流化床反應器(Fluidizedbedreactors，FBR)是利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態，實現載體流態化的生物反應器。廢水流經沸石、活性炭及多孔高分子聚合物等載體經吸附解吸作用去除其中的有機污染物，實現污水凈化。自20世紀70年代以來，有近2000篇關于FBR的科學論文發表，尤其是從1990年左右開始進入快速發展期。其中，FBR作為一種廢水處理的重要技術得到廣泛應用。曼哈頓學院(紐約)、美國環保署俄亥俄州辛辛那提市環境研究實驗室(MERL)和英國梅德梅納姆水研究中心合作首次開發了用于廢水處理的FBR技術。1980年，英國曼徹斯特舉行的WRC/UMIST會議上把FBR技術譽為近50年來廢水處理領域最重要的進步之一。20世紀80年代初，美國首個生產性規模流化床反應器在雷諾-斯巴克斯廢水處理廠成功投產。
此后的10年，通用汽車公司使用了DorrOliver公司開發的12套好氧FBR工藝設備。與此同時，1982年厭氧FBR在美國馬斯卡汀一家大豆蛋白工廠應運而生。1999年，DorrOliver提供兩座直徑9m、高8.5m的反應塔，采用FBR法處理酚醛負荷為1120kg/d的工業廢水。此后，BiothaneB。V。建立了多個二級厭氧FBR裝置。Degremont.S.A公司開發了基于FBR的ANAFLUX工藝，由于污泥濃度可高達30～90kg/m3，表觀升流液速可達10m/h，從而產生高效氣液傳質速率，使得系統非常高效。
根據2010年的WEF實踐手冊和ASCE報告，1999年建成的80多臺生產性規模FBR中有三分之二用于工業廢水處理;其余三分之一處理城市污水。Nicollela等認為，使用顆粒生物膜反應器是一項成熟的技術，具有成熟的設計和放大指南。實驗室和中試規模工廠研究了FBR對各種廢水的處理，能讓工廠未來在擴建或升級時滿足更嚴格的排放標準。
目前FBR系統已應用于各種廢水的處理處置。其主要優點，一是通過提供固液兩相的高強度混合，最大限度地減少傳質限制；二是能夠提供微生物生長和富集的載體和介質。因此，FBR可通過高基質負荷來富集生長緩慢的微生物。特別是對于含有毒物質廢水的處理有巨大優勢，液相中溶液的循環稀釋了進水濃度，使其對細菌達到無毒水平，并提供了完全混合的條件。FBR系統的突出優勢包括污泥濃度高、附著表面積大、稀釋進水濃度能減少毒物峰值的沖擊效應、更高的負荷以及適用于各種處理系統的有效傳質。
本文概述了FBR技術的新發展，主要包括：FBR分離固體產物、降流式流化床、流化床與生物膜結合、流化床與各種生物電化學系統(bioelectrochemicalsystem，BES)相結合以及厭氧-好氧系統的聯合利用，以期為該類高效系統的研發提供參考。表1總結了FBR新技術的適用范圍及處理優勢。
1、FBR中固體產物的分離
FBR與重力沉降器一體化工藝是以FBR為基礎，利用重力沉降器將冶金廢水中的鐵離子或硫酸鹽等進行沉淀去除的生物處理工藝。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。因此，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利用FBR實現了高效的生物鐵氧化。之后，該工藝被用于鐵浸出劑的生產。坦佩爾理工大學進行的一體化生物鐵氧化沉淀工藝是第一項關于FBR促進鐵浸出的研究，多余的鐵和硫酸必須去除以克服不必要的鐵沉淀對其他環節循環運行的負面影響，如堵塞泵、閥門、管道。同時，強酸性條件下，形成的黃鉀鐵礬也能對反應造成動力學障礙。如圖1所示，集成系統由FBR和重力沉降器組成。
同樣地，集成系統也用于從模擬含砷酸性廢水中去除砷。通過研究pH3.0～1.6范圍對砷去除效率和沉淀物穩定性的影響，結果表明，該系統具有從生物浸出廢水和強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：逆流化床反應器(IFBR)和逆流湍動床反應器(ITBR)
傳統的流化床反應器采用比重大于1且能夠呈向上流態化的載體材料。Nikolov和Karamanev探討了理想生物膜反應器的特性，并在此基礎上提出了一種用于生物膜研究的逆流化床反應器(Inversefluidizedbedreactor，IFBR)。Nikolov和Karamanev根據氣升原理開發的IFBR內部有一個導流筒，液體能夠在反應器中循環流動，或者可以通過將液體從反應器底部再循環到頂部來實現。逆流化的另一種類型為逆流湍動床(inverseturbulentbedreactor，ITBR)，它利用從反應器頂部到底部的沼氣循環來實現床層膨脹
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理、硒酸鹽生物還原、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表面活性劑和青霉素的生產等。
相比傳統的升流式流化床，降流式流化床的優勢在于反應器底部可用于沉淀。Sahinkaya和Gungor提出，降流式流化床中形成的金屬硫化物可以通過沉淀，在反應器底部與細胞分離。然而，研究還發現生物還原硫酸鹽和金屬沉淀時，在升流式流化床反應器中利用電子供體還原硫酸鹽的效率更高，而在降流式流化床反應器中會產生較多的甲烷。
3、流化床膜生物反應器
將流化床與超/微濾膜相結合，形成流化床膜生物反應器(Fluidized-bedmembranebioreactor，FB-MR)，綜合了傳統活性污泥法和生物膜法的優點，通過向反應器中投加一定數量的懸浮載體，提高反應器中的生物量及生物種類，改善生長緩慢的微生物的細胞停留時間，提高反應器性能。
Yoo等采用小試分級厭氧FBMR處理生活污水。該過程由兩個獨立的FBR組成，第一級是傳統厭氧流化床，第二級是FBMR。反應器利用初沉后的生活污水為進水。顆粒活性炭(GAC)的流態化可減弱膜污染，使得在25℃，水力停留時間(HRT)為2.3h的條件下，連續運行192d，廢水的化學需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)平均濃度分別為25mg/L和7mg/L。反應器內所產生的甲烷生物質能大于實際能耗，具有巨大的產能潛力。
在另一項研究中，Bae等通過對單級和多級厭氧FBMR的比較(圖2)，認為單級厭氧FBR可代替多級厭氧FBR以降低施工和運維成本。在小試取得成功后，該團隊又在中試中評價了在不同溫度(8～30℃)下處理生活污水的多級厭氧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的運行電耗。Evans等通過對GAC載體與氣相分散厭氧膜生物反應器(AnMBR)的比較，提出了一種由一級GAC載體流化床生物反應器和二級含超濾膜的氣相分散AnMBR組成的新型混合式膜反應器(MBR)。該反應器兼具GAC載體流化床能夠縮短65%HRT和氣相分散AnMBR中膜的性能更加穩定的優點，使得處理方法更加經濟、有效。
AnMBR在中低溫度下處理城市生活污水具有優勢。但是，膜污染成為限制該工藝的現實問題。Duppenbecker等將玻璃珠應用于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。在本研究中，外置錯流膜工藝也有助于改善運行條件。
另一研究中，Gao等在研究35℃處理生活污水的一體化厭氧FBMR中發現HRT對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%。多項研究表明，低溫導致厭氧處理效果減弱。而MBR工藝可以提供更好的處理效能，因其可降解更多厭氧過程中產生的可溶解性微生物代謝產物(SMPs)，使其在反應器中停留更長時間。然而，低溫條件下，膜污染導致膜滲透性降低仍是一個棘手問題。因此，Gao等研究了在中低溫條件下采用一體化FBMR工藝處理生活污水。在35℃、25℃和15℃條件下，COD去除率分別為74%、67%和51%。相應地，產甲烷活性分別為0.17、0.15和0.1L/(L.d)。HRT和膜通量分別在6h和7.1LMH保持恒定。
FBRs與MBR工藝相結合，以便同時從廢水中去除碳、氮和磷，滿足日益嚴格的廢水排放標準。Alemu等報告稱間歇式曝氣FBMR工藝可以有效去除NH4+-N和COD(>98%)。近年來，許多學者在不同運行條件下對不同生物反應器基于硫和硫代硫酸鹽的自養反硝化過程開展了研究。一般的填料床生物反應器已得到應用，但系統存在傳質阻力，可能導致反硝化速率較低。另外，還需從填料床出水中去除脫落的生物膜。在此背景下，Zhang等利用含硫FBMR克服傳質阻力，從而提高出水水質。并且添加甲醇或乙醇，開發硫自養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))反硝化速率明顯優于固定床生物反應器。
4、電化學生物流化床(FB-BESs)
除了膜生物反應器外，流化床(FBs)還與各種生物電化學系統(BES)相結合以提高其性能。BES是一種通過陰極和陽極將電路接通，使用電場能為反應動力，利用電流和電壓的變化對污染物進行氧化或還原的生物處理系統，有時系統中還含有離子交換膜將兩極隔開。根據是否需要施加外加電壓，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結合生物法處理成本低，電化學能量利用率高，有利于測定和自動控制處理難降解有機物的特點。與傳統填充床生物電化學系統相比，FB-BESs能夠減少堵塞問題、降低電阻和減小集電器體積，因此可利用大容量BESs提高流化運行功率密度，促進高效放電、提高電流和電功率、增強化學需氧量去除與庫侖效率。
Huang等在釀酒廢水處理過程中開發了一種利用陽極室內的流化床多孔聚合物載體發電的雙室厭氧流化床微生物燃料電池(AFB-MFC)。該燃料電池的正負極均由碳纖維紙制成，通過質子交換膜將兩室隔開。AFB-MFC的功率密度達到了124mW/m2，去除了80%～90%的化學需氧量。
Kong等開發了一種利用空氣陰極和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等通過比較GAC流化床(951±10mW/m2)、GAC填料床(813±2mW/m2)和不含GAC填料床(525±1mW/m2)時的最大功率密度，證明了生物膜覆蓋GAC顆粒可充當電容器，基于這一點，他們提出了在陽極室的生物膜中充電，并快速放電的可流動電極反應器。
圖3和圖4為常見流化床生物電化學系統配置示例。
5、厭氧-好氧流化床
厭氧-好氧生物流化床由英國水研究中心開發，主要用于有機物和總氮的去除。廢水首先進入厭氧床，其中的兼性菌利用有機物為電子供體，將硝酸鹽還原為氮氣；而在好氧床內完成硝化反應。利用高效生物反應器的厭氧-好氧系統能在較短的HRT下獲得較高的COD去除率。Tavares等指出，在處理進水COD為180mg/L的模擬廢水時，好氧流化床(AFB)能夠在較短的HRT(30min)下獲得較高的COD平均去除率(80%)，對低濃度廢水(COD100～200mg/L)具有較大的處理潛能。由于具有高pH耐受性、較少的污泥產量和穩定的COD去除能力，結合了UASB和AFB的反應器系統能夠有效處理中等濃度的工業廢水。處理中等濃度的模擬紡織廢水(COD約為2700mg/L)時，在HRT為14h的情況下，COD去除率達75%，相對于好氧系統，污泥產量要少45%。然而，Yu等指出，帶入到AFB反應器的厭氧污泥(1g揮發性懸浮固體(VS)/L)會導致反應器懸浮固體濃度的增加，降低好氧微生物的活性，實際操作中應盡可能的減少帶到AFB反應器中的厭氧污泥。
6、結論
近年來，國內外研究了FBR技術的新發展主要包括：與重力沉降組合，減少有害物質的負面影響；降流式流化床更有利于在反應器底部產生沉淀；FBR與生物膜結合，提高污泥停留時間和反應器性能；FBR與各種生物電化學系統相結合可提高其性能；聯合厭氧-好氧系統能在較短的水力停留時間下獲得較高的COD去除率。(來源：杭州師范大學生命與環境科學學院)
