三相生物流化床中生物膜厚度研究
摘要：通過 工業 規模的三相生物流化床試驗，探討了載體表面生物膜厚度與有機物去除速率、容積負荷及污泥濃度等傳統參數之間的必然聯系，證實了生物膜厚度是描述反應器行為的關鍵參數，揭示了三相生物流化床高處理效率的實質是微生物濃度高，并得出最佳膜厚為90～110μm。
關鍵詞：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。
本文在現場試驗的基礎上，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系，揭示了生物流化床高處理效率的本質。
1 試驗原理和 方法
當載體的材質和粒徑確定以后，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，當載體的粒徑和數量確定以后，生物膜的厚度決定了反應器中微生物的濃度，而微生物濃度與處理效率密切相關。因此，生物膜厚度是聯系生物流化床流體力學特性和生化反應動力學特性的關鍵參數。在設計中，當已知污水的水質水量時，需要確定一個合適的生物膜厚度，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;包裹于惰性層外面的叫活性生物層，有機污染物的去除主要依靠這一層中的微生物。液相主體中的基質通過水膜進入活性生物層并在該層內擴散的速率直接 影響 著生化反應的速率，也就影響了流化床的處理效率。Andrews認為[2]，在穩定狀態下生物膜中不存在基質的累積，他假設生物膜為一平面薄膜并忽略液相傳質阻力，這樣
D(d2S/dω2)-r'=0 (1)
式中 D——基質在生物膜中的擴散系數
S——膜中基質的濃度
ω——距載體表面的距離
r'——單位體積生物膜消耗基質的速率
由此導出了生物膜中基質濃度分布的數學模型并得到如下結論：單位體積生物膜吸收基質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，最大吸收速率對應的生物膜厚為最佳膜厚。
直觀上，當生物膜厚較小時，所有的生物膜都是活性的，這時生物膜量的增加當然會使處理效率增大。當膜厚增大到大于最佳膜厚時，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備來控制生物膜厚。由于膜厚決定了床層膨脹高度，在實際運轉中，控制床層高度就達到了控制膜厚的目的。在三相床中，由于反應器內氣泡的攪動，水力紊動劇烈，生物膜表面更新快，在進水濃度不是很高時，一般不需專門的脫膜設備，而是在反應器內設置沉淀區以去除剩余污泥。在這種情況下，床內穩定生物膜厚通常不會大于最佳膜厚。所謂穩定生物膜厚，是指生物膜的增長速率與內源呼吸、水力沖刷等因素造成的生物膜減少速率相等時的膜厚。
在試驗中，用不同水質水量的原水得到不同的穩定膜厚，以考察處理效率與膜厚的關系。試驗在直徑為1.4 m、高6.5 m的工業裝置上進行，采用射流曝氣(圖1)。載體為直徑0.3～0.5 mm、體積質量2.63 g/cm3的石英砂，裝填高度為0.6 m。床內表觀液速0.954 cm/s，表觀氣速0.42 cm/s，回流水量為14.7 L/s。進水水量水質的改變是通過調節清水和污水的配比來實現的，水質變化由低濃度到高濃度。
試驗中發現，當進水的水量水質改變以后(約需10 d)，床層的膨脹高度便穩定在固定值，說明這時生物膜的厚度也達到了穩定，所以選擇各次試驗的時間間隔為15 d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 試驗數據
試驗結果見表1。需要說明的是，在計算表中各參數時，反應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根據干生物膜的厚度和體積質量計算，而干生物膜是濕生物膜經濾紙吸干后 自然 風干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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濕生物膜厚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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進水流量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進水濃度（mg/L）
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47.6
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63.9
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70.0
|
77.2
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BOD5出水濃度（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
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71
|
75
|
90
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COD進水濃度（mg/L）
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102
|
130
|
140
|
152
|
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COD出水濃度（mg/L）
|
29.3
|
29.3
|
52.3
|
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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床層膨脹高度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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微生物濃度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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容積負荷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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污泥負荷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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停留時間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 結論
① 三相生物流化床是一種高效的污水處理工藝
本試驗中，污水流量為4.23～5.08 L/s，濃度為47.6～77.2 mgBOD5/L時，去除率達71%～90%，體積負荷4.14～6.25 kgBOD5/(m3·d)，且停留時間僅10～24 min。
② 污染物去除速率與膜厚的關系
從圖2中看到，當膜厚δW增大時，反應速率r也增大，但當膜厚增大到140 μm左右時，反應速率不再增大，最高反應速率出現在膜厚為120～140 μm時。
③ 容積負荷與膜厚的關系
當膜厚δW<140 μm時，δW的增大導致了r和HB同時增大，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，峰值出現在δW=90 μm時。當δW>90 μm時，FV開始急劇下降，盡管這時去除速率r仍在增大，但是顯然其增大是以更大地增加反應器容積為代價的。因此，相對于去除速率而言膜厚達到最佳時(δW=130～150 μm)，從投資的角度講卻并不是最佳。綜合這兩方面，我們認為在本試驗所用載體情況下，δW以90～110 μm為宜，對應的r不應超過30 kg/d。
事實上，限制膜厚也就限制了進水的水量水質。當進水水量較大、濃度較高時，應增大載體的粒徑以減小床高，從而節省投資。對0.3～0.5 mm的石英砂載體，適用的進水水量不超過6.3 L/s(544 m3/d)，進水BOD5不超過75 mg/L，水量較小時可適當增大濃度，但應使r<30 kg/d為宜。
④ 微生物濃度和污泥負荷與膜厚的關系
當生物膜厚小于最佳膜厚時，生物膜的活性較高，這時用反應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，但是同時床層的體積也因床高的增大而增大，因此在圖3中，當生物膜厚增大到一定數值(100 μm左右)后，再繼續增大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荷與污泥濃度均有較大提高，但換算成污泥負荷以后，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器內具有較高的生物濃度所致，而流態化操作方式所創造的良好傳質效果則是維持反應器內較高生化反應速率的必要條件。
參考 文獻
1 潘濤等.三相生物流化床膨脹特性方程的 研究 .環境 科學 ，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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