生物流化床綜述及研究進展
1. 前言
隨著人類文明進程的不斷深化，資源短缺問題日益凸顯，已經逐漸成為制約人類發展的瓶頸，被稱為生命之源的水資源尤甚，節水早已成為世界各國的普遍共識。生活污水、工業廢水的回收和重復利用是解決水資源短缺問題的行之有效的方法之一。20世紀后期至今以來，污水處理事業取得了長足的進步，污水處理大多采用生化法，其技術成熟、運行經濟可靠、處理能力強、出水水質好。國內、外的研究表明，在生化處理工藝中，生物流化床技術以其表面積巨大、傳質高效、污泥負荷和容積負荷高、抗沖擊能力強、生物活性好、占地面積少等優點成為近年來研究的熱點。
本文針對生物流化床污水處理技術的發展狀況，對其工藝進行簡要介紹，并總結其研究現狀，指出未來的研究方向，為生物流化床技術更大規模的工程應用創造條件。
2. 生物流化床工藝簡介
2.1 生物流化床的發展歷史
20世紀30年代最先有人提出在懸浮床、膨脹床或流化床中采用將活細胞固定在顆粒載體上的辦法來處理廢水的設想[1]。70年代繼流化床技術在化工領域廣泛應用之后，人們開始將其應用到廢水處理上[2]。1971年Robertl等人發現被活性炭吸附的廢水中的有機物大都能被微生物所分解。此后，美、英、日等國對生物流化床技術進行了大量的研究試驗工作。1973年美國Jeris Johns等人成功開發出用于去除BOD5和NH3-N的硝化處理的厭氧生物流化床技術，并申請了專利。1975年，美國Ecolotrol公司開發了HY-FIO生物流化床工藝，用于廢水的二、三級處理[3]。日本于70年代中期開始研究，它著眼于中小型工廠的廢水處理，采用空氣曝氣，裝置的構型和脫膜方式與歐美不同。1993年日本Hokkaido大學的學者報道了一種由顆粒流化床分離器、好氧生物濾床和薄膜過濾器組成的新型處理系統[4]。在工程實踐中，以好氧流化床降解含22種酚和氮雜環、芳香胺的廢水[5]，以純氧為氧源的生物流化床降解含多氯代酚的地下水[6-7]，生物流化床處理酵母廢水[8]，垃圾填埋場浸出液中難降解有機污染物的處理[9]，在顆粒活性炭流化床中2，4，6-三氯代酚的厭氧降解[10]，流化床生物膜反應器系統處理湖水中的藻類[11]等均取得了滿意的效果。
近年來，我國也對生物流化床進行了不少的試驗研究工作，在石化廢水[12]、印染廢水[13]、制藥廢水[14]等的試驗中均取得了良好的效果。
2.2生物流化床的作用機理
生物流化床以砂、活性炭、焦炭、陶粒、沸石、磁環、玻璃珠、多孔球以及橡膠粒等高分子聚合物等材料為載體，充填在床內，載體表面被覆著生物膜，其質變輕，污水以一定流速從下向上流動，使載體處于流化狀態。載體顆粒小，比表面積大，生物量大。載體處于流化狀態，污水從其下部、左、右側流過，廣泛而頻繁多次地與生物膜相接觸，同時載體顆粒之間互相磨擦碰撞而強化傳質過程和生物膜的活性，從而使污水中的有機物在生物膜的吸附降解作用下得以去除。
2.3生物流化床的工藝類型
傳統的生物流化床按照耗氧形式的不同可分為厭氧流化床、好氧流化床和兼氧流化床；好氧流化床按照床內物相的不同可分為二相流化床和三相流化床；好氧流化床按循環方式的不同又可分為內循環流化床和外循環流化床[15]。
為使生物流化床發展成為高效、低耗、連續處理大量廢水的新型反應器，國內外又研究開發了一些新型生物流化床反應器。如磁場生物流化床，厭氧—好氧復合式生物流化床，固定床—流化床生物反應器，好氧流化床—接觸氧化床復合反應器，厭氧甲烷發酵流化床膜反應器，三重環流生物流化床等等。
3.生物流化床的研究現狀
3.1生物載體研究
李探微等采用氣提式循環流化床反應器處理污水，對爐渣、焦碳、塑料顆粒進行了載體實驗比較。結果表明，塑料顆粒較易流化，但稍有流失；載體掛膜效果，焦碳略優于爐渣，塑料效果最差；有機物降解作用，焦碳、爐渣兩者的COD去處率相當，塑料效果最差。李探微等還考察了不同級配的載體對床內氧傳質的影響。結果表明，載體中投配部分大顆粒，有利于氧在水中的轉移；反應器條件不同，最佳顆粒尺寸級配也不相同。
蔡建安等發現，在氣升式流化床反應器中使用粗粒焦碳與細粒石英砂組成的混合載體來處理廢水，有良好的效果。與單一載體相比，不同粒徑級配的混合載體容積負荷高，不易流失，有利于載體掛膜和氧的轉移傳質，可降低曝氣能耗。
Edwards在研究生物流化床處理高濃度化工廢水時發現，顆粒活性炭流化床比以砂粒作載體的流化床具有更高的抗COD 沖擊負荷的能力，也能更迅速地啟動。
3.2 生物膜特性研究
Kargi等對生物流化床進行了理論分析，認為生物膜有一個最理想的厚度可以使廢水中污染物的去除效率最高。
周平等也對生物膜厚度對流化床反應器處理性能的影響進行了分析，發現載體生物膜較薄時，雖然膜內傳質阻力較小，但由于此時生物濃度也較低，故處理效果較差，出水濃度較高；而當載體生物膜較厚時，一方面由于膜內傳質阻力較大，另一方面由于為維持床高而排出的載體量過大，導致床內生物濃度下降，故處理效果也不好，出水濃度較高。
Ruggerit等以砂子和玻璃這兩種不同的載體來測定最佳生物膜活性的影響因素，結果發現生物膜活性受到液一固傳質及載體的粗糙性的強烈影響。
潘濤等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。
3.3高濃度、難降解有機廢水處理中的應用研究
鄭禮勝等[16]人在利用好氧生物流化床處理生活污水的中試中，平均去除COD容積負荷達10.4kg/（m3·d）。
王志盈等[17]報道，采用下向流內循環生物流化床反應器，在0.5~1.0mg/L溶解氧下，NH3-N由進水時的300mg/L降低至<20mg/L，去除率高達90%。
葉正芳等[18]用曝氣生物流化床對煤氣化廢水進行處理，研究發現，對平均值為COD 3450 mg/L、NH3—N 451 mg/L、揮發酚為177 mg/L的煤氣化廢水，經過ABFB處理后，其出水降為COD 57.7 mg/L、NH3-N 0.285 mg/L、揮發酚0.434 mg/L，其運行效果好、運行穩定、抗種擊負荷強是一種先進的永處理技術。
陳怡等[19]進行了曝氣生物流化床（ABFT）技術在氨氮廢水和高濃度有機廢水治理上的應用研究，結果表明，石油類、揮發酚、SS、COD、氨氮和硫化物的去除率分別達到77.8%、97.2%、66.77%、89.03%、99.9%、97.5%，有效地解決了含高濃度氨氮、硫化物、揮發酚等廢水的治理難題。
4.生物流化床的發展趨勢
生物流化床有比表面積大、微生物濃度高、容積負荷率和污泥負荷率高、傳質快、耐沖擊負荷能力強、凈化能力強等諸多優點。
隨著廢水處理技術的不斷發展，生物流化床在各種廢水處理上應用的也越來越廣泛，高效、低耗和處理難降解高濃度有機物廢水是生物流化床的發展方向之一。然而，在微污染水的處理方面，國內的研究尚處于起步階段，這也必將成為今后的一大研究趨勢。
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