天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目
朱文亭 劉云奎 閻海英 (天津大學(xué)環(huán)境工程系)
叢廣志 (大連大窯灣水質(zhì)凈化廠)

　　該工藝的典型代表是生物轉(zhuǎn)盤，其生物載體由一片片圓盤狀平板組成。近年來，它的形狀由平板發(fā)展到波紋板、網(wǎng)板、蜂窩管、轉(zhuǎn)籠式、轉(zhuǎn)鼓式等多種形式。
　　該系統(tǒng)的基本原理是：微生物附著生長在載體表面上，載體在外力驅(qū)動(dòng)下在氧化槽內(nèi)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使載體上的微生物與污水和空氣不斷接觸，達(dá)到凈化污水的目的。
　　近年來國內(nèi)外科技工作者圍繞進(jìn)一步降低能耗、提高效率這一中心，針對(duì)RBC系統(tǒng)存在的問題，對(duì)它進(jìn)行完善改進(jìn)，取得了很大進(jìn)展。但是，這些改進(jìn)都是在動(dòng)力供給、與其它設(shè)施相組合、載體材料及形狀幾個(gè)方面上作文章。筆者認(rèn)為有必要從轉(zhuǎn)盤體本身的運(yùn)轉(zhuǎn)方式上著眼，提出一種新的生物轉(zhuǎn)盤運(yùn)行方式--回轉(zhuǎn)升降生物接觸工藝。工藝實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

　　本裝置改變了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤繞軸作圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，在氧化槽頂部設(shè)置一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪上掛有鏈條，在鏈條之間、垂直方向上按等距離放置串有轉(zhuǎn)盤體的橫軸。上部驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在鏈條的帶動(dòng)下，一串串轉(zhuǎn)盤作上下等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1 工藝和特點(diǎn)

　?、?每個(gè)轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)盤上各部分的線速度均一，盤面上各點(diǎn)的傳質(zhì)效率、氧傳遞效果及生物膜更新速度均衡。?
　　② 由于運(yùn)轉(zhuǎn)方式的改變，氧化槽水深不再受轉(zhuǎn)盤直徑制約。?
　?、?轉(zhuǎn)盤面積不變的情況下，由于轉(zhuǎn)體由數(shù)組小盤組合而成，單個(gè)轉(zhuǎn)盤尺寸可以減小。

2 主要工藝參數(shù)分析

2.1 轉(zhuǎn)速和線速度
　　生物轉(zhuǎn)盤需要有一定的轉(zhuǎn)速。Hartman的報(bào)告指出，基質(zhì)去除率隨轉(zhuǎn)速的0.1次方增大而增大^［1］。轉(zhuǎn)速高可以加劇液體的攪動(dòng)，充氧條件好，由于轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，在生物膜與污水間形成紊流。因此，生物膜與污水接觸較為充分，有機(jī)物分解效率高。同時(shí)可防止進(jìn)水短路和生物膜碎片下沉。通常在半徑一定的情況下，線速度與轉(zhuǎn)速成正比，由于轉(zhuǎn)速提高而外緣線速度過高(通常最大線速為20 m/min)，致使轉(zhuǎn)盤外圍生物膜由于受到過大的水力剪切而脫落嚴(yán)重，但是盤中心處的生物膜受剪切力很小而厚度過大，膜內(nèi)層往往呈厭氧狀態(tài)。這樣整個(gè)轉(zhuǎn)盤生物膜生長嚴(yán)重不均勻，內(nèi)外緣生物膜質(zhì)量差，起作用不太大，浪費(fèi)了轉(zhuǎn)盤面積。改進(jìn)后的生物轉(zhuǎn)盤(如圖1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，盤片上各點(diǎn)線速度均一(因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間整個(gè)盤體作上下直線運(yùn)動(dòng))，生物膜生長狀況處于一個(gè)工況點(diǎn)，可大大改善生物膜質(zhì)量和質(zhì)量傳遞效應(yīng)。
　　新的運(yùn)行方式使得轉(zhuǎn)盤線速度均一，并可按實(shí)際需要調(diào)節(jié)到一定的數(shù)值，盤上各點(diǎn)可達(dá)到同樣高的線速度，此時(shí)，曝氣區(qū)攜帶的液體在生物膜上所形成的滯液層厚度加大，因?yàn)橐耗髻|(zhì)系數(shù)K_m=D_sδ₁/2，所以液膜和主體液一樣，傳質(zhì)速率增大^［2］。盡管線速度增大時(shí)，會(huì)減少通過曝氣區(qū)的基質(zhì)降解，但是曝氣區(qū)每單位時(shí)間去除的基質(zhì)質(zhì)量仍稍有增加，因此，線速度的增大有利于浸水區(qū)和曝氣區(qū)總的基質(zhì)去除^［1］。
　　因?yàn)檎麄€(gè)轉(zhuǎn)盤的線速度達(dá)到同樣高的數(shù)值，所以可近似認(rèn)為生物膜表面的溶解性有機(jī)物濃度與液體主體相等，使得膜表面始終處于F/M值較高的狀態(tài)，微生物處于快速生長期，甚至對(duì)數(shù)生長期，所以表層微生物活性相當(dāng)高，此時(shí)的生物膜不會(huì)過厚呈厭氧狀態(tài)^［3］。Douglas B.Spengel綜合考慮到有機(jī)物和氧濃度對(duì)基質(zhì)去除率的影響，推出如下公式：

　　Rs=ds/dt=(μ_maxX_sA/Yδ_B)·(S/(K_s+S))·(S_o/K_so+S_o)
　　式中　A --- 表面積，m²?
　　　　　S --- 基質(zhì)濃度，mg/L
　　　　　t --- 時(shí)間，d
　　　　　Y --- 產(chǎn)率系數(shù)，g生物/g基質(zhì)
　　　　　R_s --- 基質(zhì)去除率，mg/(L·d)
　　　　　X_a --- 微生物濃度，g/m²
　　　　　S_o --- 氧濃度，mg/L
　　　　　δ_B --- 附著生物膜厚度，m
　　　　　μ_max --- 生物最大比增長速率，d^-1?
　　　　　K_s、K_so --- 基質(zhì)和氧半飽和常數(shù)，mg/L
　　上式中，X_a應(yīng)當(dāng)是異養(yǎng)菌或自養(yǎng)菌濃度，實(shí)際中很難測定，所以該式準(zhǔn)確性也只能取決于二者的比例在盤上各點(diǎn)的一致性^[2]。本裝置好氧、活性高的生物膜的X_a值大，生物膜在較高的線速度下δ_B較小，所以有利于R_s的提高。
2.2 生物膜
　　通常RBC系統(tǒng)水力停留時(shí)間短，氧化槽內(nèi)懸浮生物量對(duì)基質(zhì)的去除可忽略，對(duì)大多數(shù)BOD的去除作用應(yīng)歸功于附著生物膜^［4］?。對(duì)于本裝置以各個(gè)盤體為對(duì)象，通過以上分析可知，生物膜的厚度、密度及生物相在各點(diǎn)可達(dá)到比較一致，這樣，建模時(shí)所受的限制條件大大減少，所建立的機(jī)理模式更能符合實(shí)際。多種微生物對(duì)基質(zhì)的競爭導(dǎo)致了微生物的密度分布、空隙結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散能力在空間上的不連續(xù)性和分層布局^［6］，而生物膜的結(jié)構(gòu)也會(huì)大大影響基質(zhì)的去除率^［5］。對(duì)于本裝置，均一的線速度和均一的水質(zhì)可使生物膜處于同一外界條件，這種情況對(duì)于研究生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)去除率的影響會(huì)是一個(gè)有益的啟示。
2.3 溶解氧
　　好氧生物轉(zhuǎn)盤的溶解氧供給能力是評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)及運(yùn)轉(zhuǎn)性能的主要標(biāo)志。溶解氧含量隨轉(zhuǎn)速的增大而提高，在一定范圍內(nèi)，提高溶解氧對(duì)處理效果有明顯影響；但達(dá)到一定濃度以后，對(duì)去除率的提高所起的作用就不大了。溶解氧達(dá)到2 mg/L，去除有機(jī)物可達(dá)到最好效果^［2］。本裝置由于各轉(zhuǎn)盤的線速度相同，通過調(diào)節(jié)可望達(dá)到統(tǒng)一的最佳充氧效果。由于氧化槽深度加大，充氧性能必須著重考慮，如果單從這一方面著手，可以提高驅(qū)動(dòng)輪的高度，增大圓盤數(shù)，在不改變浸濕面積的條件下，轉(zhuǎn)盤暴露于空氣中的時(shí)間增加，即吸氧時(shí)間增加。因此，通過以上或其它的調(diào)節(jié)方法，會(huì)改善氧化槽深度加大以后的充氧條件。?

參考文獻(xiàn)

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作者通訊處：300072 天津大學(xué)建工學(xué)院環(huán)境工程系96研 劉云奎
(收稿日期 1998-08-10)