朱文亭，顏玲，閻海英，邢國平，孫寶盛
（天津大學(xué) 環(huán)境工程系，天津 300072） 摘要：文中提出的循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器，對傳統(tǒng)移動床生物膜反應(yīng)器的運行方式和池型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，使水力流動特性進(jìn)一步改善，提高了處理效果。在清水條件下研究了反應(yīng)器的水力流動、接觸反應(yīng)和曝氣充氧特征，并通過驗研究了該工藝處理有機(jī)廢水的性能和效果。
關(guān)鍵詞：移動床生物膜反應(yīng)器；循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器；水力特性；載體
中圖分類號：X505
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
文章編號：1000-4602(2000)11-0051-04 移動床生物膜反應(yīng)器是近年來在生物接觸氧化法和生物流化床的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型高效生物膜法廢水處理裝置，它既具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長、剩余污泥量少的特點，又具有活性污泥法的高效性和運轉(zhuǎn)靈活性。國內(nèi)外的研究也證明，移動床生物膜反應(yīng)器處理生活污水、工業(yè)廢水及脫氮除磷都具有較好的效果［1、2、3］。由于池型和曝氣裝置的限制，生物載體在移動床反應(yīng)器內(nèi)的移動狀態(tài)不均衡，池內(nèi)不同程度地存在死區(qū)，混合傳質(zhì)效果受到影響；為保證載體的循環(huán)移動，所需動力消耗較高，在水力流動特性及能耗方面尚有待于改善。鑒于以上問題，遂對一般移動床生物膜反應(yīng)器的池型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，開發(fā)了循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器，并進(jìn)行了循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器處理有機(jī)廢水的試驗研究，獲得了可行的結(jié)果。 1 試驗概況 生物載體采用天津市科林思有限公司生產(chǎn)的CLS —Ⅲ型聚丙烯填料，技術(shù)參數(shù)如表1所示。 表1 填料的技術(shù)參數(shù)| 外觀 | 規(guī)格(mm) | 單個填料質(zhì)量(g) | 填料密度(g/mL) | 空隙率(%) | 總表面積(mm2) | 總比表面積(m2/m3) |  | 內(nèi)徑25
H=25，δ=0.6
外齒L=2 | 1.6987 | 0.96 | 54 | 5820.75 | 410.20 | 試驗裝置見圖1。 
在上升氣流的推動下，填料在反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)形成了良好的循環(huán)移動，混合液從隔板底部的圓孔流入到右側(cè)沉淀區(qū)，沉淀后的澄清水經(jīng)上部的溢流孔溢流出水。反應(yīng)器的導(dǎo)流板在此起了很好的導(dǎo)流作用，底角抹成斜面也是為了改善反應(yīng)器的流動特性進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。試驗用人工配制的葡萄糖廢水作為進(jìn)水，以標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定CODCr，并通過鏡檢了解生物膜構(gòu)成。試驗水力停留時間2～4h，進(jìn)水COD濃度200～650mg/L，容積負(fù)荷1.54～5.36kg/(m3·d)，每周期通過調(diào)整進(jìn)水濃度及進(jìn)水量改變?nèi)莘e負(fù)荷與水力停留時間，以考察不同停留時間下反應(yīng)器的特性。在保證整個反應(yīng)器中的填料循環(huán)移動和滿足微生物呼吸需氧的前提下，氣水比保持在10∶1，每個周期穩(wěn)定運行20d，以保證獲得穩(wěn)態(tài)結(jié)果。 2 試驗結(jié)果分析與討論 2.1 反應(yīng)器的工藝特征
2.1.1 水力流動特征
反應(yīng)器的構(gòu)造在很大程度上決定了它的水力特性，通過導(dǎo)流板的強(qiáng)制循環(huán)，使循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器的水力流動特性同一般移動床生物膜反應(yīng)器相比得到明顯改善，載體在全池內(nèi)的循環(huán)、混合傳質(zhì)效果更好，池內(nèi)幾乎不存在死角。結(jié)果表明，反應(yīng)器的長深比為0.5左右時，有利于填料的完全移動。
填料的填充比和曝氣量也影響著反應(yīng)器的水力流動特性。清水試驗發(fā)現(xiàn)，過大或過小的填充比都不利于填料轉(zhuǎn)動，當(dāng)填充比在30%～65%時，填料轉(zhuǎn)動較為充分，本試驗采用了55%的填充比。確定填充比后，打開進(jìn)氣閥門，并逐漸增大氣量(氣壓恒定在0.2 MPa)，記錄使得載體剛好在全池完全轉(zhuǎn)動或近似完全轉(zhuǎn)動的氣量值，然后觀察轉(zhuǎn)動情況，測定提升區(qū)內(nèi)載體的運動速度。測定結(jié)果見表2。 表2 水力流動特性測定結(jié)果| 填料填充比(%) | 32 | 35 | 39 | 44 | 48 | 53 | 60 | 65 | | 氣量(m3/h) | 0.33 | 0.35 | 0.38 | 0.42 | 0.45 | 0.49 | 0.55 | 0.61 | | 載體運動速度(m/s) | 0.24 | 0.26 | 0.26 | 0.28 | 0.31 | 0.35 | 0.38 | 0.42 | 2.1.2 接觸反應(yīng)特征
生物處理中的有機(jī)物降解，除了取決于微生物總量的多少外，還取決于允許有機(jī)物滲透的微生物膜表面積的大小，以及由該表面積所包圍的微生物的活性厚度。對于循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器，在不同的進(jìn)水流量下測定了反應(yīng)器內(nèi)各部分的COD濃度，發(fā)現(xiàn)提升區(qū)、回落接觸區(qū)、沉淀區(qū)和出水COD濃度相差不大(見表3)。 表3 反應(yīng)器內(nèi)COD濃度分布| 項目 | COD(mg/L) | | 流量(L/h) | 43 | 43 | 57 | 57 | 86 | 86 | | 進(jìn)水 | 338 | 551 | 466 | 513 | 318 | 447 | | 提升區(qū) | 35 | 65 | 67 | 79 | 85 | 109 | | 回落接觸區(qū) | 38 | 67 | 72 | 82 | 87 | 109 | | 沉淀區(qū) | 30 | 63 | 67 | 77 | 84 | 106 | | 出水 | 32 | 62 | 67 | 78 | 84 | 107 | 表3表明循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器大致符合完全混合流反應(yīng)器的特征，這種完全混合流態(tài)有利于污染物、溶解氧和生物載體的軸向與橫向混合，從而提高滲透速率，所有載體在池內(nèi)的地位和作用都是相同的，所有生物膜表面都是同一有效的；提升區(qū)內(nèi)載體自身之間的摩擦碰撞，以及氣液對其產(chǎn)生的剪切力，加速了生物膜的更新?lián)Q代，控制了載體表面生物膜的厚度，減小了內(nèi)傳質(zhì)阻力，有利于有機(jī)物的降解；由于載體與污水的循環(huán)速度不同，污水以較高的速度穿過載體間的空隙，并與載體表面的生物膜進(jìn)行接觸反應(yīng)，整個循環(huán)過程中，載體與污水始終處于良好的混合接觸狀態(tài)，強(qiáng)化了微生物與污水、氧氣間的三相傳質(zhì)過程。
2.1.3 曝氣充氧特征
驗采用微孔管曝氣。當(dāng)氣泡從空氣擴(kuò)散裝置釋放后高速上升，在受到水流剪切力的同時，撞擊載體表面，使氣泡破裂，直徑減小，相應(yīng)增大了接觸面積，另外也促進(jìn)了載體空隙間的水流循環(huán)，得以接觸到更多的水流。因而，在循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器的運行過程中，可明顯壓縮氣膜和液膜的厚度，增大接觸比表面積，從而大大提高了氧氣的傳質(zhì)速度。通過清水試驗測定了氧總傳遞效率系數(shù)KLa及氧利用率，結(jié)果見表4。 表4 清水條件下不同氣量的充氧性能測試| 氣量Q(m3/h) | 氧傳遞系數(shù)KLa(1/min) | 氧利用效率(%) | | 0.5 | 0.1916 | 11.6 | | 0.7 | 0.3164 | 13.65 | | 0.85 | 0.3403 | 12.09 | 清水充氧試驗結(jié)果表明，提高供氣量，氧傳遞系數(shù)也隨之提高，說明空氣流速增大，氣液接觸比表面積增大，紊流劇烈，氣膜和液膜均被壓縮，氧的傳遞速率加快。但是，當(dāng)供氣量大幅度提高時，形成的氣泡直徑增大，在液相中停留的時間短，氧的利用率反而有所下降。此外，由于曝氣量的不同，引起反應(yīng)器內(nèi)紊動程度及載體上生物膜所受剪切程度的不同，使反應(yīng)器內(nèi)的混合傳質(zhì)特別是生物膜更新速率存在一定差別，因而曝氣量的變化就間接地影響到處理效果。所以在實際工程應(yīng)用時，既要使曝氣池中溶氧在2 mg/L以上，又不宜曝氣量太高，否則不但會由于載體生物膜間剪切強(qiáng)度的增大，部分性能良好的生物膜被強(qiáng)制性脫落，影響生物降解，導(dǎo)致處理效果變差，而且會造成運行費用上不必要的浪費。
一般情況下，由于填料在反應(yīng)器中不斷循環(huán)移動的需要，移動床反應(yīng)器所需的空氣量應(yīng)遠(yuǎn)大于活性污泥法或固定床反應(yīng)器，而本工藝采用的氣水比(10∶1)接近于其他工藝，其節(jié)能特點顯而易見。
2.2 反應(yīng)器運行效果
2.2.1 水力停留時間對處理效率的影響
在循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器掛膜成功并達(dá)到穩(wěn)定運行后，分三個運行階段來考察水力停留時間對處理效果的影響。在水力停留時間分別為4h、3h、2h，進(jìn)水量分別為43L/h、57L/h、86L/h的條件下連續(xù)運行，測定的進(jìn)、出水的COD值及COD去除率的變化情況見圖2、3、4
。  
從圖中可以看出，在水力停留時間為4h、進(jìn)水COD濃度為280～650mg/L時，COD去除率達(dá)87%以上，出水COD值＜70mg/L；當(dāng)水力停留時間為3h，進(jìn)水COD濃度為200～550 mg/L時，COD去除率達(dá)83%以上；即使水力停留時間為2h時，去除率仍在70%以上，說明了循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器具有較強(qiáng)的處理能力。
另外，試驗過程中，進(jìn)水濃度由小到大，且有一定幅度波動，而出水濃度雖隨進(jìn)水濃度的增大而有所增大，但變化幅度卻大大減小，這說明循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器具有在較高的負(fù)荷下出水穩(wěn)定的優(yōu)點。因此，循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器中的污染物去除量及去除率均隨進(jìn)水COD濃度的提高而提高。
圖5給出了不同的水力停留時間下平均進(jìn)、出水濃度以及COD去除率的變化。 
由圖中可以看出，隨著停留時間的增加，COD去除率增大，且出水COD濃度也逐漸降低?？梢娡Ａ魰r間對去除率有一定的影響。但停留時間較短時，生物有機(jī)負(fù)荷較高，生物活性較低，
部分生物膜脫落，出水中隨流量的增大而夾帶少量生物膜流出，出水效果相對較差。延長停留時間，雖然出水效果好，但降低了處理負(fù)荷，提高了單位處理量工程造價和運行管理費用，在經(jīng)濟(jì)上是劃不來的。因此，綜合考慮去除效率、容積負(fù)荷與投資效率的關(guān)系，在實際運行中建議控制停留時間在3h左右。
2.2.2 容積負(fù)荷與COD去除率的關(guān)系  
圖6NV-η曲線圖反映了容積負(fù)荷發(fā)生變化時，COD去除率的變化情況，即去除率隨負(fù)荷升高呈上升趨勢。當(dāng)負(fù)荷為4.26kg/(m3·d)時，COD去除率可達(dá)85.4%，這表明循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器具有較高的抗沖擊能力和良好的混合流態(tài)及較強(qiáng)的充氧能力，使高濃度有機(jī)物迅速得到充分的稀釋與降解。
圖7為不同停留時間下NV-η曲線。
圖7表明，隨著停留時間的縮短，即進(jìn)水容積負(fù)荷的加大，整個試驗過程的COD去除率呈下降趨勢。但在相同的HRT下，COD去除率是隨著容積負(fù)荷的增大而增大的。從圖中還可以看出，在不同的HRT下，COD去除率上升的趨勢也不盡相同，隨著HRT的縮短，這種上升趨勢被減弱。
另外，在進(jìn)水容積負(fù)荷都為2.6kg/(m3·d)時，可以看出不同的水力停留時間下，COD去除率也不相同。即在近似相同的負(fù)荷下，水力停留時間越長，COD去除率就越高。由此可見循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器中水力停留時間的重要性。
2.2.3 容積負(fù)荷與去除COD負(fù)荷的關(guān)系 
由圖8可見，在試驗的容積負(fù)荷范圍內(nèi)，COD去除負(fù)荷是隨著容積負(fù)荷的增大而增大的，Nr與Nv大致成一直線關(guān)系，且在容積負(fù)荷為4.26kg/(m3·d)時，去除COD負(fù)荷也沒有下降。
去除負(fù)荷Nr與容積負(fù)荷Nv之間的正比關(guān)系可表示為Nr＝0.86Nv，其主要原因是負(fù)荷增高時，微生物周圍的營養(yǎng)物質(zhì)豐富，生物體的生長繁殖不受底物限制，因而細(xì)胞繁殖很快，活力也很強(qiáng)，故處理能力也必然提高。
2.2.4 污泥負(fù)荷與COD去除率的關(guān)系
如圖9所示，隨著污泥負(fù)荷的提高，COD去除率先是增加而后呈減少的趨勢。這是因為當(dāng)污泥負(fù)荷在一定范圍內(nèi)提高時，會引起生物濃度、生物膜厚的增大。同時，隨著水中營養(yǎng)物的增多，微生物的生長繁殖加快，處于較高的能量水平，具有較高的活力，代謝速度加快，因而降解有機(jī)物的速度也加快，去除率也隨之上升。但當(dāng)污泥負(fù)荷繼續(xù)增加至超出這個范圍時，因為微生物已達(dá)到最大比增殖速度，所以增加有機(jī)物的濃度會引起去除率下降。 
3 結(jié)論 ?、?循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器處理生活污水具有良好的效果。當(dāng)進(jìn)水COD為200～700mg/L，氣水比為10∶1，水力停留時間為4 h時，COD平均去除率可達(dá)88.8%。
② 循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器的充氧能力強(qiáng)，氧利用率達(dá)13%。因為載體循環(huán)移動的需要，一般移動床反應(yīng)器能耗較高，但本試驗采用的氣水比為10∶1，接近于其他生物膜法，節(jié)能效果明顯。
?、?循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài)接近完全混合流，良好的水力流動特征，在創(chuàng)造良好的傳質(zhì)效果的同時，也控制了生物膜厚度，使微生物始終處于生長旺盛的階段，進(jìn)而加快有機(jī)物的降解速率，而良好的接觸反應(yīng)特性則使微生物充分發(fā)揮其活性。所以，循環(huán)載體生物膜反應(yīng)器具有高效、出水穩(wěn)定和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的特點。
④ 水力停留時間是影響循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器運行性能的重要因素。在水力停留時間分別為4h、3h和2h時，反應(yīng)器的COD平均去除率為88.8%、84.7%和72%。 參考文獻(xiàn)：
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電話：(022)2740644327404480
收稿日期：2000-03-18 | 
