三相生物流化床中生物膜厚度

三相生物流化床中生物膜厚度研究摘要：通過工業(yè)規(guī)模的三相生物流化床試驗(yàn)，探討了載體表面生物膜厚度與有機(jī)物去除速率、容積負(fù)荷及污泥濃度等傳統(tǒng)參數(shù)之間的必然聯(lián)系，證實(shí)了生物膜厚度是描述反應(yīng)器行為的關(guān)鍵參數(shù)，揭示了三相生物流化床高處理效率的實(shí)質(zhì)是微生物濃度高，并得出最佳膜厚為90～110μm。

關(guān)鍵字：污水處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年代才開始發(fā)展起來的一種新興污水好氧處理工藝。與其他生化處理工藝相比，高處理效率是其最具競爭力的特點(diǎn)。

本文在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過考察生物膜厚度(指濕生物膜厚度，下同)與處理效率之間的必然關(guān)系，揭示了生物流化床高處理效率的本質(zhì)。1試驗(yàn)原理和方法當(dāng)載體的材質(zhì)和粒徑確定以后，載體表面生物膜的厚度決定了載體顆粒在水中的沉降特性，從而決定了床層的膨脹高度［1］。另一方面，當(dāng)載體的粒徑和數(shù)量確定以后，生物膜的厚度決定了反應(yīng)器中微生物的濃度，而微生物濃度與處理效率密切相關(guān)。因此，生物膜厚度是聯(lián)系生物流化床流體力學(xué)特性和生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)已知污水的水質(zhì)水量時(shí)，需要確定一個(gè)合適的生物膜厚度，使其能滿足處理效率上的要求，由此再確定床層的膨脹高度。

載體表面所生長的生物膜一般由兩部分組成：靠近載體表面的部分稱為惰性生物層，這部分微生物由于難以獲得食料，活性差，基本不參與生化反應(yīng)；包裹于惰性層外面的叫活性生物層，有機(jī)污染物的去除主要依靠這一層中的微生物。液相主體中的基質(zhì)通過水膜進(jìn)入活性生物層并在該層內(nèi)擴(kuò)散的速率直接影響著生化反應(yīng)的速率，也就影響了流化床的處理效率。Andrews認(rèn)為［2］，在穩(wěn)定狀態(tài)下生物膜中不存在基質(zhì)的累積，他假設(shè)生物膜為一平面薄膜并忽略液相傳質(zhì)阻力，這樣D(d2S/dω2)-r＇=0(1)

式中D——基質(zhì)在生物膜中的擴(kuò)散系數(shù)

S——膜中基質(zhì)的濃度

ω——距載體表面的距離

r＇——單位體積生物膜消耗基質(zhì)的速率由此導(dǎo)出了生物膜中基質(zhì)濃度分布的數(shù)學(xué)模型并得到如下結(jié)論：單位體積生物膜吸收基質(zhì)的速率隨生物膜厚度的增加，先增大后減小，其間存在最大值，最大吸收速率對應(yīng)的生物膜厚為最佳膜厚。

直觀上，當(dāng)生物膜厚較小時(shí)，所有的生物膜都是活性的，這時(shí)生物膜量的增加當(dāng)然會(huì)使處理效率增大。當(dāng)膜厚增大到大于最佳膜厚時(shí)，盡管生物膜的總量仍在增大，但活性卻降低很快，造成處理效率下降。由此可見，生物膜厚度并不是越大越好。在兩相生物流化床中，一般是通過專門的脫膜設(shè)備來控制生物膜厚。由于膜厚決定了床層膨脹高度，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，控制床層高度就達(dá)到了控制膜厚的目的。在三相床中，由于反應(yīng)器內(nèi)氣泡的攪動(dòng)，水力紊動(dòng)劇烈，生物膜表面更新快，在進(jìn)水濃度不是很高時(shí)，一般不需專門的脫膜設(shè)備，而是在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置沉淀區(qū)以去除剩余污泥。在這種情況下，床內(nèi)穩(wěn)定生物膜厚通常不會(huì)大于最佳膜厚。所謂穩(wěn)定生物膜厚，是指生物膜的增長速率與內(nèi)源呼吸、水力沖刷等因素造成的生物膜減少速率相等時(shí)的膜厚。

在試驗(yàn)中，用不同水質(zhì)水量的原水得到不同的穩(wěn)定膜厚，以考察處理效率與膜厚的關(guān)系。試驗(yàn)在直徑為1.4m、高6.5m的工業(yè)裝置上進(jìn)行，采用射流曝氣(圖1)。載體為直徑0.3～0.5mm、體積質(zhì)量2.63g/cm3的石英砂，裝填高度為0.6m。床內(nèi)表觀液速0.954cm/s，表觀氣速0.42cm/s，回流水量為14.7L/s。進(jìn)水水量水質(zhì)的改變是通過調(diào)節(jié)清水和污水的配比來實(shí)現(xiàn)的，水質(zhì)變化由低濃度到高濃度。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水的水量水質(zhì)改變以后(約需10d)，床層的膨脹高度便穩(wěn)定在固定值，說明這時(shí)生物膜的厚度也達(dá)到了穩(wěn)定，所以選擇各次試驗(yàn)的時(shí)間間隔為15d左右。

生物膜厚度是通過帶刻度的顯微鏡測量顆粒的直徑而得到的［3］。從樣品中隨機(jī)選取50粒包裹了生物膜的載體，用顯微鏡測得每一粒的直徑di，則平均粒徑由下式計(jì)算：d=Σdi3/Σdi2(2)而生物膜厚度為：δw=(dp-dm)/2(3)

式中dp——包裹了生物膜的載體的平均粒徑

dm——石英砂載體的平均粒徑dp,dm用同樣方法測定。2試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果見表1。需要說明的是，在計(jì)算表中各參數(shù)時(shí)，反應(yīng)器的有效容積是指床層膨脹高度HB乘以床層截面積。表中微生物濃度X根據(jù)干生物膜的厚度和體積質(zhì)量計(jì)算，而干生物膜是濕生物膜經(jīng)濾紙吸干后自然風(fēng)干2h得到的。表1三相生物流化床處處理效率測試試日期1995-11--051995-11--231995-12--071995-12--20濕生物膜厚δw((μm）5280115137進(jìn)水流量Q（L//s）4.236.356.295.08BOD5進(jìn)水濃度度（mg/L）47.663.970.077.2BOD5出水濃度度（mg/L）12.518.617.67.5BOD5去除率（%）74717590COD進(jìn)水濃度（mg/L）102130140152COD出水濃度（mg/L）29.329.352.338.1COD去除率（%%）71776375干生物膜厚度δdd(μm）4.507.5010.511.5干生物膜密度ρffd(g/ccm3)1.441.411.461.34床層膨脹高度HBB（m）1.852.593.864.80微生物濃度X（gg/L）11.416.217.114.1BOD5去除速率率r(kg//d）12.824.828.530.6容積負(fù)荷Fv[kkg/m3.d)4.506.254.804.14污泥負(fù)荷Fs[kkg/(kgg.d)]0.3950.3860.2810.294回流比R（%）348231234289停留時(shí)間HRT（min）111016243結(jié)論①三相生物流化床是一種高效的污水處理工藝

本試驗(yàn)中，污水流量為4.23～5.08L/s，濃度為47.6～77.2mgBOD5/L時(shí)，去除率達(dá)71%～90%，體積負(fù)荷4.14～6.25kgBOD5/(m3·d)，且停留時(shí)間僅10～24min。

②污染物去除速率與膜厚的關(guān)系

從圖2中看到，當(dāng)膜厚δW增大時(shí)，反應(yīng)速率r也增大，但當(dāng)膜厚增大到140μm左右時(shí)，反應(yīng)速率不再增大，最高反應(yīng)速率出現(xiàn)在膜厚為120～140μm時(shí)。③容積負(fù)荷與膜厚的關(guān)系

當(dāng)膜厚δW<140μm時(shí)，δW的增大導(dǎo)致了r和HB同時(shí)增大，但從圖2可以清楚地看出，r和HB的增長率正好有相反的趨勢，即r曲線是凸向的而HB曲線是凹向的，因此FV必然存在峰值，峰值出現(xiàn)在δW=90μm時(shí)。當(dāng)δW>90μm時(shí)，F(xiàn)V開始急劇下降，盡管這時(shí)去除速率r仍在增大，但是顯然其增大是以更大地增加反應(yīng)器容積為代價(jià)的。因此，相對于去除速率而言膜厚達(dá)到最佳時(shí)(δW=130～150μm)，從投資的角度講卻并不是最佳。綜合這兩方面，我們認(rèn)為在本試驗(yàn)所用載體情況下，δW以90～110μm為宜，對應(yīng)的r不應(yīng)超過30kg/d。

事實(shí)上，限制膜厚也就限制了進(jìn)水的水量水質(zhì)。當(dāng)進(jìn)水水量較大、濃度較高時(shí)，應(yīng)增大載體的粒徑以減小床高，從而節(jié)省投資。對0.3～0.5mm的石英砂載體，適用的進(jìn)水水量不超過6.3L/s(544m3/d)，進(jìn)水BOD5不超過75mg/L，水量較小時(shí)可適當(dāng)增大濃度，但應(yīng)使r<30kg/d為宜。

④微生物濃度和污泥負(fù)荷與膜厚的關(guān)系

當(dāng)生物膜厚小于最佳膜厚時(shí)，生物膜的活性較高，這時(shí)用反應(yīng)器中干生物膜的量來反映活性微生物的濃度是合理的。盡管隨膜厚的增大床層中微生物的總量有所增加，但是同時(shí)床層的體積也因床高的增大而增大，因此在圖3中，當(dāng)生物膜厚增大到一定數(shù)值(100μm左右)后，再繼續(xù)增大δW則X反而下降。這里也可以看到膜厚宜選擇在100μm左右。與普通活性污泥法相比，三相生物流化床的容積負(fù)荷與污泥濃度均有較大提高，但換算成污泥負(fù)荷以后，卻未見明顯增大。這說明三相生物流化床中單位生物量分解有機(jī)物的能力并沒有明顯提高。可以說，三相生物流化床處理污水的高效性主要是由于反應(yīng)器內(nèi)具有較高的生物濃度所致，而流態(tài)化操作方式所創(chuàng)造的良好傳質(zhì)效果則是維持反應(yīng)器內(nèi)較高生化反應(yīng)速率的必要條件。參考文獻(xiàn)1潘濤等.三相生物流化床膨脹特性方程的研究.環(huán)境科學(xué)，1997；18(3)

2AndrewsG,TrapassoR.Theoptimaldesignoffluidiz