龔云華¹，高廷耀²，周增炎²
（1.上海市政工程設計研究院，上海 200092；2. 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

　　摘　要：通過對中試規模的浮動床生物膜反應器處理混合化工廢水的試驗研究，探討了水力停留時間、污泥負荷、溫度等對反應器處理性能與效果的影響，試驗結果表明：水力停留時間在13.4h，14.4h，15.6h，17h時CODcr的平均去除率分別為74％，77％，77％，81％：污泥負荷范圍在0.17～0.77kg[BOD5]/（kg［MLSS］·d內，BOD5去除率先是上升趨勢，而后呈下降趨勢；水溫在8～10℃時，水力停留時間為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.
　　關鍵詞：化工廢水；廢水處理；浮動床；生物膜反應器；懸浮填料
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　浮動床生物膜反應器，又稱為懸浮床生物膜反應器，是近年發展起來的一種革新型生物膜法反應器。該工藝的特點是生物膜生長在反應器內的懸浮填料上，這些填料隨反應器內混合液的混合翻轉作用而自由回轉移動。在好氧反應器中這種混合翻轉動力由曝氣提供，而在缺氧反應器內則通過機械攪拌作用提供。好氧浮動床生物膜反應器結合了生物接觸氧化法工藝與好氧生物流化床工藝的特點，它既能解決固定床反應器易堵塞、需要定時反沖洗，流化床填料易流失等問題，具有傳統生物膜法耐沖擊負荷、生物相豐富、剩余污泥量少的特點，又具有活性污泥法處理效率高、運行穩定等優點[1-3]。本文通過對采用中試規模的浮動床生物膜反應器處理混合化工廢水的初步試驗研究，探索了該工藝對混合化工廢水的處理效果及其影響因素。

1 試驗材料與方法

1.1 懸浮填料
　　本試驗采用國產專利技術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 試驗流程及裝置
　　浮動床生物膜反應器采用鋼板焊接而成，整體尺寸為：長×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％，即占反應器有效容積的二分之一；采用穿孔管曝氣。
1.3 試驗用水
　　初期試驗進水直接取自上海市桃浦工業區污水處理廠沉砂池出水，后根據實際情況作了相應調整，進水取自污水廠的調節池，取消高位水箱改為直接通過均質配水池自流進水。試驗過程中未設置二次沉淀池，出水靜置2h后，取上清液測試。

2 啟動與掛膜

　　首次試驗在1999年7月，取某生活污水處理廠儲泥池污泥投入反應器，連續進出水，水力停留時間控制在8h左右，開始曝氣。因原污泥儲存時間較長，活性較差，幾乎無原生動物，經10d后，填料上基本無生物膜形成；重新投加污泥接種，污泥取自桃浦工業區內的上海三維制藥廠維生素C廢水處理系統，污泥活性良好，含較多鐘蟲。2周后，填料掛膜良好。
　　第二階段試驗在2000年12月開始，流程改為自流進出水后，采用自然培養的方法進行啟動：將已露天堆放達20d的舊填料作為載體置于反應器中，水力停留時間控制在6－7h之間，保證在較高的水力負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℃）新的生物膜生長緩慢，20d以后新的生物膜逐漸形成，40d后處理出水指標基本趨于穩定，認為啟動、掛膜已經完成。

3 試驗結果與分析

3.1 水力停留時間對處理效果的影響
　　水力停留時間是浮動床生物膜反應器的主要工藝參數，它直接影響反應器的水力學特性和污染物負荷狀況，試驗過程中考察了平均進水水質CODcr的質量濃度為629.7－926mg／L，BOD5與CODcr的質量比在0.3以上，pH值在6－9范圍內，平均水溫在18℃以上，不同水力停留時間（停留時間分別取13.4h，14.4h，15.6h，17h）時，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間條件下連續運行的進、出水CODcr值及去除率的變化。

　　結果表明：
　　①隨著水力停留時間的增加，CODcr去除率呈上升趨勢，主要原因是由于混合化工廢水存在難以生物降解的物質，延長水力停留時間有利于世代期長的微生物生長。另一方面，水力停留時間長，水力負荷小，能防止出水夾帶脫落的生物膜流出，影響出水水質。但CODcr去除率隨停留時間的延長上升較為緩慢，無限制地延長勢必消耗較高的能源，同時，也將造成負荷過低而使微生物無法維持生長與內源呼吸的動態平衡，造成生物膜老化，降低處理效果。因此，綜合考慮去除效率、負荷、技術經濟與實際要求建議停留時間控制在15h左右。
　　②在水力停留時間一定的條件下，CODcr去除率隨著進水CODcr濃度的增加而提高，隨著CODcr濃度的減少而降低。這里因為在水力停留時間一定時，進水底物濃度提高時浮動床生物膜反應器中填料上生物膜周圍營養物質豐富，微生物的生長繁殖快，微生物種群也更加多樣化，從而更有利于底物降解。
3.2 污泥負荷對處理效果的影響
　　試驗過程中BOD₅污泥負荷范圍為0.17－0.77kg［BOD₅］／（kg［MLSS］.d）。圖2為不同污泥負荷條件下BOD₅的去除率，隨著污泥負荷的提高，BOD₅去除率首先呈上升趨勢而后呈下降趨勢。這是因為當污泥負荷在一定范圍內提高時，填料上的生物膜內異養微生物由于生長與代謝受進水有機底物的控制，隨著BOD5污泥負荷升高，水中的營養物水平上升，異養微生物數量能很快增加并保持較高的活性，生物膜厚度也隨之增加，使有機物的降解速率加快，BOD₅的去除率上升。當污泥負荷超過一定范圍時，異養微牛物的代謝不再受進水有機底物控制，生物膜的增殖速率不再隨污泥負荷增加而增加，BOD₅的去除率反而下降。

3.3 溫度對處理效果的影響
　　穩定運行階段，對反應器考察了典型高、低溫條件下的CODcr、BOD₅的去除效果。其試驗數據見表1。

表1　典型高、低溫條件下的試驗運行數據 溫度／℃ 停留時間／h ρ(CODcr)/(mg.L^-1) CODcr去除率／％ ρ(CODcr)/(mg.L^-1) BOD5去除率／% m(BOD₅):m(CODcr 進水 出水 進水 出水 進水 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

　　試驗結果表明：
　　①水力停留時間條件相近時，溫度是影響有機物去除率的主要因素，在停留時間為11.7h，12h時，水溫在9℃，30－33℃時，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，停留時間為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，說明浮動床填料生物膜反應器在低溫條件下仍然有較高的處理效率。
3.4 反應器接觸反應特征
　　將浮動床生物膜反應器沿縱向分成4格，廢水進入反應器后呈推流狀態至出水，但在每格中又因填料在曝氣池中自由浮動流化而呈完全混合形態。微生物的質和量及污染物、微生物、溶解氧之間的傳質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沿反應器縱向的變化 溫度/℃ 反應器停留時間/h ρ（CODcr）/（mg.L^-1) 進水 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，第1格CODcr的質量濃度顯著低于進水CODcr的質量濃度。表明浮動床反應器呈現推流反應器的特征，對應的單格又基本達到完全混合狀態，污水進入反應器后即迅速被混合稀釋。這種接觸反應流態使反應器中微生物分級明顯，有利于形成高級種群。種屬的微生物，又能強化污染物。生物膜。溶解氧之間的傳質并使微生物保持不斷更新維持較高
的活性。

4 生物相檢測與分析

　　反應器中微生物相主要由附著生長在填料上的生物膜與混合液中的活性污泥組成。由于沒有污泥回流，混合液中的污泥量較少，經鏡檢觀察，溫度較高條件下（平均溫度在25℃以上）污泥性狀良好，并有大量細菌和少量原生動物和小型后生動物出現；而在溫度較低時（平均溫度在15℃以下）進行啟動。掛膜到穩定運行后的3個月內，混合液中只有少量細菌、藻類，偶然可見原生動物活體。但鏡檢觀察到，無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菌。藻類、放線菌、球衣菌，以及原生動物和小型后生動物，且在高溫條件下，比較突出地表現為由放線菌、球衣菌等組成的絲狀菌構成的生物膜網狀結構。
　　兩個階段的穩定運行試驗過程中發現，反應器第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現象明顯，第1級生物膜呈深灰色，第2級呈灰色，第3、第4級呈灰褐色，略帶淡黃。此外，生物膜主要生長在填料柱體內多葉瓣翼片上，外表面幾乎沒有生物膜，膜的粘性較大。
　　通過對試驗數據結果分析和生物相觀察表明，反應器內對污水處理起主要作用的是生長在填料上的生物膜；在溫度較高條件下，以生物膜與混合液中的活性污泥構成的生態系統共同對水中的污染物起去除作用，生物膜與混合液中細菌、原生動物。藻類、真菌等組成的復雜的微生物生態系統生物量豐富、分級明顯，更能有效去除污染物質。混合液中污泥性狀良好說明生物膜因水流紊動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生物膜生長。

5 結論

　　①好氧浮動床生物膜反應器處理混合化工廢水具有較好的處理效果，停留時間在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、負荷、技術經濟與實際要求的關系建議停留時間控制在15h左右；低溫條件下的試驗表明反應器在停留時間為15h能保證低溫條件下的處理效率。
　　②好氧浮動床生物膜反應器具有推流反應器和完全混合反應器的特征，這種接觸反應流態使反應器中微生物分級明顯，有利于形成高級種群、種屬的微生物，又能強化污染物、生物膜、溶解氧之間的傳質并使微生物不斷更新維持較高的活性。

參考文獻：

　　[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.

---

　　作者簡介：龔云華（1976－），男，湖南雙峰人，碩士，畢業于同濟大學環境科學與工程學院，主要從事水污染防治和固體廢棄物處理設計及研究工作。