生物流化床廢水處理技術(shù)的應(yīng)用
流化床反應(yīng)器(Fluidizedbedreactors，F(xiàn)BR)是利用氣體或液體通過(guò)粒狀固體層使固體顆粒處于懸浮狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)載體流化的生物反應(yīng)器。廢水流經(jīng)沸石、活性炭、多孔聚合物等載體，通過(guò)吸附和解吸去除有機(jī)污染物，從而實(shí)現(xiàn)污水凈化。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，特別是1990年以來(lái)，F(xiàn)BR進(jìn)入快速發(fā)展期，發(fā)表了近2000篇科學(xué)論文。其中，F(xiàn)BR作為一種重要的廢水處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用。曼哈頓學(xué)院(紐約州)、俄亥俄州辛辛那提市環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室(MERL)、美國(guó)環(huán)境保護(hù)局和英國(guó)梅德梅納姆水研究中心首次合作開(kāi)發(fā)廢水處理FBR技術(shù)。1980年，在英國(guó)曼切斯特舉行的WRC/UMIST會(huì)議稱贊FBR技術(shù)是過(guò)去50年中廢水處理領(lǐng)域中最重要的進(jìn)步之一。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)第一臺(tái)生產(chǎn)性流化床反應(yīng)器在雷諾-斯帕克斯廢水處理廠成功投入運(yùn)行。
在接下來(lái)的10年里，通用汽車公司使用了12套由DorrOliver公司開(kāi)發(fā)的有氧FBR工藝設(shè)備。與此同時(shí)，1982年，厭氧FBR在美國(guó)馬斯卡廷的一家大豆蛋白工廠出現(xiàn)。1999年，DorrOliver提供了兩個(gè)直徑9m、高8.5m的反應(yīng)塔，處理FBR法含酚量為1120kg/d的工業(yè)廢水。從那時(shí)起，BiothaneB B. V .建立了幾個(gè)二級(jí)厭氧FBR裝置?；贔BR的ANAFLUX過(guò)程是由Derremont開(kāi)發(fā)的。由于污泥濃度可高達(dá)30 ~ 90 kg/m3，表觀上升液速可高達(dá)10m/h，氣液傳質(zhì)速率高，使系統(tǒng)非常高效。
根據(jù)WEF實(shí)踐手冊(cè)和2010年ASCE報(bào)告，1999年建造的80多座生產(chǎn)性快堆中有三分之二用于工業(yè)廢水處理。剩下的三分之一處理城市污水。Nicollela等人認(rèn)為使用顆粒生物膜反應(yīng)器是一種成熟的技術(shù)，有成熟的設(shè)計(jì)和放大準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)室中試工廠研究了FBR對(duì)各種廢水的處理，可以使工廠在未來(lái)擴(kuò)建或升級(jí)時(shí)達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。
目前，F(xiàn)BR系統(tǒng)已應(yīng)用于各種廢水的處理和處置。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:首先，通過(guò)提供固相和液相的高強(qiáng)度混合，可以大大降低傳質(zhì)限制；二是能提供微生物生長(zhǎng)和富集的載體和介質(zhì)。因此，F(xiàn)BR可以通過(guò)高底物負(fù)荷來(lái)富集生長(zhǎng)緩慢的微生物。特別是對(duì)于處理含有有毒物質(zhì)的廢水，溶液在液相中的循環(huán)稀釋了進(jìn)水濃度，使其對(duì)細(xì)菌無(wú)毒，并為完全混合提供了條件。FBR系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)包括高污泥濃度、大的附著表面積、稀釋的進(jìn)水濃度可以降低毒峰的影響、較高的負(fù)荷和適用于各種處理系統(tǒng)的有效傳質(zhì)。
本文綜述了FBR技術(shù)的新進(jìn)展，包括FBR分離固體產(chǎn)物、下流式流化床、流化床與生物膜的結(jié)合、流化床與各種生物電化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)合以及厭氧-好氧系統(tǒng)的聯(lián)合利用，以期為這類高效系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)提供參考。表1總結(jié)了FBR新技術(shù)的應(yīng)用范圍和加工優(yōu)勢(shì)。
1.FBR固體產(chǎn)品的分離
FBR-重力沉降一體化工藝是一種基于FBR的生物處理工藝，利用重力沉降器沉淀去除冶金廢水中的鐵離子或硫酸根。來(lái)自硫化物礦物加工的濕法冶金廢水通常含有高濃度的鐵離子和硫酸鹽。因此，在生物浸出過(guò)程中，去除廢水中的鐵和硫酸鹽是非常必要的。Kinnunen和Puhakka利用FBR實(shí)現(xiàn)了高效的生物鐵氧化。之后，該工藝被用于生產(chǎn)鐵浸出劑。坦佩勒技術(shù)大學(xué)開(kāi)展的一體化生物鐵氧化沉淀工藝是FBR促進(jìn)鐵浸出的首次研究。必須去除多余的鐵和硫酸，以克服不必要的鐵沉淀對(duì)其他環(huán)節(jié)的負(fù)面影響，如堵塞泵、閥門、管道等。同時(shí)，在強(qiáng)酸性條件下形成的黃鉀鐵礬也會(huì)對(duì)反應(yīng)造成動(dòng)力學(xué)障礙。如圖1所示，集成系統(tǒng)由FBR和重力沉降器組成。
同樣，集成系統(tǒng)也用于從模擬含砷廢水中去除砷。通過(guò)研究pH 3.0 ~ 1.6對(duì)除砷效率和沉淀穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有去除生物淋濾廢水和強(qiáng)酸性礦山廢水中砷、鐵和硫酸鹽的潛力。
2.下行流化床:IFBR和ITBR。
傳統(tǒng)的流化床反應(yīng)器使用比重大于1且向上流化的載體材料。Nikolov和Karamanev討論了理想生物膜反應(yīng)器的特性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種用于生物膜研究的逆向流化床反應(yīng)器(IFBR)。Nikolov和Karamanev根據(jù)氣升原理開(kāi)發(fā)的IFBR，內(nèi)部有導(dǎo)流管，液體可以在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，也可以通過(guò)從反應(yīng)器底部到頂部循環(huán)液體來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種逆流是逆流逆流反應(yīng)器(ITBR ),它利用甲烷從反應(yīng)器頂部到底部的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)床層膨脹。
逆流已應(yīng)用于好氧和厭氧生物過(guò)程，如啤酒廠廢水和葡萄酒廠廢水的厭氧處理、硒酸鹽生物還原、酸性硫酸鹽和含金屬?gòu)U水、好氧淀粉廢水、苯酚好氧生物降解和生物表面活性劑及青霉素生產(chǎn)等。
與傳統(tǒng)的升流式流化床相比，降流式流化床的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器底部可用于沉淀。薩辛卡亞和京格爾提出，在下流式流化床中形成的金屬硫化物可以通過(guò)沉淀從反應(yīng)器底部的細(xì)胞中分離出來(lái)。然而，我們也發(fā)現(xiàn)，在上流式流化床反應(yīng)器中使用電子供體還原硫酸鹽的效率更高，而在下流式流化床反應(yīng)器中則產(chǎn)生更多的甲烷。
3.流化床膜生物反應(yīng)器
流化床膜生物反應(yīng)器是將流化床與超濾/微濾膜相結(jié)合而形成的。結(jié)合傳統(tǒng)活性污泥法和生物膜法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)向反應(yīng)器中加入一定量的懸浮載體，可以增加反應(yīng)器中的生物量和物種，提高生長(zhǎng)緩慢的微生物的細(xì)胞停留時(shí)間，改善反應(yīng)器性能。
Yoo等人采用小型分級(jí)厭氧FBMR處理生活污水。該工藝由兩個(gè)獨(dú)立的流化床反應(yīng)器組成，第一階段是傳統(tǒng)的厭氧流化床，第二階段是流化床反應(yīng)器。反應(yīng)器初步沉淀后的生活污水用作進(jìn)水。顆?；钚蕴?GAC)的流化作用可以減弱膜污染，在25℃、水力停留時(shí)間(HRT)為2.3h、連續(xù)運(yùn)行192d的條件下，廢水的化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)平均濃度分別為25mg/L和7mg/L。反應(yīng)器中產(chǎn)生的甲烷生物質(zhì)能大于實(shí)際能耗，具有很大的生產(chǎn)潛力。
在另一項(xiàng)研究中，Bae等人對(duì)單級(jí)厭氧FBMR和多級(jí)厭氧FBMR進(jìn)行了比較(圖2)，認(rèn)為單級(jí)厭氧FBR可以替代多級(jí)厭氧FBR，以降低建設(shè)和運(yùn)行成本。中試成功后，團(tuán)隊(duì)在中試中評(píng)估了不同溫度(8 ~ 30℃)下多級(jí)厭氧FBMR處理生活污水的性能，出水COD和BOD濃度分別為23mg/L和7mg/L。在此過(guò)程中，僅需要0.23kWh/m3的運(yùn)行功耗。Evans等人通過(guò)比較GAC載體與氣相分散厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)提出了一種新型復(fù)合式膜反應(yīng)器(MBR ),它由一級(jí)GAC載體流化床生物反應(yīng)器和二級(jí)含超濾膜的氣相分散AnMBR組成。GAC載體流化床的優(yōu)點(diǎn)是HRT可縮短65%,氣相分散膜生物反應(yīng)器中膜的性能更加穩(wěn)定，使處理方法更加經(jīng)濟(jì)有效。
厭氧膜生物反應(yīng)器在處理中低溫城市生活污水方面具有優(yōu)勢(shì)。然而，膜污染已經(jīng)成為限制該方法的實(shí)際問(wèn)題。Duppenbecker等人將玻璃珠應(yīng)用于FBMR陶瓷膜。由于玻璃珠具有良好的沖刷效果，可以顯著減少膜污染。在本研究中，外置錯(cuò)流膜工藝也有助于改善操作條件。
在另一項(xiàng)研究中，高等發(fā)現(xiàn)，在35℃條件下，HRT對(duì)一體化厭氧流化床反應(yīng)器處理生活污水的COD去除率有顯著影響，在不同HRT下，8h、6h和4h的COD去除率分別為76%、74%和54%。許多研究表明，低溫導(dǎo)致厭氧處理效果減弱。MBR工藝可以提供更好的處理效率，因?yàn)樗梢越到鈪捬踹^(guò)程中產(chǎn)生的更多的可溶性微生物代謝產(chǎn)物(SMPs)，并使它們?cè)诜磻?yīng)器中停留更長(zhǎng)的時(shí)間。然而，在低溫下，由膜污染引起的膜滲透率降低仍然是一個(gè)棘手的問(wèn)題。為此，高等研究了中低溫下一體化FBMR工藝處理生活污水。在35℃、25℃和15℃條件下，COD去除率分別為74%、67%和51%。因此，產(chǎn)甲烷活性分別為0.17、0.15和0.1L/(L.d)。HRT和膜通量分別保持恒定在6h和7.1LMH。
FBRs與MBR工藝相結(jié)合，可以同時(shí)去除廢水中碳、氮、磷，滿足日益嚴(yán)格的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。Alemu等報(bào)道間歇曝氣FBMR工藝能有效去除NH4+-N和COD (>: 98%)。近年來(lái)，許多學(xué)者在不同的生物反應(yīng)器和不同的運(yùn)行條件下研究了基于硫和硫代硫酸鹽的自養(yǎng)反硝化過(guò)程。普通填料床生物反應(yīng)器已被應(yīng)用，但系統(tǒng)中存在傳質(zhì)阻力，可能導(dǎo)致脫氮率低。此外，有必要從填充床的流出物中除去落下的生物膜。在此背景下，張等采用含硫的流化床反應(yīng)器克服傳質(zhì)阻力，提高出水水質(zhì)。并添加甲醇或乙醇以發(fā)展硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程來(lái)減少硫酸鹽的形成。HRT為0.5h，F(xiàn)BMR(1.4-3.84g NO3-n/(L & # 8226；d)反硝化速率明顯優(yōu)于固定床生物反應(yīng)器。
4.電化學(xué)生物流化床
除了膜生物反應(yīng)器之外，流化床還與各種生物電化學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合以改善其性能。BES是通過(guò)陰極和陽(yáng)極連接電路，利用電場(chǎng)能量作為反應(yīng)動(dòng)力，利用電流和電壓的變化來(lái)氧化或還原污染物的生物處理系統(tǒng)。有時(shí)，該系統(tǒng)還包含一個(gè)離子交換膜來(lái)分隔兩極。根據(jù)是否需要外加電壓，BES主要分為微生物燃料電池(MFC)和微生物電解池(MECs)。B-BES結(jié)合生物法具有成本低、電化學(xué)能量利用率高的特點(diǎn)，有利于難降解有機(jī)物的測(cè)定和自動(dòng)控制處理。與傳統(tǒng)的填充床生物電化學(xué)系統(tǒng)相比，F(xiàn)B-BESs可以減少堵塞，降低阻力，減小集電器體積。因此，大容量BESs可用于提高流化功率密度，促進(jìn)高效排放，提高電流和電功率，增強(qiáng)化學(xué)需氧量去除和庫(kù)侖效率。
黃等開(kāi)發(fā)了一種雙室厭氧流化床微生物燃料電池(MFC)，在釀酒廢水處理過(guò)程中，利用陽(yáng)極室內(nèi)的流化床多孔聚合物載體進(jìn)行發(fā)電。燃料電池的陽(yáng)極和陰極由碳纖維紙制成，兩個(gè)室由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)。AFB-MFC的功率密度達(dá)到124mW/m2，去除了80% ~ 90%的化學(xué)需氧量。
Kong等人開(kāi)發(fā)了一種使用空氣陰極和GAC或粒狀石墨作為流化床載體的單室AFB-MFC。石墨顆粒的較大功率密度(530mW/m2)高于GAC(410mW/m2)。劉等通過(guò)比較顆粒活性炭流化床(951±10mW/m2)、顆粒活性炭填充床(813±2mW/m2)和顆?；钚蕴刻畛浯?525±1mW/m2)的較高功率密度，證明了覆蓋有生物膜的顆?；钚蕴靠捎米麟娙萜??；诖?，他們提出了一種可在陽(yáng)極室生物膜中快速充放電的可流動(dòng)電極反應(yīng)器。
圖3和圖4是普通流化床生物電化學(xué)系統(tǒng)的配置示例。
5.厭氧-好氧流化床
厭氧-好氧生物流化床由英國(guó)水研究中心開(kāi)發(fā)，主要用于去除有機(jī)物和總氮。廢水首先進(jìn)入?yún)捬醮?，在厭氧床中，兼性?xì)菌利用有機(jī)物作為電子供體，將硝酸鹽還原為氮；而硝化反應(yīng)在好氧床中完成。高效生物反應(yīng)器的厭氧-好氧系統(tǒng)可以在較短的HRT下獲得較高的COD去除率。Tavares等指出，在處理進(jìn)水COD為180mg/L的模擬廢水時(shí)，好氧流化床(AFB)可以在較短的HRT(30min)內(nèi)達(dá)到較高的平均COD去除率(80%)，對(duì)于處理低濃度廢水(COD 100 ~ 200 mg/L)具有很大的潛力。UASB和AFB組合的反應(yīng)器系統(tǒng)具有較高的耐pH值、較少的污泥產(chǎn)量和穩(wěn)定的COD去除能力，可有效處理中等濃度的工業(yè)廢水。當(dāng)處理中等濃度的模擬紡織廢水(COD約為2700mg/L)時(shí)，HRT為14小時(shí)，COD去除率達(dá)到75%，污泥產(chǎn)量比好氧系統(tǒng)減少45%。但俞等指出，進(jìn)入反應(yīng)器的厭氧污泥(1g揮發(fā)性懸浮固體(VS)/L)會(huì)增加反應(yīng)器中懸浮固體的濃度，降低好氧微生物的活性，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量減少進(jìn)入反應(yīng)器的厭氧污泥。
6.結(jié)論
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究了FBR技術(shù)的新發(fā)展，主要包括:與重力沉降相結(jié)合，減少有害物質(zhì)的負(fù)面影響；下流式流化床更有利于反應(yīng)器底部的沉淀；FBR與生物膜結(jié)合改善污泥停留時(shí)間和反應(yīng)器性能；FBR與各種生物電化學(xué)系統(tǒng)的結(jié)合可以提高其性能。厭氧-好氧組合系統(tǒng)可以在較短的水力停留時(shí)間內(nèi)獲得較高的COD去除率。(來(lái)源:杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院)
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