积负荷为10.4 kg COD/m3.d,以附着生物量计的污泥负荷为5.4kg COD/kg VSS. d,以流化床内总生物量计的污泥负荷为2.8 kgCOD/kgVSS. d,污泥龄为3.4d,污泥产率系数为0.21kgVSS/kgCOD.

图3 进、出水COD变化曲线及去除率
Fig.3 Concentration of COD and efficiency
 进水COD  出水COD  COD去除率
2.5.2 NH3-N的去除 内循环三相生物流化床对生活污水中的NH3-N也有一定的去除作用,运行结果见图4.由图4可知,当进水NH3-N浓度在10～15mg/L范围内去除率为36%～70%,平均为60%,NH3-N的去除是硝化作用与微生物同化作用的结果.

图4 进、出水NH3-N的变化及去除率
Fig.4 NH3-N concentration and efficiency
 进水NH3-N  出水NH3-N NH3-N去除率
2.5.3 氧利用率　在正常运行条件下,经测定出水溶解氧含量为　1.0～1.4mg/L,反应区溶解氧接近饱和,根据合成系数法并利用进、出水的平均浓度即可求出需氧量R：
 （1）
式中：A为降解每克COD的需氧量,取0.5;B为污泥自身氧化率,取0.15;Q为污水日处理量;So、Se分别为进、出水COD浓度;X为污泥浓度;V为循环区体积.
供氧量：G = Qg×21%×1.43 （2）
式中：Qg为日供气量；21%为空气中氧的体积分率；1.43为氧在标准状态下的容重.因此,根据有关试验数据,便可求出氧利用率：
 (3)
2.5.4 降低出水SS的建议 由于内循环三相生物流化床运行中载体之间的相互摩擦碰撞作用,可使较厚的生物膜不断脱落,从而保持了较高的生物活性.脱落的生物膜在沉降区逐渐聚集而形成一个相对稳定的污泥层,对新生成的污泥颗粒有着较强的吸附与拦截作用,可显著降低出水中的悬浮物浓度.当污泥层表面接近出水堰时则需排泥,污泥层的稳定程度取决于供气量的大小和供气量的稳定程度.在实际运行中对出水悬浮物浓度进行了测定,结果表明,内循环三相生物流化床的出水悬浮物浓度偏高,一般在25～120mg/L之间,平均值为60mg/L,使得出水COD值偏大.在对出水水质监测过程中,考察了出水静置沉淀时间对悬浮物浓度的影响,每次取200mL水样,静置不同时间后取100mL上清液测定悬浮物浓度,结果表明,在静置时间超过30min时,出水悬浮物浓度可达20mg/L以下.因此,建议处理装置后接一个沉淀池,这对提高出水水质十分有利.
2.6 流化床耗能分析
　　流化床的能耗来自于供水和供气.如前所述,由空压机提供的压缩空气不仅要满足微生物的好氧呼吸,而且要保证载体正常流化,因此对供气的能耗进行了分析计算.在正常运行条件下,根据下式[2]便可求出空气输入功率：
N = ρg H Q / 1000 (4) 
式中：ρ为反应区混合液密度(取1000 kg/m3)； g为重力加速度(9.8m/s2)；Q为供气量(m3/s)；N为空气输入功率(kW).代入有关数据即可求得空气输入功率为0.294kW.下面再按空压机进行估算,由空压机排出的压缩空气经贮气罐再送入流化床,空压机启动压力为0.3MPa,停机压力为0.5MPa,因此压缩空气按平均压力0.4Mpa计.流化床循环区高9m, 进口压力按0.1MPa计,那么贮气罐与流化床进口的空气压力差为0.3MPa,W-0.9/7型空压机的容积流量为0.9m3/min,则相当于0.1MPa的流量为2.7m3/min,而流化床所需的供气量仅为12m3/h即0.2 m3/min,因此,每小时内空压机只需开机0.2/2.7=0.074h即可.空压机配套的电动机功率为7.5kW,则相应的输出功率为:7.5×0.074=0.56kW,再根据3 m3/h的污水处理量即可求出每处理单位体积污水的耗电量为0.56/3=0.19 kWh/m3.而供水能耗可由所用水泵的配套电动机功率(1.1kW)求出,因此,每单位体积污水的供水耗电量为:1.1×1/3= 0.37 (kWh/m3).供水和供气的能耗之和即为流化床运行总能耗,所以,每处理单位体积污水的总耗电量为0.56 kWh/m3,按工业用电0.50元/kWh计,则每处理单位体积污水的费用为0.28元.由计算结果表明,内循环三相生物流化床的运行能耗不高于其它生物处理工艺.
3 结论
3.1 内循环三相生物流化床处理生活污水有良好的处理效果.当进水COD为150～1000 mg/L、气水比为4:1、水力停留时间为40min时,COD平均去除率高达89%,相应的COD去除容积负荷平均为10.4 kg COD/m3.d.
3.2 内循环三相生物流化床处理生活污水在启动运行时无须引进接种污泥可直接挂膜,操作方便、易于管理.
3.3 内循环三相生物流化床充氧能力强,氧利用率达13%.
3.4 内循环三相生物流化床有良好的混合流态且生物量浓度高,因而具有较强的抗冲击负荷能力,也适于较高浓度的有机废水的预处理.
3.5 内循环三相生物流化床是一种高效、低耗的生物反应器.
基金项目：环境模拟与污染控制国家重点联合实验室开放基金资助项目
作者简介：郑礼胜(1956-),男,山东章邱县人,山东建材学院应用化学系副教授,主要从事环境化学与水污染治理方面的教学与研究工作.发表论文40余篇.
作者单位：郑礼胜　山东建材学院应用化学系,山东 济南 250022；
　　　　　施汉昌　钱　易　清华大学环境科学与工程系,北京 100084
参考文献：
　[1]　周 平,钱 易.内循环三相生物流化床反应器的相含率及氧传递特性研究 [J].环境科学学报,1996,16(2):211- 215.
　[2]　R Ade Bello,Campbell W Robinson, Murray Moo-Young. Gas holdup and overall volumetric oxygen transfer coefficient in airlift contactors [J]. Biotechnology and Bioengineering, 1985, 27: 369- 381.
　[3]　William J McManamey D A,John Wase. Relationship between the volumetric mass transfer coefficient and gas holdup in airlift fermentors [J].Biotechnology and Bioengineering,1986,28:1446 - 1448.
　[4]　F trinet,R Heim,D Amar,et al.Study of biofilm and fluidization of bioparticles in a three-phase liquid-fluidized-bed reactor [J]. Wat. Sci. Tech., 1991, 23: 1347-1354.
　[5]　J J Heijnen, M C M van Loosdrecht, A Mulder,et al. Formation of biofilms in biofilm air-lift suspension reactor [J]. Wat. Sci. Tech., 1992, 26: 647- 654.
　[6]　J J Heijnen,M C M van Loosdrecht, R Mulder,et al. Developm-ent and scale-up an aerobic biofilm air-lift suspension reactor [J]. Wat. Sci. Tech.,1993, 27: 253- 261.
　[7]　J J Heijnen, A Mulder, R Weltevrede, et al. Large scale anaerobic-aerobic treatment of complex industrial wastewater using biofilm reactors [J]. Wat. Sci. Tech.,1991,23:1427- 1436
收稿日期：1998-03-09
