生物流化床废水处理技术的应用

流化床反应器(Fluidizedbedreactors，FBR)是利用气体或液体通过粒状固体层使固体颗粒处于悬浮状态，实现载体流化的生物反应器。废水流经沸石、活性炭、多孔聚合物等载体，通过吸附和解吸去除有机污染物，从而实现污水净化。自20世纪70年代以来，特别是1990年以来，FBR进入快速发展期，发表了近2000篇科学论文。其中，FBR作为一种重要的废水处理技术被广泛应用。曼哈顿学院(纽约州)、俄亥俄州辛辛那提市环境研究实验室(MERL)、美国环境保护局和英国梅德梅纳姆水研究中心首次合作开发废水处理FBR技术。1980年，在英国曼切斯特举行的WRC/UMIST会议称赞FBR技术是过去50年中废水处理领域中最重要的进步之一。20世纪80年代初，美国第一台生产性流化床反应器在雷诺-斯帕克斯废水处理厂成功投入运行。

在接下来的10年里，通用汽车公司使用了12套由DorrOliver公司开发的有氧FBR工艺设备。与此同时，1982年，厌氧FBR在美国马斯卡廷的一家大豆蛋白工厂出现。1999年，DorrOliver提供了两个直径9m、高8.5m的反应塔，处理FBR法含酚量为1120kg/d的工业废水。从那时起，BiothaneB B. V .建立了几个二级厌氧FBR装置。基于FBR的ANAFLUX过程是由Derremont开发的。由于污泥浓度可高达30 ~ 90 kg/m3，表观上升液速可高达10m/h，气液传质速率高，使系统非常高效。

根据WEF实践手册和2010年ASCE报告，1999年建造的80多座生产性快堆中有三分之二用于工业废水处理。剩下的三分之一处理城市污水。Nicollela等人认为使用颗粒生物膜反应器是一种成熟的技术，有成熟的设计和放大准则。实验室中试工厂研究了FBR对各种废水的处理，可以使工厂在未来扩建或升级时达到更严格的排放标准。

目前，FBR系统已应用于各种废水的处理和处置。其主要优点如下:首先，通过提供固相和液相的高强度混合，可以大大降低传质限制；二是能提供微生物生长和富集的载体和介质。因此，FBR可以通过高底物负荷来富集生长缓慢的微生物。特别是对于处理含有有毒物质的废水，溶液在液相中的循环稀释了进水浓度，使其对细菌无毒，并为完全混合提供了条件。FBR系统的突出优点包括高污泥浓度、大的附着表面积、稀释的进水浓度可以降低毒峰的影响、较高的负荷和适用于各种处理系统的有效传质。

本文综述了FBR技术的新进展，包括FBR分离固体产物、下流式流化床、流化床与生物膜的结合、流化床与各种生物电化学系统的结合以及厌氧-好氧系统的联合利用，以期为这类高效系统的研究和开发提供参考。表1总结了FBR新技术的应用范围和加工优势。

1.FBR固体产品的分离

FBR-重力沉降一体化工艺是一种基于FBR的生物处理工艺，利用重力沉降器沉淀去除冶金废水中的铁离子或硫酸根。来自硫化物矿物加工的湿法冶金废水通常含有高浓度的铁离子和硫酸盐。因此，在生物浸出过程中，去除废水中的铁和硫酸盐是非常必要的。Kinnunen和Puhakka利用FBR实现了高效的生物铁氧化。之后，该工艺被用于生产铁浸出剂。坦佩勒技术大学开展的一体化生物铁氧化沉淀工艺是FBR促进铁浸出的首次研究。必须去除多余的铁和硫酸，以克服不必要的铁沉淀对其他环节的负面影响，如堵塞泵、阀门、管道等。同时，在强酸性条件下形成的黄钾铁矾也会对反应造成动力学障碍。如图1所示，集成系统由FBR和重力沉降器组成。

同样，集成系统也用于从模拟含砷废水中去除砷。通过研究pH 3.0 ~ 1.6对除砷效率和沉淀稳定性的影响，结果表明该系统具有去除生物淋滤废水和强酸性矿山废水中砷、铁和硫酸盐的潜力。

2.下行流化床:IFBR和ITBR。

传统的流化床反应器使用比重大于1且向上流化的载体材料。Nikolov和Karamanev讨论了理想生物膜反应器的特性，并在此基础上提出了一种用于生物膜研究的逆向流化床反应器(IFBR)。Nikolov和Karamanev根据气升原理开发的IFBR，内部有导流管，液体可以在反应器内循环，也可以通过从反应器底部到顶部循环液体来实现。另一种逆流是逆流逆流反应器(ITBR ),它利用甲烷从反应器顶部到底部的循环来实现床层膨胀。

逆流已应用于好氧和厌氧生物过程，如啤酒厂废水和葡萄酒厂废水的厌氧处理、硒酸盐生物还原、酸性硫酸盐和含金属废水、好氧淀粉废水、苯酚好氧生物降解和生物表面活性剂及青霉素生产等。

与传统的升流式流化床相比，降流式流化床的优点是反应器底部可用于沉淀。萨辛卡亚和京格尔提出，在下流式流化床中形成的金属硫化物可以通过沉淀从反应器底部的细胞中分离出来。然而，我们也发现，在上流式流化床反应器中使用电子供体还原硫酸盐的效率更高，而在下流式流化床反应器中则产生更多的甲烷。

3.流化床膜生物反应器

流化床膜生物反应器是将流化床与超滤/微滤膜相结合而形成的。结合传统活性污泥法和生物膜法的优点，通过向反应器中加入一定量的悬浮载体，可以增加反应器中的生物量和物种，提高生长缓慢的微生物的细胞停留时间，改善反应器性能。

Yoo等人采用小型分级厌氧FBMR处理生活污水。该工艺由两个独立的流化床反应器组成，第一阶段是传统的厌氧流化床，第二阶段是流化床反应器。反应器初步沉淀后的生活污水用作进水。颗粒活性炭(GAC)的流化作用可以减弱膜污染，在25℃、水力停留时间(HRT)为2.3h、连续运行192d的条件下，废水的化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)平均浓度分别为25mg/L和7mg/L。反应器中产生的甲烷生物质能大于实际能耗，具有很大的生产潜力。

在另一项研究中，Bae等人对单级厌氧FBMR和多级厌氧FBMR进行了比较(图2)，认为单级厌氧FBR可以替代多级厌氧FBR，以降低建设和运行成本。中试成功后，团队在中试中评估了不同温度(8 ~ 30℃)下多级厌氧FBMR处理生活污水的性能，出水COD和BOD浓度分别为23mg/L和7mg/L。在此过程中，仅需要0.23kWh/m3的运行功耗。Evans等人通过比较GAC载体与气相分散厌氧膜生物反应器(AnMBR)提出了一种新型复合式膜反应器(MBR ),它由一级GAC载体流化床生物反应器和二级含超滤膜的气相分散AnMBR组成。GAC载体流化床的优点是HRT可缩短65%,气相分散膜生物反应器中膜的性能更加稳定，使处理方法更加经济有效。

厌氧膜生物反应器在处理中低温城市生活污水方面具有优势。然而，膜污染已经成为限制该方法的实际问题。Duppenbecker等人将玻璃珠应用于FBMR陶瓷膜。由于玻璃珠具有良好的冲刷效果，可以显著减少膜污染。在本研究中，外置错流膜工艺也有助于改善操作条件。

在另一项研究中，高等发现，在35℃条件下，HRT对一体化厌氧流化床反应器处理生活污水的COD去除率有显著影响，在不同HRT下，8h、6h和4h的COD去除率分别为76%、74%和54%。许多研究表明，低温导致厌氧处理效果减弱。MBR工艺可以提供更好的处理效率，因为它可以降解厌氧过程中产生的更多的可溶性微生物代谢产物(SMPs)，并使它们在反应器中停留更长的时间。然而，在低温下，由膜污染引起的膜渗透率降低仍然是一个棘手的问题。为此，高等研究了中低温下一体化FBMR工艺处理生活污水。在35℃、25℃和15℃条件下，COD去除率分别为74%、67%和51%。因此，产甲烷活性分别为0.17、0.15和0.1L/(L.d)。HRT和膜通量分别保持恒定在6h和7.1LMH。

FBRs与MBR工艺相结合，可以同时去除废水中碳、氮、磷，满足日益严格的废水排放标准。Alemu等报道间歇曝气FBMR工艺能有效去除NH4+-N和COD (>: 98%)。近年来，许多学者在不同的生物反应器和不同的运行条件下研究了基于硫和硫代硫酸盐的自养反硝化过程。普通填料床生物反应器已被应用，但系统中存在传质阻力，可能导致脱氮率低。此外，有必要从填充床的流出物中除去落下的生物膜。在此背景下，张等采用含硫的流化床反应器克服传质阻力，提高出水水质。并添加甲醇或乙醇以发展硫自养反硝化过程来减少硫酸盐的形成。HRT为0.5h，FBMR(1.4-3.84g NO3-n/(L & # 8226；d)反硝化速率明显优于固定床生物反应器。

4.电化学生物流化床

除了膜生物反应器之外，流化床还与各种生物电化学系统相结合以改善其性能。BES是通过阴极和阳极连接电路，利用电场能量作为反应动力，利用电流和电压的变化来氧化或还原污染物的生物处理系统。有时，该系统还包含一个离子交换膜来分隔两极。根据是否需要外加电压，BES主要分为微生物燃料电池(MFC)和微生物电解池(MECs)。B-BES结合生物法具有成本低、电化学能量利用率高的特点，有利于难降解有机物的测定和自动控制处理。与传统的填充床生物电化学系统相比，FB-BESs可以减少堵塞，降低阻力，减小集电器体积。因此，大容量BESs可用于提高流化功率密度，促进高效排放，提高电流和电功率，增强化学需氧量去除和库仑效率。

黄等开发了一种双室厌氧流化床微生物燃料电池(MFC)，在酿酒废水处理过程中，利用阳极室内的流化床多孔聚合物载体进行发电。燃料电池的阳极和阴极由碳纤维纸制成，两个室由质子交换膜隔开。AFB-MFC的功率密度达到124mW/m2，去除了80% ~ 90%的化学需氧量。

Kong等人开发了一种使用空气阴极和GAC或粒状石墨作为流化床载体的单室AFB-MFC。石墨颗粒的较大功率密度(530mW/m2)高于GAC(410mW/m2)。刘等通过比较颗粒活性炭流化床(951±10mW/m2)、颗粒活性炭填充床(813±2mW/m2)和颗粒活性炭填充床(525±1mW/m2)的较高功率密度，证明了覆盖有生物膜的颗粒活性炭可用作电容器。基于此，他们提出了一种可在阳极室生物膜中快速充放电的可流动电极反应器。

图3和图4是普通流化床生物电化学系统的配置示例。

5.厌氧-好氧流化床

厌氧-好氧生物流化床由英国水研究中心开发，主要用于去除有机物和总氮。废水首先进入厌氧床，在厌氧床中，兼性细菌利用有机物作为电子供体，将硝酸盐还原为氮；而硝化反应在好氧床中完成。高效生物反应器的厌氧-好氧系统可以在较短的HRT下获得较高的COD去除率。Tavares等指出，在处理进水COD为180mg/L的模拟废水时，好氧流化床(AFB)可以在较短的HRT(30min)内达到较高的平均COD去除率(80%)，对于处理低浓度废水(COD 100 ~ 200 mg/L)具有很大的潜力。UASB和AFB组合的反应器系统具有较高的耐pH值、较少的污泥产量和稳定的COD去除能力，可有效处理中等浓度的工业废水。当处理中等浓度的模拟纺织废水(COD约为2700mg/L)时，HRT为14小时，COD去除率达到75%，污泥产量比好氧系统减少45%。但俞等指出，进入反应器的厌氧污泥(1g挥发性悬浮固体(VS)/L)会增加反应器中悬浮固体的浓度，降低好氧微生物的活性，在实际运行中应尽量减少进入反应器的厌氧污泥。

6.结论

近年来，国内外研究了FBR技术的新发展，主要包括:与重力沉降相结合，减少有害物质的负面影响；下流式流化床更有利于反应器底部的沉淀；FBR与生物膜结合改善污泥停留时间和反应器性能；FBR与各种生物电化学系统的结合可以提高其性能。厌氧-好氧组合系统可以在较短的水力停留时间内获得较高的COD去除率。(来源:杭州师范大学生命与环境科学学院)

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