（环境工程专业论文）循环移动载体生物膜反应器工艺性能的研究.pdf

摘要v7 0 0 5 63 摘要 移动床生物膜反应器( m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r ，简称m b b r ) 是一种新型 生物膜反应器，具有许多显著的优点。但是，这种反应器内设填料，由于填料在 反应器中移动不均匀，存在较大的死角。鉴此，本课题设计了循环移动载体生物 膜反应器( c m c b r ) ，在移动床生物膜反应器中引入导流板，改进了它的结构和 运行方式，提高了反应器的效能。经过理论分析和试验研究，得到以下结论： ( 1 ) 清水试验证明，循环移动载体生物膜反应器的混合液流态接近理想全 混合反应器，各区域混合液的物理和化学性质相差不大。 ( 2 ) 运行试验发现，反应器构造、填料填充比和曝气充氧性能对循环移动 载体生物膜反应器的水力特性具有较大的影响。 反应器中液体的循环混合状态与供气量、导流板和反应器底部的距离、挡板 上方的液面高度以及提升区和回落区的面积之比有关。权衡诸因素，导流板与反 应器底部的距离以及挡板l 方的液膜高度宜取2 5 0 r a m ，提升区和回落区的面积 之比宜取2 3 。 随着填料填充比的增加，氧转移系数逐渐上升，综合考虑其对循环流速和经 济性的影响，填充比宜选择5 0 。 加大曝气量，促进水流紊动，有利于氧的传递利用，但气量过高又会导致氧 利用率下降，气水比宜取l o ：l 。 ( 3 ) 运行试验发现，水力停留时间是影响c m c b r 去除效果的重要因素， 在水力停留时间分别为2 h 、3 h 和4 h 的条件下，该反应器的c o d 去除率依次为 7 1 7 、8 4 和8 7 7 。兼顾反应器效能和运行费用，h r t 宜取3 h 。 ( 4 ) 运行试验发现，循环移动载体生物膜反应器适用于生活污水的处理， 在进水c o d 浓度为3 2 0 6 5 0 m g 1 ，水力停留时间为4 h 的条件下，c o d 去除率 可达8 7 7 ，出水c o d 浓度小于1 0 0 r a g 1 ，达到国家综合废水排放标准。 该反应器具有较强的抗冲击负荷能力，出水水质稳定。 ( 5 ) 运行试验发现，与相关生物反应器相比，循环移动载体生物膜反应器 内的生物量不高，其高效的原因是微生物活性较高。 浙江人学倾卜学位论立 摘要 关键词：循环移动载体生物膜反应器；工艺性能；生活污水 浙江人学倾卜学位论立 a b s t r a c t a b s t r a c t m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) i s an e wa n de f f i c i e n tb i o f i l mr e a c t o rf o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dh a ss h o w nm a n y a d v a n t a g e s h o w e v e r ，t h e c a r r i e r m o v e m e n ti nm b b ri sn o th o m o g e n e o u s ，w h i c hr e s u l t si nal a r g ed e a ds p a c e an e w r e a c t o rc a l l e dc i r c u l a t e dm o v i n gc a r r i e rb i o f i l mr e a c t o r ( c m c b r ) w a s d e s i g n e db y c h a n g i n gt h eo p e r a t i o nm a n n e ra n dr e a c t o rc o n f i g u r a t i o no fm b b rb yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc o u l db ed r e w ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a lt e s t w i t ht a pw a t e ri n d i c a t e dt h a tt h ef l o wp a t t e r no f c m c b rw a ss i m i l a rt ot h a to ft h ei d e a lc o m p l e t e l ym i x e dr e a c t o r t h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r si nd i f f e r e n tr e g i o nw e r ea l m o s tt h es a m e ( 2 ) t h er e a c t o rc o n f i g u r a t i o n ，t h er a t i oo f c a r r i e rv o l u m et ot o t a lv o l u m ea n dt h e a e r a t i o nm o d eh a d l a r g ei n f l u e n c eo n t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f c m c b r t h ec i r c u l a t i o na n d m i x i n g s t a t ei nt h er e a c t o rw e r es h o w nt or e l a t ew i t ht h eg a s f l o wr a t e ，t h eg a pb e t w e e nt h eb o a r da n dt h eb o t t o mo fr e a c t o ra n dt h el i q u i dh e i g h t a b o v et h eb o a r d a f t e ra l lt h ef a c t o r sw e r et a k e ni n t o a c c o u n t ，2 5 0 m m w a s r e c o m m e n d e df o rb o t ht h eg a pb e t w e e nt h eb o a r da n dt h eb o t t o mo fr e a c t o ra n dt h e l i q u i dh e i g h ta b o v et h eb o a r d 2t o3w a ss u g g e s t e df o rt h er a t i oo f t h er a i s i n ga r e at o d o w n c o m i n g a r e a w i t hi n c r e a s eo ft h er a t i oo fc a r r i e rv o l u m et ot o t a l v o l u m e ，o x y g e nt r a n s f e r c o e f f i c i e n tg r a d u a l l yb e c a m ei a r g e r a f t e rt h ee f f e c to fc a r r i e rv o l u m eo nc i r c u l a t i o n r a t ea n dr e a c t o ri n v e s t m e n tw a s c o n s i d e r e d ，5 0 w a ss u g g e s t e df o rt h er a t i oo fc a r r i e r v o l u m et ot o t a lv o l u m e w i t hi n c r e a s eo f o x y g e ns u p p l y , t h eu s eo fo x y g e nw a si m p r o v e d b u tas t r o n g a e r a t i o nl e dt oad e c r e a s eo fo x y g e nu t i l i z a t i o nr a t i o t h es u i t a b l er a t i oo f g a sf l o w r a t et ow a t e rf l o wr a t ew a sa b o u tl o ：1 ( 3 ) h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) i so r eo ft h ek e yp a r a m e t e r sw h i c hh a v e e f f e c to nr e m o v a le f f i c i e n c yw h e nh r tw a ss e ta l2h o u r s ，3h o u r sa n d4h o u r s ， r e s p e c t i v e l y , t h ec o d r e m o v a lw a s71 7 ，8 4 a n d8 7 7 t h es u i t a b l eh r tw a s3 h o u r sa f t e rb o t ht h er e a c t o re f f i c i e n c ya n de c o n o m i c a jf a c t o rw e r ec o n s i d e r e d 浙江大学硕l j 学位论文 ( 4 1c m c l 3 rw a ss u i t a b l et ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e r w h e nt h ec o d c o n c e n t r a t i o nw a s3 2 0 6 5 0 r a g la n dh r tw a s4 h ，t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yw a s a b o u t8 7 7 ，a n dt h ee f f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nw a sl e s st h a n10 0 m g 1 w h i c h s a t i s f i e dt h en a t i o n a ls t a n d a r df o rw a s t e w a t e r d i s c h a r g e t h er e a c t o rh a da h i g ht o l e r a t i o nt oc o dl o a d i n gs h o c ka n di tc o u l dk e e pt h e e f f l u e n tq u a l i t ys t a b l e ( 5 ) c o m p a r e dw i t ho t h e rb i o f i l mr e a c t o r s t h eb i o m a s si nc m c b rw a sl o w , a n d t h eh i g he f f i c i e n c yr e s u l t e df r o mt h e h i g hm i c r o b i a la c t i v i t y k e yw o r d s ：c i r c u l a t e dm o v i n g c a r r i e rb i o f i l m r e a c t o r ，p r o c e s sp e r f o r m a n c e ， d o m e s t i cw a s t e w a t e r 浙江大学颂1 1 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 污水处理就是采用各种技术手段，将污水中的污染物质分离出来，或将其 转化为无害的物质，从而使水污染得到控制的工程过程。 按作用原理，现代污水处理技术可分为物理化学法与生物化学法两类。物 理化学法包括吸附法、离子交换法、膜分离法等。一般用于生化处理的予页处理和 后处理，也可用于废水的直接处理。生物化学法则可利用微生物的代谢作用，使 污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物质转化为稳定、无害的物质f i l o 一般用于 有机废水的二级处理。 根据微生物在水中的存在状态，生物化学法可分为活性污泥法和生物膜法。 在活性污泥法中，污水处于搅动紊流状态，微生物以细小的生物絮体悬浮 于污水中，微生物与污染物紧密接触，吸附和分解水中的有机污染物。搅动停止 后，细小的絮体絮凝成较大的絮体而沉降，沉降的活性污泥回流至曝气池循环利 用f 引。 在生物膜法中，微生物附着生长在填料的表面，形成胶质相连的生物膜， 在处理过程中，水的流动和空气的搅动，使生物膜表面不断和水接触，污水中的 有机物和溶解氧为生物膜所吸附，生物膜中的微生物不断分解这些有机物。在污 水中有机物不断被去除的同时，生物膜本身也不断新陈代谢，衰老脱落的生物膜 随被净化的污水从生物处理构筑物中带走，并在沉淀池中分离【孔。 在处理构筑物上，活性污泥法和生物膜法有显著的差别：但在微生物对有 机物的代谢过程、有机物去除动力学、氧的消耗和细胞物质的合成等方面却有许 多共同的规律。 1 1 生物膜法 生物膜法般包括生物滤池、生物转盘及生物接触氧化法等。早在1 8 9 3 年， 英国科贝特( c o r b e t t ) 在索尔福城( s a l f o r d ) 就创建了具有喷嘴布水装置的生物 滤池，这也是废水生物处理工程中最早出现的生物滤池【钔。这种生物滤池又称滴 洒滤池，废水周期性地在滤床上部喷洒，并让废水渗滤通过滤床得到净化，它主 浙江大学坝l 学位论文 第一章绪论 要采用碎石、卵石、焦碳、炉渣及各种管式和蜂窝填料，以自然通风的方式为滤 池提供微生物所需的氧气。滴洒滤池占地面积大，滤料易于堵塞，容易产生滤蝇， 容积负荷和b o d 去除率低于活性污泥法1 5 j 。从二十世纪中叶开始。逐渐被活性污 泥法取代，主要用于小流量家庭生活污水或工业废水的预处理。 由于新型合成材料的大量生产，生物膜法获得了新的发展。自从生物滤池 中开始使用高强、轻质、比表面积大、空隙率大的塑料填料后，生物滤池的应用 范围逐渐扩大，人们对生物膜反应器的兴趣也重新唤起。先后涌现了高负荷生物 滤池、塔式生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池、生物流化床等生物膜反应器， 并在纺织、印染、化纤等行业的废水中得到广泛应用f 6 】。 生物转盘由传统生物滤池演变而柬。生物膜的形成、生长及其降解有机污 染物的机理，都与生物滤池基本相同。主要区别是以一系列转动的盘片代替固定 的滤料。部分盘片浸渍在污水中，通过不断转动与废水接触，氧则在盘片转出水 面与空气接触时吸取。由于在转盘生物膜上能够栖息高级营养水平的生物，食物 链较长，因此污泥生成量较少。与活性污泥法比较，生物转盘有电能消耗少、抗 冲击负荷能力强、无需污泥回流、易于维护管理等优点。其缺点是占地面积大、 散发臭味叽目前，国外生物转盘主要用于处理生活污水和食品工业废水，我国 生物转盘主要用于处理工业废水。 生物接触氧化法是同本小岛贞男在七十年代初首创的。在生物接触氧化池 内设置填料，填料上生长生物膜，污水以定的速度流经填料，在生物膜的作用 下，使污水得到净化。生物接触氧化池实际上是一种浸没在水中的滤床，也是一 种具有人工曝气装置的生物滤池，它是曝气池和生物滤床的复合体，兼有活性污 泥法和生物膜法的性能。曝气装置一般设在填料下，不仅供氧充足，而且对生物 膜起着搅拌冲刷作用，可加速生物膜的更新。生物接触氧化池具有生物活性高、 耐冲击负荷能力强、动力消耗低、污泥产量低及出水水质好而稳定的特点吲。最 初，它采用塑料滤料等硬性填料。后来，由于其水力流动性差，生物膜易堵塞， 逐渐被软性纤维填料所取代。软性纤维填料除了具有质轻、高强、耐腐蚀的优点 外，还具有比表面积大、空隙率高的优点，但它也存在纤维束容易集结成团，束 中心容易出现厌氧状态的问题。为了克服软性纤维填料的缺陷，人们又研发了半 软性纤维填料，它既有一定的刚性，又有一定的柔性，既能保持一定的形状，又 浙江凡学坝l 。学位论史 第一章绪论 能产生一定的变形 9 1 。 污水生物处理技术的发展，从反应器的角度看，一方面是提高单位体积内 的生物量特别是活性生物量；另一方面是加强传质作用，强化有机底物从污水 中向细菌细胞传递的过程。 为了进一步强化生物膜工艺，提高废水的处理效率，必须通过增加微生物 附着生长的固体介质表面积，以提高单位容积的生物量；加快污水与生物膜之问 的相对运动，提高废水与生物膜的接触面积与机会；并相应地提高对污水的充氧 能力】。为此，七十年代初，国外研究者应用化工上的流化态技术，开发了用 于废水处理的，土物流化床”j 。生物流化床是以粒径小于l m m 的砂石、焦炭或活性 炭等作载体，通过回流和曝气，使载体保持在流化工作状态，其上的生物膜活性 高，强化了有机污染物由污水向生物膜细胞内的传质过程，从而达到了高效处理 废水的目的。 随着污水生物处理技术的不断进步与发展，填料的开发诈向着生物密集型、 固定化微生物型和悬浮型填料的方向发展。其中，悬浮型填料是挂膜后的比重基 本上接近于水的填料，能自由悬浮在水中，这样可使微生物与污染物质之问接触 机会更多，可使水体中的氧分布更均匀，并免除固定填料所需的支架。伴随着悬 浮型填料的问世，一种新型、高效、低能耗的生物废水处理装置移动床生物 膜反应器应运而生。 1 2 移动床生物膜反应器 1 9 8 7 年召丌的“第二次保护北海国际会议”上达成一项政治协议，要求北 海周围各国切实降低排放的营养物质总量。作为履行协议的一部分，北海周围国 家现有污水厂需增加脱氮功能并需建立些新的污水厂。当时挪威最有效的脱氮 工艺是淹没式生物滤池，由于容易堵塞，需定期反冲洗，运行比较复杂，而挪威 现有的污水厂多采用传统活性污泥法，没有脱氮功能，在运行中经常出现因水力 冲击负荷而造成的污泥沉降困难，致使污泥流失。为了解决上述问题，迫切需要 - 丌发一种简单的生物膜工艺，解决现有污水厂的脱氮效率及运行问题，同时又不 增加现有反应器的容积。基于这种思想，1 9 8 8 年挪威n a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公 司与s i n t e f 研究机构联合开发了一种新型生物膜反应器k m t 移动床生物膜反 浙江入学硕i 学位论文 第一章绪论 应器”。 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ，简称m b b r ) 是一种新 型生物膜反应器，它能使微生物附着在载体上，漂浮的载体在反应器内随着混合 液的回旋翻转作用而自由移动从而达到处理污水的目的。m b b r 不仅克服了活性 污泥法占地大、易发生污泥膨胀和污泥流失等缺点，还解决了固定床生物膜法需 定期反冲洗、清洗滤料和更换曝气器等复杂的操作问题，克服了流化床使载体流 化所致的动力消耗过大的缺点【1 5 】【”1 。m b b r 的脱氮除磷功能也十分突出。总之， 它具有处理能力高，能耗低，不需要反冲洗，水头损失小，不发生堵塞，出水水 质稳定，耐冲击负荷能力强，结构紧凑，占地少，无需污泥回流，维护管理简单 的工艺特点u s 。 m b s r 的基本设计思想是能够连续运行，不发生堵塞，无需反冲洗，水头损 失较小并且具有较大的比表面积( 增i 。这可以通过生物膜生长在较小的载体单元 上，载体在反应器中随水流自由移动来实现。在好氧反应器中，通过曝气推动载 体移动；在缺氧厌氧反应器中，通过机械搅拌使载体移动。为防止反应器中填 料的流失，可在反应器出口处设一个多孔滤筛( 图2 一i ) 。m b b r 一般为长方体型 或圆柱型结构。长方体型的反应器沿池长方向用隔板均匀分为几格或不分格。从 总体上看，水流在反应器中呈推流态，而在每格中，由于曝气流化，水流呈完全 混合态9 f 。池内填充比重接近于水、比表面积大的聚乙烯或聚丙烯悬浮填料， 反应器内的生物膜附着表面可达5 0 0 m 2 m 3 ，实际比表面积( 填料的内表面) 达 3 5 0 m 2 m 。穿孔曝气管在- - n 曝气，使填料在池内循环流动。圆柱体型结构的反 应器底部设有微孔曝气头。另外，有的反应器不仅在池底安装了曝气装置，还安 装了搅拌装置。这些搅拌装黄可以使反应器方便灵活地应用于缺氧状态下。有时 为了防止曝气带来的气提作用和挥发作用，可以在反应器上方加一个盖子 ”l 。 浙江大学坝i ：学位论文 第一章绪论 幽1 1 移动床生物麒反麻器 在国外，应用m b b r 进行了处理生活污水和某些工业废水的小试、中试及生产 性研究，均取得了较好的效果 2 1 , 2 2 】。试验表明，移动床生物膜污水处理工艺适用 于中、小型生活污水和工业有机废水处理。其中一体化或地埋式污水处理装置 在我国拥有很好的推广应用前景f ”1 。 然而，移动床生物膜反应器也仍有一些问题，例如，填料在反应器内的移 动状态不均衡，池内不同程度地存在死区。如何改善反应器内的水力流动特性并 降低运行能耗，是移动床生物膜反应器研发中值得深入探讨的问题。以s b r 的运 行方式来操作m b b r ，是对m b b r 技术的一种改进，这种反应器被称为移动床序批式 生物膜反应器( m o v i n g b e ds e q u e n c i n gb a t c hb i o f ii mr e a c t o r ，m b s b b r ) ，它 m b s b b r 兼有m b b r 和s b r 的优点。另一种改进是让填料随水流在反应器内循环移 动，这种反应器被称为循环移动载体生物膜反应器，它兼有m b b r d 内循环反应器 的优点。 1 3 循环移动载体生物膜反应器 在一般的移动床生物膜反应器中，填科并未在整个反应器中运动，大多数 填料停滞在反应器的上半部分，混合效果不太理想，限制了传质及处理效果【2 4 】。 国内外很多研究人员对移动床生物膜反应器进行了改进，以期改善水力流动性 能，避免死角，强化圃液传质，提高处理效果。图l 一2 所示的结构改进是一种具 有代表性的装置改进。它在原有的移动床生物膜反应器中加入左右两块导流板， 强制填料进行循环。在气提作用下，填料由中间提升区上升到顶部后，绕左右两 侧导流板下降形成循环。但在该装置的运行中发现，填料向两侧移动不均匀流 浙_ i ：工凡学坝i 学位论殳 5 第一章绪论 动状态不好。为此，本课题通过把装置右侧导流板加长成为隔扳，在底部留有圆 孔出水，使隔板左侧为反应区，右侧形成沉淀区( 图1 - - 3 ) ，明显改善了填料的 移动状态和水力特性。 图1 2 原来的循环移动载体生物膜反应器 图l 一3 改造后的循环移动载体生物膜反应器 循环移动载体生物膜反应器是对传统移动载体生物膜反应器进行改良后形 成的一种新型工艺，其性能介于填料固定的生物接触氧化法和载体运动的生物流 化床之间。它克服了接触氧化法固有的填料易堵塞、生物膜易结团的缺点，也解 决了生物流化床三相分离的困难以及动力消耗高的问题。 循环移动载体生物膜反应器分三个区：回落区、提升区和沉淀区。提升区 和回落区用导流板隔开，在提升区的底部安装有微孔曝气装置。在提升区，具有 一定压力和流量的压缩空气通过微孔曝气装置进入池内，在空气的提升下，载体、 污水、气体在池内形成三相流，以较高的流速向上移动，载体从提升区上升到导 流板上方后在回落区回落，当载体回落到导流板底部时，载体又由于惯性运动进 浙江大学硕士学位论文6 第一章绪论 入提升区并被提升，由此形成载体的循环移动，从而达到与废水的充分接触混合， 强化了生物膜与污水之间的接触。载体的快速提升，加快了污水与生物膜之间的 相互运动。由于水流速度很高，载体运动较为激烈，载体之间产生较强的摩擦和 碰撞：同时由于三相流中气、液、固的不同步特征，空气和液体对载体表面产生 较强的剪切作用，使载体表面老化的生物膜脱落更新，新生膜的生长繁殖迅速， 生物反应能力强，可维持整个体系生物反应处于高效状态。在载体的提升过程中， 由于较剧烈的三相流，传质作用被强化，空气中的氧以较快的速度溶入水中而被 生物膜吸收利用，具有较好的充氧效果。三相流到达池顶后，大部分空气逸出水 面进入大气，载体与处理水挟带部分空气在重力与运动惯性的作用下进入回落接 触区。由于上升气泡的作用，回落接触区内载体沉降速度减慢，部分载体上浮。 载体在移动过程中与污水进行充分接触，载体表面的生物膜不断摄取水中的有机 物和溶解氧，从而使污水得到净化。 1 4 本课题的研究内容 针对移动床生物膜反应器工艺的不足，本课题拟重点研究如下内容： 1 、通过改造普通移动床生物膜反应器，研究反应器的水力流动特性，使填 料在整个反应器内均匀运动，从而达到提高传质效果，降低能耗的目的。 2 、通过考察循环移动载体生物膜反应器处理模拟生活污水的性能，探明该 反应器的处理效能和工作特性； 3 、通过运试循环移动载体生物膜反应器，优化反应器工况并确定最佳运行 参数。 浙江大学坝i j 学位论义 第一二章循环移动载体生物膜反心器特钲的聊究 第二章循环移动载体生物膜反应器特征的研究 在废水生物处理中，微生物、氧气和营养物质是三大要素川。反应器是微生 物栖息生长和降解污染物的重要场所。个高效的好氧反应器，既需要保持较大 的微生物数量和较高的代谢活性，也需要有效地供应氧气，并具有优良的传质效 果2 卯。本章拟从反应器构造、曝气充氧性能、填料填充比和水流流态等几个方 面，研究循环移动载体生物膜反应器的特征。 2 1 材料与方法 2 1 1 实验用水 本试验采用自来水进行清水试验。 2 1 。2 试验装置 循环移动载体生物膜反应器试验装置如图2 1 和2 2 所示。 图2 1 循环移动载体生物膜反应器 浙江人学坝i j 学位论文 第二章循环移动载体生物膜反应器特征的研究 图2 2 循环移动载体生物膜反应器结构示意图 浙江大学顿士学位论文9 第二章循环移动载体生物膜反应器特征的研究 试验所用的循环移动载体生物膜反应器呈长方形，长度l m ，宽度0 2 5 m ，高 度1 4 m ，有效水深为1 2 m 。反应器左侧是反应区，右侧为沉淀区，其中反应区 包括提升区和回落区，提升区体积为1 7 2 升，沉淀区为8 0 升。 在上升气流的推动下，填料在反应器的反应区内形成良好的循环运动。污 水进入反应器后，马上与反应器中的溶液混合，混合液从隔板底部的圆孔流至右 侧的沉淀区，沉淀后的澄清水经上部的溢流孔溢流出水。反应器的导流板起着良 好的导流作用。为了改善水力流动特性，防止填料底部沉积，进行强制循环，反 应器底角抹成斜面。 2 1 3 工艺流程 试验工艺流程见图2 3 8 回流 污水管线一一空气管线一一污泥管线 图2 3 工艺流程 1 、配水箱2 、进水阀3 、进水泵4 、水流量计5 、移动床生物膜反应器 6 、污泥回流泵7 、空气压缩机8 、贮气罐9 、迸气阀 1 0 、空气流量计 2 1 4 填料 在移动床生物膜反应器中的生物载体一般使用比重接近l 的填料2 6 1 。从提 高挂膜速度和挂膜量的角度考虑，课题组选用了两种填料，一种是以宽约5 n u n 、 厚约l m m 的毛竹条编结成的直径约为3 0 m m 的鼠笼式的生物填料，另一种是直 浙江大学硕士学位论文i o 第一幸循环移动载体生物膜反应器特钲的究 径为2 5 m m 的聚丙烯多面空心球填料。试验发现，运行初期毛竹填料的循环移动 效果良好，但随着浸泡时问的增长，大量填料沉积在回落区的底部，无法再次被 提升，循环移动效果变差。鉴此，本试验选用了宜兴东方环保设备厂生产的多面 空心球填料q x 一5 0 1 ( 图2 4 ) 。该填料的主要参数见表2 1 。在球的中部沿 整个周长有一道加固环，在环的上下各有十二片球瓣，上下球瓣互相交错，沿中 心轴呈放射形布置，具有表面积大，传质效率高，自由空间大( 0 9 0 1 m 3 m 3 ) ， 重量轻，强度大，耐高温，耐腐蚀，表面亲水性能好，风阻小，电耗少等优点。 图2 4 多面空心球填料q x - 一5 0 1 表2 1 多面空心球的技术参数 外张d比表曲积审隙率佬积系度自然堆积数量币常t 作水温 ( f i l m ) ( 米2 脒3 ) ( ) ( 公斤水。)f 只米。)( ) 2 55 0 0o8 41 6 08 5 0 0 07 0 以f ： 2 1 5 测定项目与分析方法 2 1 5 1 溶解氧：y s l 5 2 型溶解氧测定仪 2 15 2 温度：普通水银温度计 2 2 结果与分析 2 2 1 影响水力性能的因素 在反应器内，废水循环的动力来源于提升区和回落区的压差，此压差等于 流体流动的动能、沿程阻力损失以及局部阻力损失之和。以反应器底部质量为m 浙江人学碗i 。学位论文 第二章循环移动载体生物膜反麻器特征的研究 的微元为研究对象，根据能量方程，得： ( 卜z ) m g h 一( 卜z 。) m g h = m u , 2 2 一m u h 2 2 + m u 。2 2( 2 - 1 ) 式中：m 一微元体的质量，g ： g - 重力加速度，m s 2 ； z , , - - 回落区气体的滞留量，无量纲； l - - 提升区气体的滞留量，无量纲； u h - - 回落区液体流速，m s ： u , - - 提升区液体流速，m s ： h - - 反应器的高度，m ： e 一沿程阻力和局部阻力系数之和： 式2 1 两边同时除以m g 得： ( 1 一z 。) h 一( 1 一z ) h = u 。2 2 9 u 。2 2 9 + eu , 2 2 9( 2 - 2 ) 由于在提升区曝气，大量气体在提升区上部逸出，回落区夹带的气体滞留 量很小，与提升区相比可忽略不计，即z 。z o 上式可简化为： z 。h = o l2 2 9 u h 2 2 9 + eeu , 2 2 9( 2 - 3 ) 而u h = ( a a l 、) u 。 式中：a 、a 。一分别为提升区和回落区的横截面积，代入( 3 ) 式得： z 。= u ，! ( 1 一a 。2 a 2 + e ) 2 u ( 2 - 4 ) 假定提升区气体滞流量z 与供气量q 成f 比即z = k q ，代入得： k q = u t 2 ( 卜a 2 a 。2 + i ) 2 9 ( 2 - 5 ) 由式2 5 可知： 气量q 对反应器中液体的循环及混合状况的影响很大。当q 和h 一定时， 循环速度与提升区和回落区的面积之比a a h 及阻力系数有关。 影响阻力系数l 的主要因素是导流板底与反应器底之间的距离，因为回 落区向下流动流体在导流板底部经1 8 0 度转弯进入提升区而向上流动，这种流动 方向的改变造成的水头损失较大。当q 和h 固定时，导流板底与反应器底部的距 离越大，则阻力越小，循环速度越大。 若q 固定，导流板上下位置固定，左右位置也固定( a a 。固定) ，增大反 浙江人学硕i j 学位论文 第 二帚循环移动载体生物膜反成器特 ：i f ! 的研究 应器的有效水深h ，虽然流体的沿程阻力损失增大，但其增大幅度小于h 的增大， 所以上升流速增大。 若a a 。固定，h 一定，气量q 越大，u 越大，也就是说，在已经确定了 反应器的设计参数后，可通过控制气量q 柬控制反应器内的循环移动速度。但q 变大，能耗增加，致使处理工艺不经济。在反应器运行中，需要选择一个合适的 气量。 2 2 2 反应器构造的确定 ( 1 ) 升、降区截面积之比( a t k 。) 理论分析表明，当a 。较小时，升流区的流速快，导致气泡聚并，而且进 入降流区时液体下降流速低，不足以将气泡携带进入此区，因此降流区溶解氧浓 度变小；当a ；a h 较大时，升流区液流速度较慢，气泡聚并机会减少，溶解氧变 大。但若a 。a 过大，气泡在溶解到液体之前逃逸液面的机会增多，导致降流区 的溶解氧浓度急剧下降，反应器总溶解氧量也会下降。根据有关文献报道2 ”， 当a 。a 。= 2 3 左右时，可以得到较好的充氧效果，而其值变大或变小，都会使反 应器内氧转移效率下降。鉴此，本实验反应器的a 。a 。采用2 3 。 ( 2 ) 导流板底隙高度( l ) 底隙高度l d 是指曝气装置到挡板的垂直距离，它是一个重要的结构参数。 如果l 。过小，则液体流动阻力大，会降低液体循环速度和含气率，且生物载体 在由降流区进入升流区时受到的剪切作用大，不利于生物膜的生长；如果l 过 大，则由曝气装置出来的部分气泡会进入降流区同样降低液体循环速度和含气 率，甚至导致流型的改变而影响反应器的性能。本试验在挡板上方的液面高度 ( l ，) 为2 5 0 m m ，曝气量为0 8 r n 。h ，曝气l o 分钟后测定溶解氧含量，测定结果 见表2 2 。 从表2 2 中可以看出，随着导流板底隙高度l 。的增加，降流区溶解氧的浓 度也增加，且当导流板底隙高度b 大于2 5 0 m m 时，增加幅度有所增大，实验发 现，在降流区存在大量气泡，这说明从曝气装置出来的一部分氧气进入降流区。 在气流的提升作用下，部分填料在降流区到达底部后并没有再次被提升，而是从 降流区返回，循环运动的效果变差。因此，导流板底隙高度匕宜驳2 5 0 m m 。 浙江人学顺t + 学位论殳 第一幸循王_ f 、移动裁体生物膜反麻器特抓的f ! ) 1 _ 究 表2 2不同l 。值时降流区溶解氧量的变化 导流板底隙高度l 。( m m ) 溶解氧c ( 0 ：) ( m g 1 ) 1 5 0 7 4 2 0 07 5 2 5 07 7 3 0 0 7 g f3 5 08 2 ( 3 ) 挡板上方的液面高度( l ，) 反应器有效水深确定后，将反应器升流区和降流区隔开的挡板高低位置发生 变化时，反应器的氧转移效率和液体循环速度都会发生相应的变化。本试验设定 的导流板底隙高度l 。为2 5 0 m m ，曝气量为0 8 m 。h ，曝气1 0 分钟后测定溶解氧含 量，测定结果见表2 3 。 表2 3 不同l ，值时降流区溶解氧量的变化 挡板上方的液面高度l ，( r a m )溶解氧c ( 仉) ( m g 1 ) 1 5 0 7 4 2 0 0 7 5 2 5 0 7 6 3 0 0 7 9 3 5 0 8 0 从表2 3 可以看出，当k 值变大时，溶解氧的质量浓度上升，原因可能是 在逃逸液面之前，升流区气泡与液体有更长时间的接触而将氧气传递给液相，从 而使降流区的溶解氧质量浓度增大。实验发现，当l ，增大到3 0 0 r n m 时，部分填 料出现短流，降流区内的填料有一部分通过挡板上端返回到升流区，且由于在反 应器上端的填料增多，反应器左上角有时会出现死区，影响反应器内填料的f 常 循环移动。所以，l ，值宜取2 5 0 m m 。 ( 4 ) 反应器的长深比 为了使填料在池中循环移动，池体不宜过深也不宜过浅。有试验表明28 1 ， 在反应器循环移动部分的长深比为0 5 左右的条件下，载体运动良好，反应器内 浙江人学硕i 。学位论文 第一章循环移动载体生物膜反府器特f l i ：的究 混合充分，流速适宜，不会产生大范围的死角。本实验为反应器循环移动部分设 定的长深比约为0 5 2 。 2 2 3 填料填充比的确定 在确定了一定的池型和曝气方式后，本试验主要考察了填料填充比和曝气 量对反应器水力特性的影响。 填判是微生物栖息生长的场所，大填料比意味着高生物量，从生物角度出 发无疑是有益的。但随着填充比的增加，相同气速下的载体运动速度减小。此外， 从经济上考虑，填充比大，启动所需的气量大，动力消耗高，填料本身的成本也 要增加。 试验中，在不同的填充比下，打丌进气阀，逐渐增大气量，使填料在整个 池中运动或接近在整个池中运动，记录此时的气量值并测定提升区内载体的运动 速度，结果见表2 4 。 表2 4 填料填充比与气量及载体运动速度的关系 填料填充比( ) 3 03 54 04 55 05 5 6 0 气量( m 3 h ) 0 3 40 3 6o 3 90 4 3o 4 70 5 2o 5 8 载体运动速度( m s ) o 1 90 2 10 2 4o 2 60 3 10 3 30 3 8 氧转移系数( m i l 3 “) o 1 2 3o 1 2 9o 1 3 7o 1 4 40 1 6 50 1 7 2o 1 8 l 当进气量较小时，大部分填料浮在水恧，但若在回落区给填料一个向下的 推力，填料可在较小气量下循环移动，并保持下去。另外，运行发现，填料挂膜 后，循环移动所需的气量小于未挂膜前：在相同的气量下，其运动情况也优于未 挂膜前。这主要是因为挂膜后的填料密度高于净填料，有利于填料在回落区下沉， 从而改善运动状况。 从表中可见，随着填料填充比的增加，氧的转移系数上升，这是因为填料 填充比越大，气泡碰撞填料的机会越多，由于填料切割气泡的作用使气泡直径变 小，相应增大了气液接触面积，从而促进了氧的传递效率。 据有关试验 2 ，反应器内的循环速度越大，越有利于流体通过剪切作用脱 除过厚的生物膜，保持较高的生物活性，加快微生物表面介质的更新，增强传质 效果，更能发挥出微生物的代谢活性。但如果循环速度过大，则载体表面的生物 浙江人学坝i 。学位论史 第一章循环移动载体生物膜反麻器特征的研究 膜很薄，大部分生物以悬浮状态存在。在反应器启动初期，循环速度过大会造成 挂膜困难。在正常运行期，则会导致生物膜大量脱落，出水悬浮物增多：减少反 应器内的生物量，导致去除效果大大降低。 循环移动载体生物膜反应器一般通过控制膜的厚度，柬保持生物的高活性， 进而达到污水高效处理。据报道 3 0 】，当载体运动速度v o 4 5 m s 时，膜损失在 1 0 以下：当0 4 5 m s v 0 5 5 m s 时，水流紊动加剧，生物膜内表面受到的冲击力对生物冲蚀作用增强。实验发现， 当填充率为6 0 时，填料在水中的循环效果变差，即使供气量调至很大，填料 也不能均匀循环运动，填料间相互拥挤、摩擦：当填充率大于7 0 ，填料间相 互拥挤、摩擦的现象加剧。鉴于循环流速的限制，同时考虑经济因素，本实验确 定的填充比为5 0 。 2 2 4 曝气充氧性能 在生物膜法中，废水有机物的去除是依靠生物膜的f 常代谢，保持好氧层 膜的生物活性，发挥生物氧化分解的f 常功能来达到的【3 ”。其中，很重要的一 条是要保证充分的供氧以满足好氧菌活动的需要，另外就是要控制好生物膜的厚 度。所以，为了实现载体的提升循环，曝气量必定存在一个最低值，曝气量过大， 能耗增加，处理工艺变得不经济。 氧气在液相中的传质过程包括：氧气分子通过气液界面由气相转移到液相， 成为溶解态的氧气；溶解氧在液相中的扩散：溶解氧在生物相中被吸收利用。根 据双膜理论( 图2 5 ) ，在气液界面存在着二层膜( 即气膜和液膜) 。这两层薄膜 使气体分子从一相进入另一相时形成阻力。当气体分子从气相向液相传递时，若 气体的溶解度较低则阻力主要来自液膜。在废水生物处理系统中，氧是难溶气 体，液膜厚度就成为氧气转移的主要制约因素。对于循环移动载体生物膜反应器， 当气泡从空气扩散装置释放后，高速上升，在受到水流剪切力的同时，撞击载体 表面，气泡破裂，直径减少，相应增大了接触面积，另外也促进了载体空隙间的 水流循环，强化了与水流的接触。在循坏移动载体生物膜反应器的运行过程中， 可明显压缩液膜和气膜的厚度，增大接触比表面积，从而大大提高了氧气的传质 速度。 浙江人学顺i 。学位论史 笫一章循环移动载体生物膜反应器特抓的研究 ；气 h ：矗嘏 i 卜 麒率 图2 5 气体传递双膜理论模型 本课题对循环移动载体生物膜反应器的充氧性能进行了研究。试验用水为自 来水，采用微孔管曝气器，进气速度由转子流量计控制，试验时末进水。 2 2 4 1 试验原理 气体转移过程常用双膜理论来描述，假设穿过液膜的转移速率是氧扩散转移 的控制速率，其数学表达式为： d m d t - d a ( c s _ c ) 6 = ka ( c s c )( 2 - 6 ) d l 液膜部分的氧分子扩散系数： a 界面面积，m ! ； c s 液体的饱和溶解氧质量浓度，m g 1 ； c 液体实际的溶解氧质量浓度，m g 1 ； 6 液膜厚度； ( c s c ) y 液膜中氧的质量浓度梯度； k i = d v i 液膜的氧转移系数，m h 。 将上式两边除以液体的体积v ，则得： d m v d t = d c d t = 虬a ( c s ) v( 2 - 7 ) 由于在曝气池内界面面积计量存在困难，因此采用总转移系数代替ka v ，于 是有： d c d t = ( c s _ c )( 2 - 8 ) 对式2 8 整理后得： 浙江人学坝 学位论空 第一二幸循环移动载体生物膜反心 特征的研究 对式2 - 9 积分得 ( 2 9 ) l n ( c s _ c 。，) ( c s 一- c ) = t( 2 1 0 ) 设l n ( c s c ，) = b 整理得： 1 n ( c s _ c ) = 一k o , t + b d c d t 氧的传递速率，m g ( l m i n ) ： - 一测定温度( )