楊一帆

（杭州市水務(wù)控股集團(tuán)有限公司，浙江杭州310009）

以焦末為載體的生物流化床處理生活污水研究

楊一帆

（杭州市水務(wù)控股集團(tuán)有限公司，浙江杭州310009）

以焦末為載體的生物流化床反應(yīng)器處理模擬生活污水，考察了水力停留時(shí)間HRT、曝氣強(qiáng)度、進(jìn)水COD濃度、回流速率和進(jìn)水pH值等因素對(duì)生物流化床短期內(nèi)的影響?，F(xiàn)條件下，生物流化床處理模擬生活污水的最佳工藝條件為：HRT 2.5～3.0 h、曝氣強(qiáng)度45.9 m3/（m2·h）、進(jìn)水COD濃度不超過(guò)2 000 mg/L、回流液速2.48 cm/s、pH值7.0～8.0，此時(shí)COD去除率達(dá)90%以上。

焦末；生活污水；生物流化床

生物流化床技術(shù)是20世紀(jì)70年代興起的污水處理技術(shù)，該技術(shù)將化工流態(tài)化技術(shù)引入污水處理領(lǐng)域，并結(jié)合了活性污泥法和生物膜法的特點(diǎn)，具有占地面積小、處理效率高、抗負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物流化床進(jìn)行了不少的試驗(yàn)研究工作，在用于生活污水[1－3]、焦化廢水[4－6]、垃圾滲濾液[7－9]、染料廢水[10－11]、造紙廢水[12]等方面均取得良好的去除效果。生物載體[13]的選擇是生物流化床反應(yīng)器主要參數(shù)之一，直接影響到系統(tǒng)能耗和生物膜負(fù)載能力，進(jìn)而直接決定有機(jī)物去除效率。首先生物載體的主要作用是為微生物的生長(zhǎng)提供巨大表面積，關(guān)聯(lián)著微生物的生長(zhǎng)、繁殖、脫落和形態(tài)及空間結(jié)構(gòu)；其次，載體在流化過(guò)程中具有切割、分散氣泡的作用，使布?xì)飧鶆颍瑥?qiáng)化傳質(zhì)。焦末是半焦在實(shí)際生產(chǎn)、篩分、運(yùn)輸和使用過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒固體廢棄物，目前未得到很好的利用，因此，開(kāi)發(fā)焦末的資源化利用具有重要意義。實(shí)驗(yàn)室自制了一套生物流化床反應(yīng)器，使用焦末作為流化料載體，考察水力停留時(shí)間HRT、曝氣強(qiáng)度、進(jìn)水COD濃度、回流速率和進(jìn)水pH值等因素對(duì)生物流化床短期內(nèi)（5 h）處理模擬生活污水的影響，為以焦末為載體的生物流化床反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

生物流化床裝置主要由流化床主體、三相分離器及進(jìn)氣進(jìn)水分布器等部分組成，如圖1所示。流化床主體用有機(jī)玻璃制成，高2 000mm，內(nèi)徑100mm。三相分離器位于流化床頂部，擴(kuò)大段角度約60°，用于氣固液三相分離。進(jìn)氣管自上而下通過(guò)流化床，連接底部由2個(gè)砂芯曝氣頭組成的氣體分布器。廢水進(jìn)水分布器由安裝在流化床底部的孔板組成，小孔數(shù)約150個(gè)，孔徑約0.5 mm；回流液體分布器由安裝在流化床底部的十字空心管組成，開(kāi)孔垂直向下或斜向下45°，孔徑為5mm，數(shù)量25個(gè)，面積約4.91 cm2。

1.2 生物載體

焦末顆粒取自陜西神木三江煤化工有限公司，尺寸范圍0.6～2.3 mm，平均粒徑1.07 mm，堆積密度600 kg/m3，真密度1 600 kg/m3，孔隙率62.5%，吸水率0.377 g/g，BET比表面積55.0m2/g。

1.3 生活污水

實(shí)驗(yàn)中廢水為模擬生活污水，配比如下（單位：mg/L）：氯化銨310、磷酸二氫鉀130、碳酸氫鈉775、硫酸鎂310、三氯化鐵60、硫酸鈣30，葡萄糖濃度根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要添加。本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，測(cè)得COD濃度為500～3 000mg/L。

1.4 生物流化床啟動(dòng)

本實(shí)驗(yàn)所用活性污泥（接種污泥）為杭州市七格污水處理廠二沉池剩余污泥，實(shí)驗(yàn)掛膜過(guò)程初始污泥濃度（MLSS）約為4.2 g/L。生物載體掛膜優(yōu)先采用快速排泥法[14]，具體步驟如下：將一定量的污泥和焦末載體投加到流化床反應(yīng)器中，載體投加量約25%。打開(kāi)風(fēng)機(jī)悶爆24 h后靜置12 h，然后排清懸浮污泥和污水，開(kāi)始連續(xù)進(jìn)不含污泥的培養(yǎng)液，進(jìn)水流速逐漸增大，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。15 d后，流化床出水基本穩(wěn)定，通過(guò)徠卡顯微鏡可觀察到鐘蟲(chóng)、線蟲(chóng)、斜管蟲(chóng)、豆形蟲(chóng)等豐富的生物相，見(jiàn)圖2所示。此時(shí)，大部分焦末流化料已完成掛膜，經(jīng)OLYSIM軟件測(cè)定，生物膜厚度在35～110μm。單位載體生物量4.0～4.5mg VSS/g載體。生物流化床啟動(dòng)成功后，開(kāi)始進(jìn)行處理生活污水實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 生物流化床裝置示意圖

圖2 生物流化床內(nèi)生物相顯微鏡照片

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT對(duì)COD去除率的影響

在曝氣強(qiáng)度45.9 m3/（m2·h）、回流液速2.83 cm/s、進(jìn)水COD濃度1 000 mg/L、進(jìn)水pH值7.0的條件下，通過(guò)改變進(jìn)水流速，調(diào)節(jié)不同HRT，研究生物流化床短期內(nèi)（5 h）COD去除率變化規(guī)律，具體結(jié)果見(jiàn)圖3。本實(shí)驗(yàn)條件下，出水溶解氧均在2.0 mg/L以上。

圖3 水力停留時(shí)間對(duì)COD去除率的影響

從圖3中可以看出，COD去除率隨著HRT的延長(zhǎng)而增大，當(dāng)HRT達(dá)到2.5 h后，COD去除率增大趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)HRT從0.5 h延長(zhǎng)到3.0 h，COD去除率從60.2%增加到91.9%，出水COD濃度低于100mg/L。繼續(xù)增加HRT到4.7 h，COD去除率保持在90%以上，基本無(wú)變化。由此說(shuō)明HRT達(dá)到3.0 h后，流化床內(nèi)可生物降解有機(jī)物已基本降解。在實(shí)際操作中，為達(dá)到較好COD去除率，HRT可選擇在2.5～3.0 h。2.2 曝氣強(qiáng)度對(duì)COD去除率的影響

曝氣的作用主要有以下兩點(diǎn)：一是給好氧微生物新陳代謝供氧；二是載體流化動(dòng)力之一，增強(qiáng)流化床混合傳質(zhì)性能。為研究本實(shí)驗(yàn)中曝氣強(qiáng)度對(duì)COD去除率的影響，分別選取曝氣強(qiáng)度為38.2，45.9，53.5，61.1m3/（m2·h），其他實(shí)驗(yàn)條件為HRT 2.5 h、回流液速2.83 cm/s、進(jìn)水COD濃度約1 000mg/L、進(jìn)水pH值7.0。從條件改變開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)定5 h后出水溶解氧和COD濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，COD去除率隨著曝氣強(qiáng)度的增大先增加后減小。當(dāng)曝氣強(qiáng)度為38.2 m3/（m2·h）時(shí)，供氧不足，出水DO濃度為1.3 mg/L，小于需氧條件2.0mg/L的要求，此時(shí)生物流化床體系處于缺氧環(huán)境，好氧微生物的生物活性受到影響，因此COD去除率較低，僅為76.5%。當(dāng)曝氣強(qiáng)度增加到45.9m3/（m2·h）以上時(shí)，出水DO濃度均大于3.0mg/L，此條件下可以保證好氧微生物的正常新陳代謝，COD去除率較高，能保持在80%以上。曝氣強(qiáng)度較大時(shí)，生物流化床內(nèi)水力剪切力大，導(dǎo)致生物膜從焦末載體上脫落，造成部分微生物的流失，因此COD去除率有略微下降趨勢(shì)。從氧利用率、能耗和COD去除率三方面考慮，本實(shí)驗(yàn)曝氣強(qiáng)度在滿足供氧和正常流化的基礎(chǔ)上，較為適宜的取值為45.9m3/（m2·h）。

圖4 曝氣強(qiáng)度對(duì)COD去除率和溶解氧的影響

2.3 進(jìn)水濃度對(duì)COD去除率的影響

實(shí)驗(yàn)中選取進(jìn)水COD濃度范圍500～3 000 mg/L，考察生物流化床在短期內(nèi)的抗負(fù)荷能力。其他實(shí)驗(yàn)條件分別為HRT 3.5 h、曝氣強(qiáng)度45.9 m3/(m2·h)、回流液速2.48 cm/s、進(jìn)水pH值7.0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)水COD濃度對(duì)COD去除率的影響

由圖5可得，當(dāng)進(jìn)水COD濃度在500～2 000mg/L范圍內(nèi)時(shí)，生物流化床對(duì)有機(jī)物的去除率較高，COD去除率均在90%以上，表明該系統(tǒng)有一定的抗負(fù)荷沖擊能力。但是當(dāng)進(jìn)水COD濃度超過(guò)2 000 mg/L時(shí)，COD去除率下降明顯，已超出流化床系統(tǒng)的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊能力范圍。經(jīng)分析，生物流化床之所以有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，一方面是因?yàn)槲鬯亓鞅嚷瘦^大，高濃度廢水進(jìn)入生物流化床反應(yīng)器內(nèi)時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)被回流污水稀釋；另一方面是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)微生物量較大，能承受較大的COD負(fù)荷。本實(shí)驗(yàn)生物流化床能適應(yīng)500～2 000mg/L范圍內(nèi)的沖擊負(fù)荷。

2.4 回流液速對(duì)COD去除率的影響

為了使生物載體正常流化，生物流化床通常設(shè)有回流裝置，以增加流化推動(dòng)力。此外，回流可以稀釋進(jìn)水濃度，提高系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊能力?；亓饕核俚拇笮∮绊懼骰泊矊优蛎浉叨群洼d體水力剪切力，進(jìn)而影響載體生物膜的生長(zhǎng)與脫落，決定系統(tǒng)廢水處理性能?；亓饕核俦硎局亓饕后w在流化床反應(yīng)器內(nèi)軸向上的速度，以表觀液速表述，即cm/s?；亓饕核倥c出水速度之比即為回流比。為研究本實(shí)驗(yàn)中回流液速對(duì) COD去除率的影響，在 HRT 3.0 h，曝氣強(qiáng)度45.9m3/（m2·h），進(jìn)水濃度約1 000 mg/L，進(jìn)水pH值7.0的實(shí)驗(yàn)條件下，分別選取回流液速1.42，1.77，2.12，2.48，2.83（cm/s），研究生物流化床在短期內(nèi)COD去除率變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 回流液速對(duì)COD去除率的影響

從圖6中可以看出，隨著回流液速的增大，COD去除率先增大后減小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流液速較小時(shí)，床層膨脹率較低，流化床主體有效體積利用率低，故而COD去除率較低。當(dāng)回流液速為1.42 cm/s時(shí)，COD去除率為86.5%。當(dāng)回流液速增加到2.48 cm/s，床層流化效果較好，COD去除率高，達(dá)到93.5%。繼續(xù)增加回流液速到2.83 cm/s，COD去除率略有降低（88.7%）。這是因?yàn)殡S著回流液速的增大，流化床內(nèi)水力剪切力也增大，造成部分載體生物膜脫落，脫落的生物膜隨著水流流出流化床，系統(tǒng)生物量減少。從總體效果來(lái)看，在保證載體正常流化條件下，回流液速對(duì)COD去除率的影響不大，COD去除率均能保持在85%。

2.5 進(jìn)水pH值對(duì)COD去除率的影響

pH值是影響微生物酶活性及其生長(zhǎng)和繁殖的重要因素之一，幾乎所有微生物都有一個(gè)最適pH值和相對(duì)不敏感區(qū)域。在廢水處理中，大多數(shù)微生物的適宜pH值范圍在6.0～9.0。為了解本實(shí)驗(yàn)微生物的適宜pH值，實(shí)驗(yàn)選取進(jìn)水pH在5.0～9.0，研究生物流化床COD去除率在短期內(nèi)的變化規(guī)律，其他實(shí)驗(yàn)條件為HRT 3.5 h、曝氣強(qiáng)度45.9m3/（m2·h）、回流液速2.48 cm/s、進(jìn)水濃度約1 000 mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 進(jìn)水pH值對(duì)COD去除率的影響

從圖7可以看出，COD去除率隨著進(jìn)水pH值的增大呈先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)水pH值從5.0升到7.0時(shí)，COD去除率從82.9%增加到93.5%，在此過(guò)程中，微生物活性逐漸增強(qiáng)。繼續(xù)增大pH值到9.0，COD去除率仍能保持在90%以上?？梢?jiàn)在較寬范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)微生物能保持較高活性。系統(tǒng)中pH值不僅影響微生物體內(nèi)酶活性，而且在一定程度上改變了生物膜上微生物的分布和數(shù)量，改變生物膜的性能，因此COD去除率存在差異。實(shí)驗(yàn)中為使微生物酶活性處于較高水平，可將進(jìn)水pH值控制在7.0～8.0。

3 結(jié)論

對(duì)以焦末為載體的生物流化床反應(yīng)器處理模擬生活污水進(jìn)行研究，采用快速排泥法掛膜15 d后，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，生物膜厚度在35～110μm，單位載體生物量4.0～4.5mg VSS/g載體，反應(yīng)器啟動(dòng)成功。在本實(shí)驗(yàn)條件下，生物流化床處理模擬生活污水的最佳工藝條件為：HRT 2.5～3.0 h、曝氣強(qiáng)度45.9m3/（m2·h）、進(jìn)水COD濃度不超過(guò)2 000 mg/L、回流液速2.48 cm/s、pH值7.0～8.0，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定出水COD去除率達(dá)90%以上。

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工信部擬出臺(tái)管理辦法強(qiáng)制汽車(chē)回收利用

根據(jù)中國(guó)汽車(chē)流通協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，隨著汽車(chē)保有量大幅攀升，報(bào)廢汽車(chē)數(shù)量也逐年上升。2011年我國(guó)民用汽車(chē)保有量已突破1億輛，汽車(chē)報(bào)廢量超過(guò)400萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)2020年報(bào)廢量將超過(guò)1 400萬(wàn)輛。報(bào)廢汽車(chē)回收利用問(wèn)題日益突出。

2001年，我國(guó)就頒布了《報(bào)廢汽車(chē)回收管理辦法》，標(biāo)志著報(bào)廢汽車(chē)回收管理開(kāi)始走向法制化軌道。2006年，發(fā)改委、科技部、國(guó)家環(huán)?？偩衷?lián)合發(fā)布《汽車(chē)產(chǎn)品回收利用技術(shù)政策》。但由于缺乏強(qiáng)制執(zhí)行手段，至今，汽車(chē)報(bào)廢回收市場(chǎng)混亂、技術(shù)落后、監(jiān)管滯后等問(wèn)題并未得到根本解決。

在2013中國(guó)汽車(chē)回收利用國(guó)際論壇上，工信部節(jié)能與綜合利用司高東升向媒體介紹稱，《汽車(chē)產(chǎn)品限制使用有害物質(zhì)和可回收利用率管理辦法》列入2013年工信部的立法計(jì)劃當(dāng)中，條件成熟情況下將公開(kāi)征收意見(jiàn)，預(yù)計(jì)最快年內(nèi)出臺(tái)。

Study on treatment of domestic sewage using a fluidized bed bioreactor w ith waste coke particles as the biocarrier

YANG Yifan
（Hangzhou Water Holding Group Co.,Ltd,Hangzhou 310009,China）

Treatm ent of synthetic dom estic sew age using a fluidized bed bioreactor(FBBR)w ith w aste coke particles (WCPs)as the biocarrier w as investigated.The effects of hydraulic retention tim e (HRT),aeration intensity,initial concentration of chem ical oxygen dem and (COD),recirculating liquid velocity,and pH on COD rem oval efficiency w ere investigated.the COD rem ovalw as over 90%,under the conditions of:HRT at 2.5～3.0 h,aeration intensity of 45.9 m3/（m2·h）,initialCOD concentration less than 2 000 m g/L,a recirculating liquid velocity of 2.48 cm/s,and a pH of 7.0～8.0.

w aste coke particles(WCPs);dom estic sew age;fluidized bed bioreactor(FBBR)

X703

A

1674－0912（2013）09－0036－05

2013－08－07）

楊一帆（1980－），男，浙江臨海人，排水工程師。