好氧內(nèi)循環(huán)三相生物流化床是一種高效的懸浮載體生物膜反應(yīng)器，可用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理。本研究探討了好氧內(nèi)循環(huán)生物流化床對(duì)低濃度人工配水的處理能力和生物膜生長(zhǎng)特性。
1 試驗(yàn)裝置、材料和方法
1.1 試驗(yàn)裝置、材料
　　試驗(yàn)裝置采用好氧內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器，它由有機(jī)玻璃制成。試驗(yàn)流程見下圖，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 反應(yīng)器幾何參數(shù)分析

Dr/Dd 高徑比H/Dd 反應(yīng)區(qū)高度H
(mm) 分離區(qū)高度H1
(mm) 底隙區(qū)高度d*
(mm) 35/60 16.7：1
(即1000/60) 1000 200 20

*：底隙區(qū)高度d是指升流管下端距反應(yīng)器底部的距離

　　試驗(yàn)采用的載體為陶粒，陶粒外形為粒狀體，表面粗糙，粒徑為0.5～0.6mm(上下篩網(wǎng))，堆積密度709kg/m3，濕視密度1400kg/m3。
　　試驗(yàn)時(shí)入水采用模擬廢水。模擬廢水由自來水和營養(yǎng)母液按一定比例配制而成。營養(yǎng)母液濃度選用COD3000～5000mg/L，按COD∶N∶P=100∶5∶1的比例分別投加蔗糖、尿素和磷酸二氫鉀作為C、N和P源，并添加鐵、銅、鈣、鈉、鈷等微量元素若干。
　　反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)投加的活性污泥取自北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院污水車間二沉池。該污泥屬于新鮮污泥，呈淡黃色，含雜質(zhì)少，沉降性良好，其SS濃度為8.1g/L，VSS濃度為5.2g/L，VSS/SS為64.3%。
1.2 試驗(yàn)方法
　　反應(yīng)器啟動(dòng)采用排泥掛膜法。啟動(dòng)之初，將一定量的載體和活性污泥投加到反應(yīng)器中，再用模擬廢水盛滿反應(yīng)器。啟動(dòng)之后，開啟空氣閥門直至反應(yīng)器內(nèi)污泥和載體全部流化。悶曝48h后排出全部浮泥，反應(yīng)器進(jìn)入連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)行過程中，將營養(yǎng)母液和清水以不同的流量同時(shí)輸入反應(yīng)器，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷的雙重控制。
　　反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)分析監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方式為：入水流量，在線監(jiān)測(cè)；CODin、CODeff、SSeff，1次/2d；溫度(水溫、氣溫)、pH、DO，隨時(shí)監(jiān)測(cè)；微生物相，采用顯微鏡隨時(shí)檢測(cè)，視反應(yīng)需要進(jìn)行掃描電鏡分析。分析方法按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 裸載體投加量4.2％時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)，裸載體投加量按載體體積為反應(yīng)區(qū)體積的4.2%計(jì)，接種污泥按1gVSS/L投加(以反應(yīng)區(qū)體積計(jì))。入水COD控制在50mg/L以下，HRT為0.22h左右，反應(yīng)器水溫為常溫(>20℃)，表觀氣速保持在3cm/s左右。
　　反應(yīng)器啟動(dòng)后入水COD濃度保持在50mg/L以下，入水容積負(fù)荷按2.23、3.34、5.34kgCOD/m3·d逐步提升，出水SCOD均小于10mg/L，SS小于10mg/L。反應(yīng)器啟動(dòng)1周內(nèi)，對(duì)COD的去除率達(dá)到77.14%；之后提高負(fù)荷，反應(yīng)器對(duì)COD的去除率先降低到65.71%，又在一周之內(nèi)提高到88.57%；再度提高負(fù)荷，反應(yīng)器對(duì)COD的去除率從83.62%提高到93.86%。可見，反應(yīng)器對(duì)微污染水有很強(qiáng)的凈化能力，可以用于對(duì)微污染水源水的凈化。
　　目前，我國城市給水普遍采用“混凝－沉淀－過濾－消毒”這一常規(guī)工藝來處理微污染水，但近年來許多學(xué)者也嘗試將生物氧化預(yù)處理技術(shù)和常規(guī)工藝聯(lián)合起來用于處理微污染水，以彌補(bǔ)常規(guī)工藝的不足。何星海等曾嘗試用生物接觸A/O工藝對(duì)官廳水庫微污染水進(jìn)行處理，在常溫條件下，入水COD17～118mg/L、HRT3～5h時(shí)對(duì)COD的去除率達(dá)10.3%～61.3%，相應(yīng)的容積負(fù)荷為0.15～1.0kgCOD/m3·d。由此可見，好氧內(nèi)循環(huán)生物流化床反應(yīng)器在容積負(fù)荷、COD去除效率方面均優(yōu)于生物接觸A/O工藝，這兩種生物氧化預(yù)處理技術(shù)處理微污染水的比較見表2。

表2 生物氧化預(yù)處理技術(shù)處理微污染水比較

工藝 入水 CODin
(mg/L) HRT
(h) 去除率
(%) 入水負(fù)荷Nvin
(kgCOD/m3·d) 好氧內(nèi)循環(huán)生物流化床 模擬廢水 18～49 0.22 >80.0 2.23～5.34 生物接觸A/O工藝 微污染水 17～118 3～5 10.3～61.3 0.15～1.0

　　反應(yīng)器啟動(dòng)之初，以懸浮狀態(tài)存在的接種污泥首先吸附到裸載體表面并很快成長(zhǎng)為絮狀生物膜(約1～2d)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，附著生物膜也逐漸生長(zhǎng)，在顯微鏡下可觀察到載體表面漸漸被生物膜完全覆蓋。本次啟動(dòng)在運(yùn)行到第20d、容積負(fù)荷為5.34kgCOD/m3·d時(shí)出現(xiàn)了肉眼可見的覆蓋整個(gè)載體的生物膜，利用掃描電鏡分析載體生物膜顆粒的剖面圖，可判定生物膜膜厚約50μm。生物膜的厚度不總是均勻的，即使對(duì)于同一生物膜顆粒也是如此，但生物膜厚度仍可表征整個(gè)載體表面生物膜的生長(zhǎng)狀況。
2.2 裸載體投加量2.8%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　目前，用于流化床反應(yīng)器的載體正朝著質(zhì)輕、粒徑小的方向發(fā)展，這是由于除了考慮載體為附著微生物生長(zhǎng)提供巨大的表面積外，載體的密度和投加量也決定著促成氣液固三相流化和混合的供氣量的大小，即直接關(guān)系著反應(yīng)器運(yùn)行能耗的大小。為此，在反應(yīng)器第二次啟動(dòng)時(shí)將載體投加量調(diào)低到2.8%，同時(shí)提高容積負(fù)荷以考察反應(yīng)器在高負(fù)荷情況下對(duì)COD的去除能力。
　　重新啟動(dòng)時(shí)，入水COD濃度從50mg/L逐步提升到150mg/L，相應(yīng)的入水負(fù)荷按5.34、8.40、11.45、15.27kgCOD/m3·d逐步提升。試驗(yàn)分為啟動(dòng)期1～11d，負(fù)荷穩(wěn)定期12～32d，負(fù)荷提高期33～63d。負(fù)荷穩(wěn)定期COD的去除率為12.18%～94.62%，負(fù)荷提高期COD的去除率為46.10%～86.00%。
　　當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行到第18d、負(fù)荷為8.40kgCOD/m3·d時(shí)出現(xiàn)了肉眼可見的生物膜：反應(yīng)器內(nèi)載體被一層淡黃色的生物膜完全覆蓋，整個(gè)反應(yīng)區(qū)的顏色均由載體的暗黑色轉(zhuǎn)化為淡黃色，載體本身的顏色透過薄薄的生物膜依稀可見；與此同時(shí)，出水水質(zhì)達(dá)到COD小于50mg/L、SS小于20mg/L。
　　本研究中反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)接種污泥投加的是活性污泥，在模擬廢水啟動(dòng)過程中，反應(yīng)器內(nèi)微生物的種類與活性污泥系統(tǒng)基本是一致的。掛膜階段，微生物首先開始在裸載體表面局部附著，隨著微生物的生長(zhǎng)，附著點(diǎn)增多且附著面積不斷增大，直至覆蓋整個(gè)裸載體表面。
反應(yīng)器啟動(dòng)初期，選取適宜的水力負(fù)荷對(duì)于在反應(yīng)器中積累大量沉降性能良好的活性污泥至關(guān)重要，同時(shí)還可避免泥水分層和溝流的發(fā)生。因此，容積負(fù)荷的調(diào)整往往通過調(diào)整入水濃度來實(shí)現(xiàn)。與首次啟動(dòng)相比，第二次啟動(dòng)除了負(fù)荷大幅度提高外，整個(gè)試驗(yàn)過程中的水溫比首次啟動(dòng)略低，但載體掛膜速度較快，這說明容積負(fù)荷高有利于載體掛膜。
　　兩次啟動(dòng)也表明，反應(yīng)器在入水濃度差別很大的條件下均表現(xiàn)出對(duì)COD良好的降解效率，載體投加量4.2%或2.8%均可以滿足試驗(yàn)條件下附著微生物生長(zhǎng)對(duì)載體表面積的需要。
3 結(jié)論
　　(1)好氧內(nèi)循環(huán)三相生物流化床可用于對(duì)微污染水及低濃度廢水的處理。
　　(2)反應(yīng)器在處理低濃度的模擬廢水時(shí)投加裸載體投加量為3%～4%的陶粒即可滿足微生物附著生長(zhǎng)的需要。
　　(3)高負(fù)荷可加速載體掛膜進(jìn)程：反應(yīng)器處理COD濃度小于50mg/L的微污染水時(shí)，在運(yùn)行到第20d、負(fù)荷為5.34kgCOD/m3·d時(shí)載體掛膜成功；反應(yīng)器在處理COD濃度50～150mg/L的模擬廢水時(shí)，在運(yùn)行到第18d、負(fù)荷為8.40kgCOD/m3·d時(shí)掛膜成功。

Research on Low Concentration Wastewater Treated by Inner Cycle of Aerobe in Three-phase Bio-?uidized Bed
CAO Cong-rong1,2, SONG Ying-hao1, HUANG Qing-hua2, WANG Kai-jun1, JIA Li-min1, ZHANG Qiang2
(1.Beijing Academy of Environmental Sciences, Beijing 100037; 2.College of Civil Engineering and Environmental Engineer-ing, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

Abstract: The research probes into the feasibility on low concentration wastewater treated by inner cycle of aerobe in three-phase bio-?uidized bed and the growing characteristics of biological-membrane.
Keywords: inner cycle of aerobe in three-phase bio-?uidized bed; adnexed biological-membrane; SS; low concentration wastewater