三相生物流化床中生物膜厚度研究

摘要：通过工业规模的三相生物流化床试验，探讨了载体表面生物膜厚度与有机物去除速率、容积负荷及污泥浓度等传统参数之间的必然联系，证实了生物膜厚度是描述反应器行为的关键参数，揭示了三相生物流化床高处理效率的实质是微生物浓度高，并得出最佳膜厚为90～110μm。

关键词：污水处理 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年代才开始发展起来的一种新兴污水好氧处理工艺。与其他生化处理工艺相比，高处理效率是其最具竞争力的特点。

本文在现场试验的基础上，通过考察生物膜厚度(指湿生物膜厚度，下同)与处理效率之间的必然关系，揭示了生物流化床高处理效率的本质。

1 试验原理和方法

当载体的材质和粒径确定以后，载体表面生物膜的厚度决定了载体颗粒在水中的沉降特性，从而决定了床层的膨胀高度［1］。另一方面，当载体的粒径和数量确定以后，生物膜的厚度决定了反应器中微生物的浓度，而微生物浓度与处理效率密切相关。因此，生物膜厚度是联系生物流化床流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数。在设计中，当已知污水的水质水量时，需要确定一个合适的生物膜厚度，使其能满足处理效率上的要求，由此再确定床层的膨胀高度。

载体表面所生长的生物膜一般由两部分组成：靠近载体表面的部分称为惰性生物层，这部分微生物由于难以获得食料，活性差，基本不参与生化反应；包裹于惰性层外面的叫活性生物层，有机污染物的去除主要依靠这一层中的微生物。液相主体中的基质通过水膜进入活性生物层并在该层内扩散的速率直接影响着生化反应的速率，也就影响了流化床的处理效率。Andrews认为［2］，在稳定状态下生物膜中不存在基质的累积，他假设生物膜为一平面薄膜并忽略液相传质阻力，这样

D(d2S/dω2)-r＇=0

(1)

式中　 D——基质在生物膜中的扩散系数

S——膜中基质的浓度

ω——距载体表面的距离

r＇——单位体积生物膜消耗基质的速率

由此导出了生物膜中基质浓度分布的数学模型并得到如下结论：单位体积生物膜吸收基质的速率随生物膜厚度的增加，先增大后减小，其间存在最大值，最大吸收速率对应的生物膜厚为最佳膜厚。

直观上，当生物膜厚较小时，所有的生物膜都是活性的，这时生物膜量的增加当然会使处理效率增大。当膜厚增大到大于最佳膜厚时，尽管生物膜的总量仍在增大，但活性却降低很快，造成处理效率下降。由此可见，生物膜厚度并不是越大越好。在两相生物流化床中，一般是通过专门的脱膜设备来控制生物膜厚。由于膜厚决定了床层膨胀高度，在实际运转中，控制床层高度就达到了控制膜厚的目的。在三相床中，由于反应器内气泡的搅动，水力紊动剧烈，生物膜表面更新快，在进水浓度不是很高时，一般不需专门的脱膜设备，而是在反应器内设置沉淀区以去除剩余污泥。在这种情况下，床内稳定生物膜厚通常不会大于最佳膜厚。所谓稳定生物膜厚，是指生物膜的增长速率与内源呼吸、水力冲刷等因素造成的生物膜减少速率相等时的膜厚。

在试验中，用不同水质水量的原水得到不同的稳定膜厚，以考察处理效率与膜厚的关系。试验在直径为1.4 m、高6.5 m的工业装置上进行，采用射流曝气(图1)。载体为直径0.3～0.5 mm、体积质量2.63 g/cm3的石英砂，装填高度为0.6 m。床内表观液速0.954 cm/s，表观气速0.42 cm/s，回流水量为14.7 L/s。进水水量水质的改变是通过调节清水和污水的配比来实现的，水质变化由低浓度到高浓度。

试验中发现，当进水的水量水质改变以后(约需10 d)，床层的膨胀高度便稳定在固定值，说明这时生物膜的厚度也达到了稳定，所以选择各次试验的时间间隔为15 d左右。

生物膜厚度是通过带刻度的显微镜测量颗粒的直径而得到的［3］。从样品中随机选取50粒包裹了生物膜的载体，用显微镜测得每一粒的直径di，则平均粒径由下式计算：

d=Σdi3/Σdi2

(2)

而生物膜厚度为：

δw=(dp-dm)/2

(3)

式中　dp——包裹了生物膜的载体的平均粒径

dm——石英砂载体的平均粒径

dp,dm用同样方法测定。

2 试验数据

试验结果见表1。需要说明的是，在计算表中各参数时，反应器的有效容积是指床层膨胀高度HB乘以床层截面积。表中微生物浓度X根据干生物膜的厚度和体积质量计算，而干生物膜是湿生物膜经滤纸吸干后自然风干2h得到的。

表1 三相生物流化床处理效率测试 日期W则X反而下降。这里也可以看到膜厚宜选择在100μm左右。

与普通活性污泥法相比，三相生物流化床的容积负荷与污泥浓度均有较大提高，但换算成污泥负荷以后，却未见明显增大。这说明三相生物流化床中单位生物量分解有机物的能力并没有明显提高。可以说，三相生物流化床处理污水的高效性主要是由于反应器内具有较高的生物浓度所致，而流态化操作方式所创造的良好传质效果则是维持反应器内较高生化反应速率的必要条件。

参考文献

1 潘涛等.三相生物流化床膨胀特性方程的研究.环境科学，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)