范瀟夢1，王紹文1，王鶴立2，赫俊國1，趙錳1，趙立功1，李文杰3，潘志鋒4
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)多相工藝研究中心，黑龍江哈爾濱150090；2.吉林建筑工程學(xué)院城市建設(shè)系，吉林長春130021；3.長春市市政工程設(shè)計(jì)研究院，吉林長春130021；4.廣東省佛山市政設(shè)計(jì)院，廣東佛山528000)

　　摘　要：采用高分散系高傳質(zhì)好氧生化反應(yīng)器對(duì)中高濃度廢水進(jìn)行了直接好氧曝氣處理，結(jié)果表明該工藝曝氣均勻，能夠避免曝氣死區(qū)，曝氣池中的污水、活性污泥、氣泡在強(qiáng)烈的湍動(dòng)下處于高分散狀態(tài)，大大提高了傳質(zhì)速率，從而縮短了曝氣池的 停留時(shí)間，節(jié)約了氣量，并且出水完全能夠達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的應(yīng)用前景。
　　關(guān)鍵詞：中高濃度廢水；受限曝氣；湍流剪切；傳質(zhì)
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)02-0046-03

　　污水好氧處理工藝是污水生物處理領(lǐng)域的主要技術(shù)之一，但目前該處理系統(tǒng)還存在著某些問題，如活性污泥反應(yīng)器—曝氣池池體占地面積大，曝氣充氧電耗一般占總動(dòng)力消耗的60%～70%，而能量利用率只有百分之幾^［1］。因而高效節(jié)能型曝氣設(shè)備的研制是當(dāng)前污水生物處理領(lǐng)域面臨的一個(gè)重要課題。?
　　目前曝氣池存在著兩大問題：其一是曝氣頭之間存在著曝氣死區(qū)或曝氣不足的地方，這些區(qū)域的氧與有機(jī)底物向活性污泥及生物膜轉(zhuǎn)移的速率遠(yuǎn)低于主流區(qū)，故生化效果很差，為此需要大大加長混合液在曝氣池中的停留時(shí)間，同時(shí)也就需要增大曝氣池的體積，另外由于主流區(qū)氣流相當(dāng)集中，不利于氧向水體中轉(zhuǎn)移，使得氧的利用率很低；其二是氧與有機(jī)底物向活性污泥菌膠團(tuán)、生物膜的傳質(zhì)速率很低，生化反應(yīng)生成物從活性污泥、生物膜移走的速率也很低，這一細(xì)部傳質(zhì)稱為亞微觀傳質(zhì)，由于其傳質(zhì)速率低(遠(yuǎn)低于生化反應(yīng)速率)，傳質(zhì)阻力比宏觀傳質(zhì)阻力高幾個(gè)數(shù)量級(jí)^［2］。高分散系高傳質(zhì)好氧生化反應(yīng)系統(tǒng)正是基于以上兩方面的考慮，在原有曝氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，大大加強(qiáng)了三相傳質(zhì)，提高了氧的利用率，節(jié)約了能耗，降低了運(yùn)行成本。

1　系統(tǒng)組成及機(jī)理

1.1　系統(tǒng)組成
　　如圖1所示，高分散系高傳質(zhì)好氧生化反應(yīng)系統(tǒng)由生物反應(yīng)器和曝氣受限器組成，即將作為生物膜附著載體和氣泡上升通道的固定式填料分層置于曝氣池內(nèi)，每層填料之間間隔300mm，曝氣池底鋪設(shè)大型微孔曝氣頭，池內(nèi)及填料表面靠曝氣維持一定濃度的生物量，從而去除原水中的有機(jī)物。

1.2　系統(tǒng)機(jī)理
　　高分散、高傳質(zhì)好氧生化反應(yīng)是通過受限曝氣實(shí)現(xiàn)的。均勻受限曝氣的基本原理如下：①氣泡在浮力作用下自動(dòng)上升，經(jīng)由曝氣受限器的小尺寸豎向通道時(shí)在水流中造成強(qiáng)烈的湍流剪切，并形成高比例、高強(qiáng)度的微渦旋，這些渦旋的離心慣性效應(yīng)大大增加了亞微觀傳質(zhì)速率，使得活性污泥菌膠團(tuán)及生物膜的生化反應(yīng)生成物盡快從其周圍移走，生化所消耗的氧與有機(jī)底物也盡快得到補(bǔ)充；②在小尺寸豎向通道中產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流剪切抑制了活性污泥絮體與氣泡的合并長大，使其處于高比表面積和有利的傳質(zhì)狀態(tài)，從而形成了曝氣池內(nèi)高分散、高傳質(zhì)的好氧生化反應(yīng)環(huán)境；③曝氣受限器的表面也是生物膜的附著面，由于受限器豎向通道中水流的強(qiáng)湍流剪切作用而使生物膜薄、活性好、傳質(zhì)效率高，因此均勻受限曝氣是高效活性污泥法與高效生物膜法的結(jié)合，并且在活性污泥曝氣池內(nèi)投加填料是降低污泥負(fù)荷、防止污泥膨脹和實(shí)現(xiàn)硝化的有效措施。

2　試驗(yàn)部分

2.1　廢水水質(zhì)
　　中高濃度廢水由玉米深加工淀粉廢水與生活污水按一定比例配制而成，水質(zhì)情況如表1所示。

表1試驗(yàn)用混合污水水質(zhì) 項(xiàng)目 濃度范圍 經(jīng)常值 pH值 6.3～7.0 6.8 COD(mg/L) 1300～2000 1500 BOD₅(mg/L) 700～1100 850 SS(mg/L) 92.5～165 118 NH₃-N(mg/L) 82.5～115 96.5 TP(mg/L) 21.0～55.8 34.2

2.2 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)工藝流程如圖2所示。

　　曝氣池內(nèi)填充填料作為受限器，使氣、水、泥的流動(dòng)受其通道壁面的限制而形成受限曝氣，強(qiáng)化亞微觀三相傳質(zhì)。底部鋪設(shè)大型微孔曝氣頭，形成均勻曝氣。試驗(yàn)用反應(yīng)器的有效容積為9.8m³，處理水量為2.45m³/h，受限器的內(nèi)徑為35mm，材料為聚丙烯。污泥回流比為60%，進(jìn)水與回流污泥采用自動(dòng)控制連續(xù)運(yùn)行。供氣量通過氣體流量計(jì)控制。
2.3　污泥馴化
　　以鄰近現(xiàn)有曝氣池內(nèi)的活性污泥為菌種，配加一定量的生活污水，以小氣量曝氣1d，同時(shí)將生活污水以小流量連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，二沉池連續(xù)出水。3d后填料上開始有稀薄的菌膠團(tuán)和大量的游離細(xì)菌，無填料處的污泥顏色呈黃褐色，污泥濃度逐漸增加，沉淀性能較好。之后逐漸加大高濃度廢水的流量，以提高配制混合污水的濃度。10d后進(jìn)水COD濃度提高到1500～2000mg/L，二沉池出水COD濃度基本穩(wěn)定在60mg/L左右，填料上的生物膜也變得致密，且具有了一定的厚度，這表明馴化成功，即投入正常運(yùn)行。?

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　在水溫為25～29℃、曝氣池停留時(shí)間為4h、氣水比為10∶1的典型運(yùn)行參數(shù)下，對(duì)高分散、高傳質(zhì)好氧生化反應(yīng)器處理中高濃度廢水進(jìn)行了30d的連續(xù)監(jiān)測。?
3.1　COD的去除效果
　　圖3是反應(yīng)器進(jìn)、出水的COD濃度隨時(shí)間的變化。

　　由圖3可見，進(jìn)水COD濃度隨時(shí)間在1300～2000mg/L之間變化，出水COD濃度可穩(wěn)定在50～60mg/L，其去除率為90%～95%。可見對(duì)有機(jī)物的去除效果很好。?
3.2　BOD₅的去除效果
　　試驗(yàn)中每2d取樣1次檢測進(jìn)、出水BOD₅，結(jié)果見圖4。?

　　由圖4可見，當(dāng)進(jìn)水BOD₅為700～1100mg/L時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)的出水BOD₅為18～30mg/L，去除率在97%左右。?
3.3　其他污染物的去除
　　試驗(yàn)中對(duì)SS、NH₃-N、TP、硫化物、揮發(fā)酚等指標(biāo)也進(jìn)行了定期監(jiān)測，進(jìn)、出水情況見表2。

表2　其他污染物進(jìn)、出水指標(biāo)mg/L? 項(xiàng)目 進(jìn)水 出水 SS 92.5～165 25～70 NH₃-N 82.5～115 20～32 TP 21.0～55.8 1.8～2.6 硫化物 4.1～8.4 0.6～0.9 揮發(fā)酚 0.25～0.42 0.001～0.01

　　由表2可見，出水中的SS、硫化物、揮發(fā)酚等指標(biāo)令人較為滿意，對(duì)N、P的去除率雖然較高，但出水濃度仍高于排放標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)后期在原工藝的前端添加了厭氧段以脫N除P，結(jié)果表明，出水N、P指標(biāo)完全能夠達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。?

4　活性污泥性能

　　高分散系高傳質(zhì)好氧生化反應(yīng)器對(duì)污染物的去除是由活性污泥與生物膜共同作用的結(jié)果，其中活性污泥要經(jīng)二沉池沉淀后回流到曝氣池，因此其沉淀性能直接影響出水水質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，此種中高濃度廢水曝氣池中活性污泥的SVI值較高(180～220左右)，但生物相 鏡檢過程中未發(fā)現(xiàn)大量絲狀菌，同時(shí)二沉池運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)污泥流失現(xiàn)象，污泥的顏[LL] 色也較正常，故認(rèn)為此種活性污泥的性能良好，可滿足工藝要求，對(duì)有機(jī)污染物有較高的去除率。

5　結(jié)論

　　①試驗(yàn)表明，采用均勻受限曝氣法處理中高濃度玉米廢水是可行的。在未經(jīng)酸化的情況下，當(dāng)進(jìn)水COD介于1300～2000mg/L、BOD₅介于700～1100mg/L時(shí)，經(jīng)4h曝氣 處理后可獲得COD＜60mg/L、BOD₅＜30mg/L的穩(wěn)定出水，達(dá)到行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?、诟叻稚⑾蹈邆髻|(zhì)好氧生化反應(yīng)器強(qiáng)化了三相傳質(zhì)，形成了良好的好氧生化環(huán)境，并可維持很高的生物量，保證了對(duì)此類廢水處理有較高的容積負(fù)荷［可達(dá)9 kgCOD/(m³·d)］，大大縮小了池體體積。
　?、墼囼?yàn)系統(tǒng)大大提高了氧的利用率，節(jié)省了氣量，氣水比只需10∶1即可使BOD₅去除率達(dá)97%以上。
　?、軐?shí)際運(yùn)行效果顯示，對(duì)此類中高濃度廢水的處理，該工藝明顯優(yōu)于傳統(tǒng)處理方法，不僅曝氣池體積可縮減30%～50%，曝氣能耗也可降低50%，而且系統(tǒng)具有運(yùn)行靈活、啟動(dòng)迅速、抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］王紹文，王鶴立，徐立群等.高分散系高傳質(zhì)均勻受限曝氣處理制革廢水的研究［J］.中國給水排水，1999，15(8)：1-5.
　?。?］王紹文，姜安璽，孫喆.混凝動(dòng)力學(xué)的渦旋理論探討［J］.中國給水排水，1991，7(1)：4-7.

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　　收稿日期：2001-07-17