流化床反響器(Fluidizedbedreactors，FBR)是應(yīng)用氣體或液體經(jīng)過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成載體流態(tài)化的生物反響器。廢水流經(jīng)沸石、活性炭及多孔高分子聚合物等載體經(jīng)吸附解吸作用去除其中的有機(jī)污染物，完成污水凈化。自20世紀(jì)70年代以來，有近2000篇關(guān)于FBR的科學(xué)論文發(fā)表，特別是從1990年左右開端進(jìn)入快速開展期。其中，FBR作為一種廢水處置的重要技術(shù)得到普遍應(yīng)用。曼哈頓學(xué)院(紐約)、美國(guó)環(huán)保署俄亥俄州辛辛那提市環(huán)境研討實(shí)驗(yàn)室(MERL)和英國(guó)梅德梅納姆水研討中心協(xié)作初次開發(fā)了用于工業(yè)廢水處理的FBR技術(shù)。1980年，英國(guó)曼徹斯特舉行的WRC/UMIST會(huì)議上把FBR技術(shù)譽(yù)為近50年來廢水處置范疇最重要的提升之一。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)首個(gè)生產(chǎn)性范圍流化床反響器在雷諾-斯巴克斯廢水處置廠勝利投產(chǎn)。

　　爾后的10年，通用汽車公司運(yùn)用了DorrOliver公司開發(fā)的12套好氧FBR工藝設(shè)備。與此同時(shí)，1982年厭氧FBR在美國(guó)馬斯卡汀一家大豆蛋白工廠應(yīng)運(yùn)而生。1999年，DorrOliver提供兩座直徑9m、高8.5m的反響塔，采用FBR法處置酚醛負(fù)荷為1120kg/d的工業(yè)廢水。爾后，BiothaneB。V。樹立了多個(gè)二級(jí)厭氧FBR安裝。Degremont.S.A公司開發(fā)了基于FBR的ANAFLUX工藝，由于污泥濃度可高達(dá)30～90kg/m3，表觀升流液速可達(dá)10m/h，從而產(chǎn)生高效氣液傳質(zhì)速率，使得系統(tǒng)十分高效。

　　依據(jù)2010年的WEF理論手冊(cè)和ASCE報(bào)告，1999年建成的80多臺(tái)生產(chǎn)性范圍FBR中有三分之二用于工業(yè)廢水處置;其他三分之一處置城市污水。Nicollela等以為，運(yùn)用顆粒生物膜反響器是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，具有成熟的設(shè)計(jì)和放大指南。實(shí)驗(yàn)室和中試范圍工廠研討了FBR對(duì)各種廢水的處置，能讓工廠將來在擴(kuò)建或晉級(jí)時(shí)滿足更嚴(yán)厲的排放規(guī)范。

　　目前FBR系統(tǒng)已應(yīng)用于各種廢水的處置處置。其主要優(yōu)點(diǎn)，一是經(jīng)過提供固液兩相的高強(qiáng)度混合，最大限度地減少傳質(zhì)限制；二是可以提供微生物生長(zhǎng)和富集的載體和介質(zhì)。因而，FBR可經(jīng)過高基質(zhì)負(fù)荷來富集生長(zhǎng)遲緩的微生物。特別是關(guān)于含有毒物質(zhì)廢水的處置有宏大優(yōu)勢(shì)，液相中溶液的循環(huán)稀釋了進(jìn)水濃度，使其對(duì)細(xì)菌到達(dá)無毒程度，并提供了完整混合的條件。FBR系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)包括污泥濃度高、附著外表積大、稀釋進(jìn)水濃度能減少毒物峰值的沖擊效應(yīng)、更高的負(fù)荷以及適用于各種處置系統(tǒng)的有效傳質(zhì)。

　　本文概述了FBR技術(shù)的新開展，主要包括：FBR別離固體產(chǎn)物、降流式流化床、流化床與生物膜分離、流化床與各種生物電化學(xué)系統(tǒng)(bioelectrochemicalsystem，BES)相分離以及厭氧-好氧系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，以期為該類高效系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。表1總結(jié)了FBR新技術(shù)的適用范圍及處置優(yōu)勢(shì)。

　　1、FBR中固體產(chǎn)物的別離

　　FBR與重力沉降器一體化工藝是以FBR為根底，應(yīng)用重力沉降器將冶金廢水中的鐵離子或硫酸鹽等實(shí)施沉淀去除的生物處置工藝。來自硫化物礦物加工的濕法冶金廢水中通常含有高濃度的鐵離子和硫酸鹽。因而，在生物浸出過程中去除廢水里的鐵和硫酸鹽是必不可少的。Kinnunen和Puhakka應(yīng)用FBR完成了高效的生物鐵氧化。之后，該工藝被用于鐵浸出劑的生產(chǎn)。坦佩爾理工大學(xué)實(shí)施的一體化生物鐵氧化沉淀工藝是第一項(xiàng)關(guān)于FBR促進(jìn)鐵浸出的研討，多余的鐵和硫酸必需去除以克制不用要的鐵沉淀對(duì)其他環(huán)節(jié)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)面影響，如梗塞泵、閥門、管道。同時(shí)，強(qiáng)酸性條件下，構(gòu)成的黃鉀鐵礬也能對(duì)反響形成動(dòng)力學(xué)障礙。如圖1所示，集成系統(tǒng)由FBR和重力沉降器組成。

　　同樣地，集成系統(tǒng)也用于從模仿含砷酸性廢水中去除砷。經(jīng)過研討pH3.0～1.6范圍對(duì)砷去除效率和沉淀物穩(wěn)定性的影響，結(jié)果標(biāo)明，該系統(tǒng)具有從生物浸出廢水和強(qiáng)酸性礦山廢水中去除砷、鐵和硫酸鹽的潛力。

　　2、降流式流化床：逆流化床反響器(IFBR)和逆流湍動(dòng)床反響器(ITBR)

　　傳統(tǒng)的流化床反響器采用比嚴(yán)重于1且可以呈向上流態(tài)化的載體資料。Nikolov和Karamanev討論了理想生物膜反響器的特性，并在此根底上提出了一種用于生物膜研討的逆流化床反響器(Inversefluidizedbedreactor，IFBR)。Nikolov和Karamanev依據(jù)氣升原理開發(fā)的IFBR內(nèi)部有一個(gè)導(dǎo)流筒，液體可以在反響器中循環(huán)活動(dòng)，或者能夠經(jīng)過將液體從反響器底部再循環(huán)到頂部來完成。逆流化的另一品種型為逆流湍動(dòng)床(inverseturbulentbedreactor，ITBR)，它應(yīng)用從反響器頂部到底部的沼氣循環(huán)來完成床層收縮

　　逆流化已被用于好氧和厭氧生物過程，例如啤酒廠廢水和葡萄酒釀酒廠廢水的厭氧處置、硒酸鹽生物復(fù)原、酸性硫酸鹽和含金屬廢水、好氧淀粉廢水、苯酚好氧生物降解以及生物外表活性劑和青霉素的生產(chǎn)等。

　　相比傳統(tǒng)的升流式流化床，降流式流化床的優(yōu)勢(shì)在于反響器底部可用于沉淀。Sahinkaya和Gungor提出，降流式流化床中構(gòu)成的金屬硫化物能夠經(jīng)過沉淀，在反響器底部與細(xì)胞別離。但是，研討還發(fā)現(xiàn)生物復(fù)原硫酸鹽和金屬沉淀時(shí)，在升流式流化床反響器中應(yīng)用電子供體復(fù)原硫酸鹽的效率更高，而在降流式流化床反響器中會(huì)產(chǎn)生較多的甲烷。

　　3、流化床膜生物反響器

　　將流化床與超/微濾膜相分離，構(gòu)成流化床膜生物反響器(Fluidized-bedmembranebioreactor，FB-MR)，綜合了傳統(tǒng)活性污泥法和生物膜法的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過向反響器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提升反響器中的生物量及生物品種，改善生長(zhǎng)遲緩的微生物的細(xì)胞停留時(shí)間，提升反響器性能。

　　Yoo等采用小試分級(jí)厭氧FBMR處置生活污水。該過程由兩個(gè)獨(dú)立的FBR組成，第一級(jí)是傳統(tǒng)厭氧流化床，第二級(jí)是FBMR。反響器應(yīng)用初沉后的生活污水為進(jìn)水。顆?；钚蕴?/span>(GAC)的流態(tài)化可削弱膜污染，使得在25℃，水力停留時(shí)間(HRT)為2.3h的條件下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)192d，廢水的化學(xué)需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)均勻濃度分別為25mg/L和7mg/L。反響器內(nèi)所產(chǎn)生的甲烷生物質(zhì)能大于實(shí)踐能耗，具有宏大的產(chǎn)能潛力。

　　在另一項(xiàng)研討中，Bae等經(jīng)過對(duì)單級(jí)和多級(jí)厭氧FBMR的比擬(圖2)，以為單級(jí)厭氧FBR可替代多級(jí)厭氧FBR以降低施工和運(yùn)維本錢。在小試獲得勝利后，該團(tuán)隊(duì)又在中試中評(píng)價(jià)了在不同溫度(8～30℃)下處置生活污水的多級(jí)厭氧FBMR的工作性能，其出水COD和BOD濃度分別為23mg/L和7mg/L。在這一過程中，僅需0.23kWh/m3的運(yùn)轉(zhuǎn)電耗。Evans等經(jīng)過對(duì)GAC載體與氣相分散厭氧膜生物反響器(AnMBR)的比擬，提出了一種由一級(jí)GAC載體流化床生物反響器和二級(jí)含超濾膜的氣相分散AnMBR組成的新型混合式膜反響器(MBR)。該反響器兼具GAC載體流化床可以縮短65%HRT和氣相分散AnMBR中膜的性能愈加穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，使得處置辦法愈加經(jīng)濟(jì)、有效。

　　AnMBR在中低溫度下處置城市生活污水具有優(yōu)勢(shì)。但是，膜污染成為限制該工藝的理想問題。Duppenbecker等將玻璃珠應(yīng)用于FBMR陶瓷膜中，由于玻璃微珠具有良好的沖刷作用，可顯著減少膜污染。在本研討中，外置錯(cuò)流膜工藝也有助于改善運(yùn)轉(zhuǎn)條件。

　　另一研討中，Gao等在研討35℃處置生活污水的一體化厭氧FBMR中發(fā)現(xiàn)HRT對(duì)COD去除率有顯著影響，在8h、6h和4h不同HRTs下，COD去除率分別約76%、74%和54%。多項(xiàng)研討標(biāo)明，低溫造成厭氧處置效果削弱。而MBR工藝能夠提供更好的處置效能，因其可降解更多厭氧過程中產(chǎn)生的可溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMPs)，使其在反響器中停留更長(zhǎng)時(shí)間。但是，低溫條件下，膜污染造成膜浸透性降低仍是一個(gè)棘手問題。因而，Gao等研討了在中低溫條件下采用一體化FBMR工藝處置生活污水。在35℃、25℃和15℃條件下，COD去除率分別為74%、67%和51%。相應(yīng)地，產(chǎn)甲烷活性分別為0.17、0.15和0.1L/(L.d)。HRT和膜通量分別在6h和7.1LMH堅(jiān)持恒定。

　　FBRs與MBR工藝相分離，以便同時(shí)從廢水中去除碳、氮和磷，滿足日益嚴(yán)厲的廢水排放規(guī)范。Alemu等報(bào)告稱間歇式曝氣FBMR工藝能夠有效去除NH4+-N和COD(>98%)。近年來，許多學(xué)者在不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下對(duì)不同生物反響器基于硫和硫代硫酸鹽的自養(yǎng)反硝化過程展開了研討。普通的填料床生物反響器已得到應(yīng)用，但系統(tǒng)存在傳質(zhì)阻力，可能造成反硝化速率較低。另外，還需從填料床出水中去除零落的生物膜。在此背景下，Zhang等應(yīng)用含硫FBMR克制傳質(zhì)阻力，從而提升出水水質(zhì)。并且添加甲醇或乙醇，開發(fā)硫自養(yǎng)反硝化工藝以減少硫酸鹽的生成。HRT為0.5h，以甲醇和乙醇為碳源的FBMR(1.4-3.84gNO3--N/(L?d))反硝化速率明顯優(yōu)于固定床生物反響器。

　　4、電化學(xué)生物流化床(FB-BESs)

　　除了膜生物反響器外，流化床(FBs)還與各種生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)相分離以提升其性能。BES是一種經(jīng)過陰極和陽極將電路接通，運(yùn)用電場(chǎng)能為反響動(dòng)力，應(yīng)用電流和電壓的變化對(duì)污染物實(shí)施氧化或復(fù)原的生物處置系統(tǒng)，有時(shí)系統(tǒng)中還含有離子交流膜將兩極隔開。依據(jù)能否需求施加外加電壓，BES主要可分為微生物燃料電池(MFCs)和微生物電解池(MECs)兩大類。FB-BES分離生物法處置本錢低，電化學(xué)能量應(yīng)用率高，有利于測(cè)定和自動(dòng)控制處置難降解有機(jī)物的特性。與傳統(tǒng)填充床生物電化學(xué)系統(tǒng)相比，FB-BESs可以減少梗塞問題、降低電阻和減小集電器體積，因而可應(yīng)用大容量BESs提升流化運(yùn)轉(zhuǎn)功率密度，促進(jìn)高效放電、提升電流和電功率、加強(qiáng)化學(xué)需氧量去除與庫侖效率。

　　Huang等在釀酒廢水處置過程中開發(fā)了一種應(yīng)用陽極室內(nèi)的流化床多孔聚合物載體發(fā)電的雙室厭氧流化床微生物燃料電池(AFB-MFC)。該燃料電池的正負(fù)極均由碳纖維紙制成，經(jīng)過質(zhì)子交流膜將兩室隔開。AFB-MFC的功率密度到達(dá)了124mW/m2，去除了80%～90%的化學(xué)需氧量。

　　Kong等開發(fā)了一種應(yīng)用空氣陰極和GAC或顆粒石墨作為流化床載體的單室AFB-MFC。石墨顆粒(530mW/m2)的最大功率密度高于GAC(410mW/m2)。Liu等經(jīng)過比擬GAC流化床(951±10mW/m2)、GAC填料床(813±2mW/m2)和不含GAC填料床(525±1mW/m2)時(shí)的最大功率密度，證明了生物膜掩蓋GAC顆粒可充任電容器，基于這一點(diǎn)，他們提出了在陽極室的生物膜中充電，并快速放電的可活動(dòng)電極反響器。

　　圖3和圖4為常見流化床生物電化學(xué)系統(tǒng)配置示例。

　　5、厭氧-好氧流化床

　　厭氧-好氧生物流化床由英國(guó)水研討中心開發(fā)，主要用于有機(jī)物和總氮的去除。廢水首先進(jìn)入?yún)捬醮玻渲械募嫘跃鷳?yīng)用有機(jī)物為電子供體，將硝酸鹽復(fù)原為氮?dú)猓欢诤醚醮矁?nèi)完成硝化反響。應(yīng)用高效生物反響器的厭氧-好氧系統(tǒng)能在較短的HRT下取得較高的COD去除率。Tavares等指出，在處置進(jìn)水COD為180mg/L的模仿廢水時(shí)，好氧流化床(AFB)可以在較短的HRT(30min)下取得較高的COD均勻去除率(80%)，對(duì)低濃度廢水(COD100～200mg/L)具有較大的處置潛能。由于具有高pH耐受性、較少的污泥產(chǎn)量和穩(wěn)定的COD去除才能，分離了UASB和AFB的反響器系統(tǒng)可以有效處置中等濃度的工業(yè)廢水。處置中等濃度的模仿紡織廢水(COD約為2700mg/L)時(shí)，在HRT為14h的狀況下，COD去除率達(dá)75%，相關(guān)于好氧系統(tǒng)，污泥產(chǎn)量要少45%。但是，Yu等指出，帶入到AFB反響器的厭氧污泥(1g揮發(fā)性懸浮固體(VS)/L)會(huì)造成反響器懸浮固體濃度的增加，降低好氧微生物的活性，實(shí)踐操作中應(yīng)盡可能的減少帶到AFB反響器中的厭氧污泥。

　　6、結(jié)論

　　近年來，國(guó)內(nèi)外研討了FBR技術(shù)的新開展主要包括：與重力沉降組合，減少有害物質(zhì)的負(fù)面影響；降流式流化床更有利于在反響器底部產(chǎn)生沉淀；FBR與生物膜分離，提升污泥停留時(shí)間和反響器性能；FBR與各種生物電化學(xué)系統(tǒng)相分離可提升其性能；結(jié)合厭氧-好氧系統(tǒng)能在較短的水力停留時(shí)間下取得較高的COD去除率。