彭黨聰 袁林江 張文英 王志盈
(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境工程系)

　　摘　要 采用一種新型輕質(zhì)多孔性載體，研究了內(nèi)循環(huán)生物流化床的水力特性。結(jié)果表明，在降流區(qū)接近于推流式，而升流區(qū)接近于完全混合式，整個反應(yīng)器可以模擬為一個推流式和一個完全混合式的串聯(lián)。隨著下向流速增加，膨脹率和回流比呈正比增加。該系統(tǒng)對NH+₄-N去除率達90%以上，容積負荷最大為2kgN/(m³·d),出水穩(wěn)定，抗沖擊能力強。循環(huán)速度和通氣量對處理效果有較大影響。
　　關(guān)鍵詞 內(nèi)循環(huán)生物流化床 水力特性 硝化

1 材料與方法

1.1 試驗裝置
　　生物流化床反應(yīng)器由兩根內(nèi)徑分別為60、29mm的有機玻璃管組成，內(nèi)、外兩區(qū)通水?dāng)嗝娣謩e為6.6、18.6cm²，內(nèi)、外筒的有效高度可通過空氣量及與出水槽液面高差來調(diào)節(jié)，穩(wěn)定運行時分別為0.95、0.9m，容積分別為0.63、1.68L，整個裝置置于25℃恒溫室內(nèi)(見圖1)。反應(yīng)器內(nèi)投置載體量為30g/L。

1.2 載體
　　載體 Perlite由法國國家應(yīng)用科學(xué)研究院贈送，粒徑0.986mm，γ_真＝213kg/m³，γ_表＝154kg/m³，比表面積6980m²/m³，內(nèi)部小孔孔徑為10～100μm。
1.3 廢水成分
　　采用人工配水，主要成分為NH₄Cl和NaHCO₃，還含有少量NaH₂PO₄及微量元素。廢水中N∶P＝10∶1，pH=7.5。
1.4 分析測試與試驗方法
　　水力動力學(xué)試驗采用去離子水(電導(dǎo)＜2μS)清水試驗，以NaCl為示蹤劑，脈沖輸入，一次注入0.3g/100mL，以電導(dǎo)儀測定出水中的電導(dǎo)率來代表示蹤劑濃度，以外加示蹤顏色物移動速度測定反應(yīng)器內(nèi)流速，用氣體流量計控制空氣量。
　　硝化特性試驗采用連續(xù)進出水。納氏試劑比色法測定氨氮^［3］，重量法測VSS。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力特性試驗
　　實際反應(yīng)器水力特性介于推流式反應(yīng)器(PFR)和完全混合式反應(yīng)器(CSTR)這兩種連續(xù)流反應(yīng)器的理想模式之間。對水力特性的判定可采用離散模型和完全混合反應(yīng)器串聯(lián)模型^［4、5］。離散模型中：

　　
　　式中　D--擴散系數(shù)
　　　　　U--水流速度
　　　　　γ--反應(yīng)速率

　　對于清水試驗γ＝0。C*＝C/C₀、_φ＝t/θ＝V_t/φ、Z*＝Z/L分別表示無量綱濃度、時間和長度，代入式(1)后得到：

　　
　　式中D/UL——離散數(shù)，代表縱向混合的程度，當(dāng)其→0時為完全PFR，當(dāng)其→∞時為完全的CSTR。

　　對式（2）求解。當(dāng)返混很小時，方程的解近似于正態(tài)分布，由正態(tài)分布規(guī)律推知：

　　D/UL=1/2δ_φ^{2 　　　　　　　(3)}

　　當(dāng)返混較大時，隨機變量_φ的方差δ_φ²

　　δ_φ²=2D/UL-2(D/UL)2[1-exp(-UL/D)]　　　　　(4)

　　試解后得到δ_φ²＝δ2/t2，再由式(4)求D/UL。
　　在完全混合串聯(lián)模型中，第n個反應(yīng)器出口物料濃度為：

　　C(t)=C_n=1/(n-1)!·[C₀/θ]·(t/θ)^n-1·exp(-t/θ)

　　式中　θ——每個反應(yīng)器停留時間
　　　　　C0——初始濃度
　　該函數(shù)的隨機方差為：

　　δ_φ²=1/n　　　　　　　(5)
　　n=1時為完全CSTR；n→∞時則為PFR；可根據(jù)C(t)曲線的δ_φ²值確定串聯(lián)級數(shù)n。

　　為了排除干擾便于確定，通常采用上述清水試驗?zāi)Ｐ蛠砼袛喾磻?yīng)器水力特性，此特性不會隨水質(zhì)變化而變化。該反應(yīng)器在處理廢水時，載體上已掛上生物膜，載體顆粒性質(zhì)與清潔載體相比略有不同，但不影響反應(yīng)器水力特性，因此首先測定了清水條件下該反應(yīng)器水力特性。按不同膨脹率下清水示蹤劑試驗結(jié)果分析：① C(t)曲線呈明顯的周期變化，這一點與反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)流動特性相吻合；②曲線的Ⅰ周期明顯與其他各個周期不同，其方差遠小于其他各個周期。這是由于Ⅰ周期所顯示的是示蹤劑單純經(jīng)過降流區(qū)后的濃度變化情況，它代表了降流區(qū)內(nèi)流體的流動特征；而其他各個周期代表了流體流經(jīng)降流區(qū)后的綜合結(jié)果。由此判斷，升流區(qū)和降流區(qū)的水力特性存在差異。
2.1.1 降流區(qū)的水力特征
　　對Ⅰ周期的數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)式(3)～(5)，分別對各膨脹率下的C(t)曲線進行計算，結(jié)果見表1。

表1 不同膨脹率下降流區(qū)的離散數(shù)和串聯(lián)級數(shù)

E（%）	20	32	40	50	70	80
	0.132	0.056	0.137	0.092	0.081	0.091
D/UL	0.070	0.028	0.074	0.046	0.041	0.046
n	7.6	17.9	7.3	10.9	12.3	11.0

　　從計算可以看出，降流區(qū)的離散數(shù)均<0.1，串聯(lián)級數(shù)幾乎都>10，據(jù)此可以判斷降流區(qū)水力特性以推流式為主。
2.1.2 升流區(qū)的水力特征
　　從前面的分析可知，C(t)曲線從Ⅱ周期開始代表的是示蹤劑流經(jīng)升流區(qū)和降流區(qū)后的縱向離散，并且是以上一次降流區(qū)的流出信號作為輸入信號，因此很難對其作理論上的精確計算，但各個周期示蹤劑縱向擴散逐次疊加的程度可以由各周期隨機變量方差的變化體現(xiàn)出來，由此可以作相對的比較。
　　仍采用前面的計算公式，以E＝80%為例，各周期隨機變量φ的方差計算結(jié)果如表2。

　　由表2可見，Ⅱ～Ⅴ各周期t和δ_φ²變化不大，說明此區(qū)水力特性近乎于完全CSTR，其余各個不同膨脹率下計算結(jié)果與此相同。
　　因此，整個反應(yīng)器可視為一個PFR與一個CSTR的串聯(lián)，這與文獻［2］推測的內(nèi)循環(huán)為兩個CSTR串聯(lián)而成的報道不同，其原因可能是由于所用載體及反應(yīng)器體積不同所致。在反應(yīng)器中，生化反應(yīng)在降流區(qū)中進行，此區(qū)的推流式水力特性與CSTR在相同容積和HRT時相比效率更高，而升流區(qū)的完全混合式水力特性也對此區(qū)進行的脫膜和充氧有利，因此該反應(yīng)器較一般反應(yīng)器更具優(yōu)點。
　　圖2、圖3是膨脹率與下向流流速和回流比的關(guān)系，可見下向流速增加，膨脹率呈正比增加，相應(yīng)回流比也同步增加。雖然下向流速過大或過小都使離散數(shù)增大(見表1)，但仍可通過膨脹率來調(diào)節(jié)流速和回流比。

2.2 反應(yīng)器硝化特性
2.2.1 進出水氨氮歷時變化
　　當(dāng)系統(tǒng)掛膜成功后，階梯式提高進水NH⁺4-N濃度，測定系統(tǒng)出水氨氮濃度。從結(jié)果來看，進水NH⁺4-N濃度在150mg/L以下，出水濃度為0～5mg/L；進水濃度達第一沖擊平臺220mg/L時，出水仍可維持在25mg/L以下；進一步增加進水濃度達到第二平臺350～400mg/L時，出水NH⁺4-N為25～100mg/L，效果變差；進水超過系統(tǒng)的處理極限(400mg/L)后，生物膜被完全破壞，出水濃度急劇增加?？梢娫摲磻?yīng)器對氨氮具有良好處理效果，具有較強的抗沖擊能力，出水穩(wěn)定。
2.2.2 投配負荷和進水濃度對去除負荷和去除率的影響
　　從圖4、圖5可見，隨著投配負荷的增加，去除負荷呈直線增加，當(dāng)達到2kgN/(m³·d)時，去除負荷也增加到最大值1.9kgN/(m³·d)；再增加投配負荷，去除負荷則急劇下降。從去除率看，當(dāng)投配負荷增加到1.2kgN/(m³·d)時,去除率由90%增到約98%，達到最大，之后隨投配負荷增加而下降，當(dāng)達到2.5kgN/(m³·d)時，去除率僅為40%左右。投配負荷維持在2kgN/(m³·d)以下時，可保持N去除率在90%以上。
　　在內(nèi)循環(huán)流化床中，循環(huán)流量遠大于進水流量，廢水進入反應(yīng)器后立即得到良好稀釋，因此，進水濃度和投配負荷對去除負荷和去除率的影響相同，進水濃度的提高歸結(jié)于進水投配負荷的增加。本系統(tǒng)的適宜投配負荷為1～2kgN/(m³·d)，極限負荷為2.5 kgN/(m³·d)，相對于普通活性污泥法硝化段容積負荷0.1kgN/(m³·d)和普通流化床硝化段負荷0.3～0.4kgN/(m³·d)而言^［6］增加了數(shù)倍，具有較高的效率。

2.2.3 曝氣量對去除率的影響
　　不同曝氣量下投配負荷與去除率關(guān)系見圖6。當(dāng)曝氣量由40L/h增至60 L/h時，相同投配負荷下去除率沒有明顯差異，但當(dāng)曝氣量增至80L/h時，去除率降低。硝化過程是絕對好氧過程，在本系統(tǒng)中，曝氣一方面是為了向水中載體增氧，另一方面是為了使載體流化，產(chǎn)生內(nèi)外循環(huán)和脫膜。經(jīng)測定在反應(yīng)器內(nèi)DO分別為2.9、3.5、4.3mg/L時，均可滿足好氧硝化需要。但供氣量低于40 L/h時，載體不能完全流化，去除率低；達到80L/h時，水力剪切作用強，造成生物膜大量脫落和膜變薄，降低了反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度，致使去除率下降；40～60L/h的曝氣量均可滿足反應(yīng)器正常要求，最小維持在40L/h。
2.2.4生物膜厚度對反應(yīng)器效率的影響
　　載體上生物膜厚度不但影響到反應(yīng)器內(nèi)生物量的多少，同時也影響到O₂的傳遞和污染物吸附與降解過程，生物膜過薄和過厚都會降低去除率。通過該系統(tǒng)中載體的電鏡掃描照片可見，最佳負荷下載體的部分微孔內(nèi)生長有生物膜，但仍有很多孔隙未長明顯的膜；高負荷下［2kgN/(m³·d)］載體的生物量略多于前者。在載體Perlite上的生物膜是非連續(xù)的，且為很薄的微膜，這與一般載體上生物膜的厚度概念有一定差異^［7］。經(jīng)110℃和650℃下烘干減重表明，載體生物量可達10～14g/L。

2.2.5 膨脹率和回流比對系統(tǒng)硝化的影響
　　從水力特性試驗中可知，該反應(yīng)器下向流速、回流比均與膨脹率呈正相關(guān)。而流速大小又會影響到膜的脫落與厚度，所以可通過控制膨脹率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硝化能力，結(jié)果見圖7。膨脹率增加，系統(tǒng)的投配負荷和去除率增加，但過大的膨脹率易使載體破碎，因此本系統(tǒng)可采用的最大膨脹率為100%。

3 結(jié)論

　　① 采用輕質(zhì)載體的內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器，升流區(qū)水力特性接近于完全混合式，降流區(qū)水力特性接近于推流式，整個反應(yīng)器可以模擬為一個CSTR與一個PFR的串聯(lián)。生化反應(yīng)區(qū)(外筒降流區(qū))和充氧脫膜區(qū)(內(nèi)筒升流區(qū))水力特性的不同有利于提高反應(yīng)器性能。
　?、?該反應(yīng)器下向流速、回流比與膨脹率呈正相關(guān)，因此可以通過控制膨脹率簡便地調(diào)節(jié)流速及回流比。
　?、?該反應(yīng)器對氨氮有較高的去除率，容積負荷高，抗沖擊能力強、出水穩(wěn)定，效率高。
　?、?該反應(yīng)器最大膨脹率為100%，通氣量最小可取40L/h，投配負荷最大可達2kgN/(m³·d)。

參考文獻

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　　作者簡介：彭黨聰 男 41歲 副教授 主要從事水污染控制工程教學(xué)與研究工作
　　通訊處：710055 西安市雁塔路13號 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境工程系
　　電　話：(029)2202727
　　(收稿日期 1998-12-01)