三相生物流化床中生物膜厚度研究.doc

三相生物流化床中生物膜厚度研究三相生物流化床是70年代才开始发展起来的一种新兴污水好氧处理工艺。与其他生化处理工艺相比，高处理效率是其最具竞争力的特点。本文在现场试验的基础上，通过考察生物膜厚度(指湿生物膜厚度，下同)与处理效率之间的必然关系，揭示了生物流化床高处理效率的本质。 1 试验原理和方法当载体的材质和粒径确定以后，载体表面生物膜的厚度决定了载体颗粒在水中的沉降特性，从而决定了床层的膨胀高度1。另一方面，当载体的粒径和数量确定以后，生物膜的厚度决定了反应器中微生物的浓度，而微生物浓度与处理效率密切相关。因此，生物膜厚度是联系生物流化床流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数。在设计中，当已知污水的水质水量时，需要确定一个合适的生物膜厚度，使其能满足处理效率上的要求，由此再确定床层的膨胀高度。载体表面所生长的生物膜一般由两部分组成：靠近载体表面的部分称为惰性生物层，这部分微生物由于难以获得食料，活性差，基本不参与生化反应；包裹于惰性层外面的叫活性生物层，有机污染物的去除主要依靠这一层中的微生物。液相主体中的基质通过水膜进入活性生物层并在该层内扩散的速率直接影响着生化反应的速率，也就影响了流化床的处理效率。Andrews认为2，在稳定状态下生物膜中不存在基质的累积，他假设生物膜为一平面薄膜并忽略液相传质阻力，这样D(d2S/d2)-r=0(1)式中 D基质在生物膜中的扩散系数 S膜中基质的浓度距载体表面的距离r单位体积生物膜消耗基质的速率 由此导出了生物膜中基质浓度分布的数学模型并得到如下结论：单位体积生物膜吸收基质的速率随生物膜厚度的增加，先增大后减小，其间存在最大值，最大吸收速率对应的生物膜厚为最佳膜厚。直观上，当生物膜厚较小时，所有的生物膜都是活性的，这时生物膜量的增加当然会使处理效率增大。当膜厚增大到大于最佳膜厚时，尽管生物膜的总量仍在增大，但活性却降低很快，造成处理效率下降。由此可见，生物膜厚度并不是越大越好。在两相生物流化床中，一般是通过专门的脱膜设备来控制生物膜厚。由于膜厚决定了床层膨胀高度，在实际运转中，控制床层高度就达到了控制膜厚的目的。在三相床中，由于反应器内气泡的搅动，水力紊动剧烈，生物膜表面更新快，在进水浓度不是很高时，一般不需专门的脱膜设备，而是在反应器内设置沉淀区以去除剩余污泥。在这种情况下，床内稳定生物膜厚通常不会大于最佳膜厚。所谓稳定生物膜厚，是指生物膜的增长速率与内源呼吸、水力冲刷等因素造成的生物膜减少速率相等时的膜厚。 在试验中，用不同水质水量的原水得到不同的稳定膜厚，以考察处理效率与膜厚的关系。试验在直径为1.4 m、高6.5 m的工业装置上进行，采用射流曝气(图1)。载体为直径0.30.5 mm、体积质量2.63 g/cm3的石英砂，装填高度为0.6 m。床内表观液速0.954 cm/s，表观气速0.42 cm/s，回流水量为14.7 L/s。进水水量水质的改变是通过调节清水和污水的配比来实现的，水质变化由低浓度到高浓度。 试验中发现，当进水的水量水质改变以后(约需10 d)，床层的膨胀高度便稳定在固定值，说明这时生物膜的厚度也达到了稳定，所以选择各次试验的时间间隔为15 d左右。 生物膜厚度是通过带刻度的显微镜测量颗粒的直径而得到的3。从样品中随机选取50粒包裹了生物膜的载体，用显微镜测得每一粒的直径di，则平均粒径由下式计算：d=di3/di2 (2)而生物膜厚度为：w=(dp-dm)/2(3)式中dp包裹了生物膜的载体的平均粒径dm石英砂载体的平均粒径dp,dm用同样方法测定。2 试验数据试验结果见表1。需要说明的是，在计算表中各参数时，反应器的有效容积是指床层膨胀高度HB乘以床层截面积。表中微生物浓度X根据干生物膜的厚度和体积质量计算，而干生物膜是湿生物膜经滤纸吸干后自然风干2h得到的。表1 三相生物流化床处理效率测试日期1995-11-051995-11-231995-12-071995-12-20湿生物膜厚w(m）5280115137进水流量Q（L/s）4.236.356.295.08BOD5进水浓度（mg/L）47.663.970.077.2BOD5出水浓度（mg/L）12.518.617.67.5BOD5去除率（%）74717590COD进水浓度（mg/L）102130140152COD出水浓度（mg/L）29.329.352.338.1COD去除率（%）71776375干生物膜厚度d(m）4.507.5010.511.5干生物膜密度fd(g/cm3)1.441.411.461.34床层膨胀高度HB（m）1.852.593.864.80微生物浓度X（g/L）11.416.217.114.1BOD5去除速率r(kg/d）12.824.828.530.6容积负荷Fvkg/m3.d)4.506.254.804.14污泥负荷Fskg/(kg.d)0.3950.3860.2810.294回流比R（%）348231234289停留时间HRT（min）111016243 结论 三相生物流化床是一种高效的污水处理工艺 本试验中，污水流量为4.235.08 L/s，浓度为47.677.2 mgBOD5/L时，去除率达71%90%，体积负荷4.146.25 kgBOD5/(m3d)，且停留时间仅1024 min。 污染物去除速率与膜厚的关系 从图2中看到，当膜厚W增大时，反应速率r也增大，但当膜厚增大到140 m左右时，反应速率不再增大，最高反应速率出现在膜厚为120140 m时。 容积负荷与膜厚的关系 当膜厚W90 m时，FV开始急剧下降，尽管这时去除速率r仍在增大，但是显然其增大是以更大地增加反应器容积为代价的。因此，相对于去除速率而言膜厚达到最佳时(W=130150 m)，从投资的角度讲却并不是最佳。综合这两方面，我们认为在本试验所用载体情况下，W以90110 m为宜，对应的r不应超过30 kg/d。 事实上，限制膜厚也就限制了进水的水量水质。当进水水量较大、浓度较高时，应增大载体的粒径以减小床高，从而节省投资。对0.30.5 mm的石英砂载体，适用的进水水量不超过6.3 L/s(544 m3/d)，进水BOD5不超过75 mg/L，水量较小时可适当增大浓度，但应使r30 kg/d为宜。 微生物浓度和污泥负荷与膜厚的关系 当生物膜厚小于最佳膜厚时，生物膜的活性较高，这时用反应器中干生物膜的量来反映活性微生物的浓度是合理的。尽管随膜厚的增大床层中微生物的总量有所增加，但是同时床层的体积也因床高的增大而增大，因此在图3中，当生物膜厚增大到一定数值(100 m左右)后，再继续增大W则X反而下降。这里也可以看到膜厚宜选择在100m左右。 与普通活性污泥法相比，三相生物流化床的容积负荷与污泥浓度均有较大提高，但换算成污泥负荷以后，却未见明显增大。这说明三相生物流化床中单位生物量分解有机物的能力并没有明显提高。可以说，三相生物流化床处理污水的高效性主要是由于反应器内具有较高的生物浓度所致，而流态化操作方式所创造的良好传质效果则是维持反应器内较高生化反应速率的必要条件。三氧化二钒废水处理设计前言 为了充分利用钒资源，提高公司的经济效益和出口创汇能力，由我院承担设计的攀钢攀宏公司三氧化二钒及高钒铁车间生产线，于1998年7月建成投产。设计年产V2O32500t、高钒铁2000t。在V2O3生产过程中，产生大量含钒含铬酸性废水。 1 废水性质及成分 由V2O3车间沉淀工段排出的酸性废水中含有V5+：100120mgL，Cr6+：100250mgL，Na2SO4：4257gL，废水的PH值1.82.5，温度7080，废水最大流量约为35m3h。V2O3废水处理排水水质执行国家污水综合排放标准（GB 8978-1996）中一级排放标准。 2 废水处理工艺 目前国内外对含钒含铬酸性废水的处理12，一般采用以下两种工艺：其一，主要以回收废水中的钒为目的的离子交换工艺，回收后的母液中，含有大量的铬和硫酸钠等成分，废液需再次处理石则废液排放会对环境造成污染；其二，以处理达标排放为目的的还原、中和工艺。对于还原、中和工艺：德国鲁奇公司采用硫酸亚铁还原一氢氧化钠中和法，德国蒂森公司采用SO2还原-碳酸钠中和法，意大利艾姆科公司采用硫酸亚铁还原-石灰中和法。结合攀钢生产实际，经综合分析比较，三氧化二钒车间废水处理系统采用硫酸亚铁还原-石灰中和法。V2O3废水处理站由调节池、废水泵房、还原槽、中和槽、浓缩沉淀池、过滤器、压滤间、化验室、石灰乳制备系统等部分组成。废水处理工艺流程见图1。 21 废水贮存由车间沉淀工段排出的酸性废水，其流量和水质是不均匀的，需经调节池（均化池）调节，废水停留时间约15h。调节池总尺寸为16.5m4.5m2.5m，有效容积350m3，共分2格，采用钢筋混凝土结构，池内壁作玻璃钢防腐处理。22 废水的还原还原槽2座，并联运行，还原槽规格：1200mm、H：1500mm，钢质内衬氯丁橡胶。废水由调节池送入还原槽进行还原处理，还原槽采用中心进水周边出水，每座还原槽内废水停留时间约30min。硫酸亚铁经电动搅拌槽配制成浓度为20的溶液，重力投加到还原槽，将V5+还原为小V4+，Cr6+还原为Cr3+。还原槽设有PH值测量显示器，通过流量调节阀自动控制硫酸亚铁溶液投加量，硫酸亚铁用量约120kg/L。为使还原反应充分进行，还原槽出口废水PH值应控制在2.63.1之间，该还原过程的主要反应为： VO2+Fe2+2H+VO2+Fe3+H2OVO2+2Fe2+4H+V3+2Fe3+2H2OCr2O72-+6Fe2+14H+2Cr3+6Fe3+7H2O 23 废水的中和中和槽2座，串联运行，每座中和槽内废水停留时间约15min。中和糟规格：2600mm，H：2500mm，钢质内衬氯丁橡胶。为防止悬浮物沉淀，每座中和槽均设有电动搅拌机。经还原后的废水重力流入1号和2号中和槽，在两个中和槽中投加浓度为10的石灰乳进行中和反应，使废水中的Cr3+生成氢氧化铬沉淀，钒生成难溶性钙盐沉淀，中和槽设有pH值测量显示器，通过流量调节阀自动控制石灰乳投加量。1号中和糟石灰乳投加量约为16002500kg/h上，2号中和槽石灰乳投加量约为400500kgh。为使废水中的Cr6+、V5+能充分去除，保证废水达标排放，借鉴德国有关废水处理经验，V2O3废水处理采用石灰乳两段中和工艺，玉号中和糟出口废水PH值控制在7585之间，2号中和槽出口废水PH值控制在89之间。该中和过程的主要反应为：Cr3+3OH-Cr（OH）3Fe3+3OH-Fe（OH）3V3+Ca2+SO42-+nH2O络合物24 废水的浓缩沉淀及过滤浓缩沉淀池2座，并联运行，每座尺寸为：9000mm，H：3000mm，浓缩刮泥机NZ9型2台。经中和后的废水重力流人浓缩沉淀池进行浓缩澄清，废水中的钒、铬和铁的氢氧化物以及硫酸钙等沉淀物被浓缩沉入池底，浓缩沉淀的污泥排人浓缩池下的泥浆槽内，经泥浆泵送至压滤间进行压滤脱水。浓缩沉淀池澄清水送过滤器进行过滤处理，过滤器采用SAFA型自清洗过滤器，1台，Q50m3h，过滤精度0.1mm。滤后水经检测达到国家有关排放标准后排放。25 污泥处理压滤间内设 XAJZ601000型厢式压滤机3台，2用1备，同时预留1台厢式压滤机位置。压滤机每天产泥饼（含水率50左右）约24t，由于泥饼用；滤液返回浓缩池重新处理。26 石灰乳制备石灰干粉由专用罐车运送至干粉储罐内贮存，通过给料机定量将石灰粉送人石灰浆槽加水制成浓度为20左右的石灰浆，再用泵将石灰浆提升至石灰乳槽，加水机械搅拌配制成浓度为10左右的石灰乳，再用泵送至中和槽。石灰用量（以CaO纯度70计）约为320kgh。 3 废水处理运行情况 V2O3废水处理站自运行以来，基本达到了设计要求，V2O3车间废水处理站废水排放水质：pH值、Cr6+及总钒（V）、悬浮物（SS）均完全满足国家有关废水排放标准，详见表1。 表1 废水水质排放标准 项目p