龔云華¹，高廷耀²，周增炎²
（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

　　摘　要：通過(guò)對(duì)中試規(guī)模的浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理混合化工廢水的試驗(yàn)研究，探討了水力停留時(shí)間、污泥負(fù)荷、溫度等對(duì)反應(yīng)器處理性能與效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：水力停留時(shí)間在13.4h，14.4h，15.6h，17h時(shí)CODcr的平均去除率分別為74％，77％，77％，81％：污泥負(fù)荷范圍在0.17～0.77kg[BOD5]/（kg［MLSS］·d內(nèi)，BOD5去除率先是上升趨勢(shì)，而后呈下降趨勢(shì)；水溫在8～10℃時(shí)，水力停留時(shí)間為117～15h，CODcr去除效率在57.7％～65.8％之間，BOD5去除率在76.3％～85.4％之間.
　　關(guān)鍵詞：化工廢水；廢水處理；浮動(dòng)床；生物膜反應(yīng)器；懸浮填料
　　中圖分類號(hào)：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2003）01－0005－04

A Test of Operating Parameters of An Aerobic Floating-Bed Biomembrane Reactor
GONG Yun-hua¹, GAO Ting-yao², ZHOU Zeng-yan²
(1. Shanghai Municipal Engineering Design Institute, Shanghai 200092, China; 2.School of Environmental Science and Engineering, Tongi University, Shanghai 200092, China)

　　Abstract: A pilot test of floating-bed biomembrane reactor for the treatment of mixed chemical wastewater was carried out to study the effects of HRT, sludge loading rate and temperature on the treatment performance of the reactor and the results of the treatment. The results showed that when the HRT was 13. 4 hrs, 14.4 hrs, 15.6 hrs and 17.0 hrs, the average removal rate of CODcr, was 74%, 77%, 77% and 81% respectively；when the sludge loading rate was within the range of 0.17～0.77kg[BOD₅]/(kg[MLSS].d), the removal rate of BOD₅ tended to increase first and to decrease then; and when the water temperature was 8℃～10℃ and the HRT was 11.7 hrs～15.0 hrs,the CODcr removal rate was 57. 7%～65. 8% and the removal rate of BOD₅ was 76.3% ～ 85.4%.
　　Key words: chemical wastewater; wastewater treatment; floating bed; biomemembrane reactor; suspended packing

　　浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器，又稱為懸浮床生物膜反應(yīng)器，是近年發(fā)展起來(lái)的一種革新型生物膜法反應(yīng)器。該工藝的特點(diǎn)是生物膜生長(zhǎng)在反應(yīng)器內(nèi)的懸浮填料上，這些填料隨反應(yīng)器內(nèi)混合液的混合翻轉(zhuǎn)作用而自由回轉(zhuǎn)移動(dòng)。在好氧反應(yīng)器中這種混合翻轉(zhuǎn)動(dòng)力由曝氣提供，而在缺氧反應(yīng)器內(nèi)則通過(guò)機(jī)械攪拌作用提供。好氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器結(jié)合了生物接觸氧化法工藝與好氧生物流化床工藝的特點(diǎn)，它既能解決固定床反應(yīng)器易堵塞、需要定時(shí)反沖洗，流化床填料易流失等問(wèn)題，具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、生物相豐富、剩余污泥量少的特點(diǎn)，又具有活性污泥法處理效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。本文通過(guò)對(duì)采用中試規(guī)模的浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理混合化工廢水的初步試驗(yàn)研究，探索了該工藝對(duì)混合化工廢水的處理效果及其影響因素。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 懸浮填料
　　本試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)專利技術(shù)制造的新型懸浮填料；是一種以聚丙烯為主要材料的特殊塑料制品，空心柱體，內(nèi)有多葉瓣翼片，柱體外徑50mm，高度100mm，比表自積為278m²／m³，密度為0.96－0.99g／cm³。
1.2 試驗(yàn)流程及裝置
　　浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器采用鋼板焊接而成，整體尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=3.0m×1.25m×1.25m，沿縱向等分為4格，有效水深1.00m，總有效容積3.75m3，填料填充率為50％，即占反應(yīng)器有效容積的二分之一；采用穿孔管曝氣。
1.3 試驗(yàn)用水
　　初期試驗(yàn)進(jìn)水直接取自上海市桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠沉砂池出水，后根據(jù)實(shí)際情況作了相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)水取自污水廠的調(diào)節(jié)池，取消高位水箱改為直接通過(guò)均質(zhì)配水池自流進(jìn)水。試驗(yàn)過(guò)程中未設(shè)置二次沉淀池，出水靜置2h后，取上清液測(cè)試。

2 啟動(dòng)與掛膜

　　首次試驗(yàn)在1999年7月，取某生活污水處理廠儲(chǔ)泥池污泥投入反應(yīng)器，連續(xù)進(jìn)出水，水力停留時(shí)間控制在8h左右，開始曝氣。因原污泥儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)，活性較差，幾乎無(wú)原生動(dòng)物，經(jīng)10d后，填料上基本無(wú)生物膜形成；重新投加污泥接種，污泥取自桃浦工業(yè)區(qū)內(nèi)的上海三維制藥廠維生素C廢水處理系統(tǒng)，污泥活性良好，含較多鐘蟲。2周后，填料掛膜良好。
　　第二階段試驗(yàn)在2000年12月開始，流程改為自流進(jìn)出水后，采用自然培養(yǎng)的方法進(jìn)行啟動(dòng)：將已露天堆放達(dá)20d的舊填料作為載體置于反應(yīng)器中，水力停留時(shí)間控制在6－7h之間，保證在較高的水力負(fù)荷條件下使填料掛膜，開始10d左右，老的生物膜相繼脫落，由于水溫較低(10—18℃）新的生物膜生長(zhǎng)緩慢，20d以后新的生物膜逐漸形成，40d后處理出水指標(biāo)基本趨于穩(wěn)定，認(rèn)為啟動(dòng)、掛膜已經(jīng)完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水力停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響
　　水力停留時(shí)間是浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器的主要工藝參數(shù)，它直接影響反應(yīng)器的水力學(xué)特性和污染物負(fù)荷狀況，試驗(yàn)過(guò)程中考察了平均進(jìn)水水質(zhì)CODcr的質(zhì)量濃度為629.7－926mg／L，BOD5與CODcr的質(zhì)量比在0.3以上，pH值在6－9范圍內(nèi)，平均水溫在18℃以上，不同水力停留時(shí)間（停留時(shí)間分別取13.4h，14.4h，15.6h，17h）時(shí)，CODcr的平均去除率分別為74％，77％，77％，81％。圖1a—圖1d分別給出了不同水力停留時(shí)間條件下連續(xù)運(yùn)行的進(jìn)、出水CODcr值及去除率的變化。

　　結(jié)果表明：
　　①隨著水力停留時(shí)間的增加，CODcr去除率呈上升趨勢(shì)，主要原因是由于混合化工廢水存在難以生物降解的物質(zhì)，延長(zhǎng)水力停留時(shí)間有利于世代期長(zhǎng)的微生物生長(zhǎng)。另一方面，水力停留時(shí)間長(zhǎng)，水力負(fù)荷小，能防止出水夾帶脫落的生物膜流出，影響出水水質(zhì)。但CODcr去除率隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)上升較為緩慢，無(wú)限制地延長(zhǎng)勢(shì)必消耗較高的能源，同時(shí)，也將造成負(fù)荷過(guò)低而使微生物無(wú)法維持生長(zhǎng)與內(nèi)源呼吸的動(dòng)態(tài)平衡，造成生物膜老化，降低處理效果。因此，綜合考慮去除效率、負(fù)荷、技術(shù)經(jīng)濟(jì)與實(shí)際要求建議停留時(shí)間控制在15h左右。
　　②在水力停留時(shí)間一定的條件下，CODcr去除率隨著進(jìn)水CODcr濃度的增加而提高，隨著CODcr濃度的減少而降低。這里因?yàn)樵谒νＡ魰r(shí)間一定時(shí)，進(jìn)水底物濃度提高時(shí)浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器中填料上生物膜周圍營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物的生長(zhǎng)繁殖快，微生物種群也更加多樣化，從而更有利于底物降解。
3.2 污泥負(fù)荷對(duì)處理效果的影響
　　試驗(yàn)過(guò)程中BOD₅污泥負(fù)荷范圍為0.17－0.77kg［BOD₅］／（kg［MLSS］.d）。圖2為不同污泥負(fù)荷條件下BOD₅的去除率，隨著污泥負(fù)荷的提高，BOD₅去除率首先呈上升趨勢(shì)而后呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)污泥負(fù)荷在一定范圍內(nèi)提高時(shí)，填料上的生物膜內(nèi)異養(yǎng)微生物由于生長(zhǎng)與代謝受進(jìn)水有機(jī)底物的控制，隨著BOD5污泥負(fù)荷升高，水中的營(yíng)養(yǎng)物水平上升，異養(yǎng)微生物數(shù)量能很快增加并保持較高的活性，生物膜厚度也隨之增加，使有機(jī)物的降解速率加快，BOD₅的去除率上升。當(dāng)污泥負(fù)荷超過(guò)一定范圍時(shí)，異養(yǎng)微牛物的代謝不再受進(jìn)水有機(jī)底物控制，生物膜的增殖速率不再隨污泥負(fù)荷增加而增加，BOD₅的去除率反而下降。

3.3 溫度對(duì)處理效果的影響
　　穩(wěn)定運(yùn)行階段，對(duì)反應(yīng)器考察了典型高、低溫條件下的CODcr、BOD₅的去除效果。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1　典型高、低溫條件下的試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù) 溫度／℃ 停留時(shí)間／h ρ(CODcr)/(mg.L^-1) CODcr去除率／％ ρ(CODcr)/(mg.L^-1) BOD5去除率／% m(BOD₅):m(CODcr 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 進(jìn)水 出水 8 15 440.4 150.8 65.8 146.9 21.5 85.4 0.33 0.14 8.5 15 417.9 170.6 59.2 210.7 50 76.3 0.51 0.29 9 11.7 515.8 218.2 57.7 211.1 39.3 81.4 0.41 0.18 9.5 15 489.4 188.5 61.5 175.2 28 84 0.36 0.15 10 15 357.1 145.8 59 207.2 42 80 0.58 0.29 30 12 476.0 104 78 205 11 95 0.43 0.11 32 12 298.0 65 78 177 16 91 0.59 0.25 33 12 269.0 55 80 144 7 95 0.53 0.13

　　試驗(yàn)結(jié)果表明：
　　①水力停留時(shí)間條件相近時(shí)，溫度是影響有機(jī)物去除率的主要因素，在停留時(shí)間為11.7h，12h時(shí)，水溫在9℃，30－33℃時(shí)，CODcr去除率分別為57.7％，78％－80％，BOD₅去除率分別為76.3％，91％－95％。
　　②水溫在8－10℃時(shí)，停留時(shí)間為11.7h－15h，CODcr處理效率在57.7％－65.8％之間，BOD₅去除率在76.3%－85.4％之間，說(shuō)明浮動(dòng)床填料生物膜反應(yīng)器在低溫條件下仍然有較高的處理效率。
3.4 反應(yīng)器接觸反應(yīng)特征
　　將浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器沿縱向分成4格，廢水進(jìn)入反應(yīng)器后呈推流狀態(tài)至出水，但在每格中又因填料在曝氣池中自由浮動(dòng)流化而呈完全混合形態(tài)。微生物的質(zhì)和量及污染物、微生物、溶解氧之間的傳質(zhì)效果是影響生物處理效果的主要因素。不同工況條件下CODcr沿縱向的變化如表2所示。

表2 CODcr沿反應(yīng)器縱向的變化 溫度/℃ 反應(yīng)器停留時(shí)間/h ρ（CODcr）/（mg.L^-1) 進(jìn)水 1#格 2#格 3#格 4#格 28 12 860 363 202 183 173 15 13.4 722 325 211 206 192 19 13.4 939 422 376 279 221 15 13.9 755 365 250 230 211 15 15 773 357 220 207 172 19 17 876 392 223 214 202 20 20 734 357 192 181 176

　　由表2可知CODcr沿縱向呈明顯遞減趨勢(shì)，第1格CODcr的質(zhì)量濃度顯著低于進(jìn)水CODcr的質(zhì)量濃度。表明浮動(dòng)床反應(yīng)器呈現(xiàn)推流反應(yīng)器的特征，對(duì)應(yīng)的單格又基本達(dá)到完全混合狀態(tài)，污水進(jìn)入反應(yīng)器后即迅速被混合稀釋。這種接觸反應(yīng)流態(tài)使反應(yīng)器中微生物分級(jí)明顯，有利于形成高級(jí)種群。種屬的微生物，又能強(qiáng)化污染物。生物膜。溶解氧之間的傳質(zhì)并使微生物保持不斷更新維持較高
的活性。

4 生物相檢測(cè)與分析

　　反應(yīng)器中微生物相主要由附著生長(zhǎng)在填料上的生物膜與混合液中的活性污泥組成。由于沒(méi)有污泥回流，混合液中的污泥量較少，經(jīng)鏡檢觀察，溫度較高條件下（平均溫度在25℃以上）污泥性狀良好，并有大量細(xì)菌和少量原生動(dòng)物和小型后生動(dòng)物出現(xiàn)；而在溫度較低時(shí)（平均溫度在15℃以下）進(jìn)行啟動(dòng)。掛膜到穩(wěn)定運(yùn)行后的3個(gè)月內(nèi)，混合液中只有少量細(xì)菌、藻類，偶然可見原生動(dòng)物活體。但鏡檢觀察到，無(wú)論是在高溫條件還是溫度較低的情況下，填料上的生物膜均包括大量細(xì)菌。藻類、放線菌、球衣菌，以及原生動(dòng)物和小型后生動(dòng)物，且在高溫條件下，比較突出地表現(xiàn)為由放線菌、球衣菌等組成的絲狀菌構(gòu)成的生物膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
　　兩個(gè)階段的穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器第1格、第2格生物膜較粗糙，后2格生物膜較光滑。生物填料上的膜分級(jí)現(xiàn)象明顯，第1級(jí)生物膜呈深灰色，第2級(jí)呈灰色，第3、第4級(jí)呈灰褐色，略帶淡黃。此外，生物膜主要生長(zhǎng)在填料柱體內(nèi)多葉瓣翼片上，外表面幾乎沒(méi)有生物膜，膜的粘性較大。
　　通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析和生物相觀察表明，反應(yīng)器內(nèi)對(duì)污水處理起主要作用的是生長(zhǎng)在填料上的生物膜；在溫度較高條件下，以生物膜與混合液中的活性污泥構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)共同對(duì)水中的污染物起去除作用，生物膜與混合液中細(xì)菌、原生動(dòng)物。藻類、真菌等組成的復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)生物量豐富、分級(jí)明顯，更能有效去除污染物質(zhì)。混合液中污泥性狀良好說(shuō)明生物膜因水流紊動(dòng)始終保持著很高的生物活性，填料外表面由于受到較大水力剪切力和沖刷作用致使基本無(wú)生物膜生長(zhǎng)。

5 結(jié)論

　　①好氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理混合化工廢水具有較好的處理效果，停留時(shí)間在13.4h，14.4h，15.6h，17h的平均去除率分別為74％，77％，77％，81％。綜合考慮去除效率、負(fù)荷、技術(shù)經(jīng)濟(jì)與實(shí)際要求的關(guān)系建議停留時(shí)間控制在15h左右；低溫條件下的試驗(yàn)表明反應(yīng)器在停留時(shí)間為15h能保證低溫條件下的處理效率。
　　②好氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器具有推流反應(yīng)器和完全混合反應(yīng)器的特征，這種接觸反應(yīng)流態(tài)使反應(yīng)器中微生物分級(jí)明顯，有利于形成高級(jí)種群、種屬的微生物，又能強(qiáng)化污染物、生物膜、溶解氧之間的傳質(zhì)并使微生物不斷更新維持較高的活性。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]C H JoHnson,M W Page, L Blaha. Full scale noving bed biofilm reactor results from refinery and slaughter house treatment facilities [J]. Wat Sci ＆ Tch, 2000,41(4-5):401-407.
　　[2] B Rusten, B G Hellstrom, F Hellstrom, et al. Piolot testing and preat the FREVAR wastewater treatment plant[]. Wat Sci ＆ Tech, 2000, 41(4-5):13-20.
　　[3] Ruste B, McCopy M, Proctor R, et al. The innovative moving bed biofilm reactor/solid contact reaeration process for secondary treatment of municipal wastewater[J]. Water Environment Research, 1998,70(5):1083-1089.

---

　　作者簡(jiǎn)介：龔云華（1976－），男，湖南雙峰人，碩士，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，主要從事水污染防治和固體廢棄物處理設(shè)計(jì)及研究工作。