序批式生物膜反应器处理屠宰废水.doc

序批式生物膜反应器处理屠宰废水1 试验装置与方法试验用废水取自于哈尔滨屠宰厂，其废水的水质见表1。显然，该废水含有大量的悬浮固体、油脂、含碳和氮有机物，但较高的BOD5/CODCr比值表明屠宰废水中的有机物是易于生化降解的。表1试验用屠宰废水的水质原水水质浓度CODCr(mg/L)BOD5(mg/L)油脂(mg/L)SS(mg/L)pHTKN(mg/L)色度(倍)500200058016002615040010006.57.5312104001750注 BOD5/CODCr0.50.65。基于对该废水的水质分析和对该种废水的处理经验，试验所选择的处理流程如图1所示。格栅栅距为2mm，沉淀池的有效容积为50L。废水经沉淀1 h后人工刮除油脂。SBBR的有效容积为36 L(0.2m0.2m1.0m)，其内悬挂4束SB型纤维填料作为生物膜载体1、2，并且在内底部设置微孔曝气器用于充氧曝气。两个1.5L的过滤柱，每个直径70mm，高度1 m，其内填有粒径为0.810 mm的炉灰渣，因为该炉灰渣已经被证实在脱色方面非常有效3。有关污染指标的分析诸如CODCr、BOD5、TKN、SS、油脂和色度的分析按照标准法进行4、5。SBBR反应器内DO的实地测定采用YSL58型DO测定仪。试验系统的运行采用以下方式：原水采用栅网去除大块的骨头和血块等悬浮物，然后在沉淀池内静沉1h，以使油脂漂浮和使泥砂等沉淀，刮除油脂后的上清液用泵在30min内抽至SBBR反应器，然后曝气8h，以使有机物氧化分解，之后沉淀1 h进行固液分离。最后，SBBR内的上清液在2h内交替均匀排入后续的过滤柱进行过滤并脱色。另外再考虑30min用来排除剩余污泥和使SBBR处于待机状态。这样，SBBR运行每个周期需12h。在每个运行周期后更换炉灰渣。2 试验结果与讨论接种污泥取自于煤气废水处理厂，并与等量的屠宰废水混合一道注入SBBR，用来驯化细菌并提供足够的细菌固定时间。经曝气和不断更换原水，在20 d后填料上形成成熟的生物膜，此时启动运行整个系统。此后该系统运行3个月以上，温度介于2025 ，SBBR反应器内的DO控制在约2 mg/L。其中1周之内有代表性的试验结果见表2。从表2可见，处理系统对去除SS、CODCr、BOD5、TKN、油脂和色度是非常有效的。试验中之所以选择沉淀法除油，是因为曾同时做了气浮除油的对比试验，结果表明沉淀法对油脂的去除率几乎等价于气浮法(气浮时间为30 min，气水比51)。其原因是屠宰废水中粒径50 m的可浮油占50%80%。此外，采用沉淀法可以节省能量，并可避免气浮过程产生的泡沫问题。表2主要污染物在试验系统内的去除情况污染指标样品栅网后沉淀后SBBR后过滤后CODCr(mg/L)17901210932835159014751000855766145010169633985833534662BOD5(mg/L)1600550367366110011335003142861015158.71.72.6135.41.81.40.67.4TKN(mg/L)17914170.911416816113965.311015016.313.79.39.611.79.310.28.75.69.9油脂(mg/L)60.875.665.653.661.635.646.85645.243.629.428.322188.81413.212.214.424SS(mg/L)4912286151845122611322151792011751011801123531326183色度(倍)175040050070060015003754506505502545304010087.5101020从所得试验数据可以算出，CODCr和BOD5的总去除率分别为97%和99%，油脂为82%，TKN为92%，SS为93.4%。如此高的去除率与文献6中采用SBR生物膜反应器的结论比较一致，其结果为当进水CODCr和氨氮分别为2501000mg/L和25100mg/L时，二者的去除率分别为97%和87%。为了进一步说明该处理系统的高效性，将本处理系统最后的出水水质与国家规定的排放标准做了比较(见表3)。显然，最后处理水的水质优于国家规定的二级排放标准而接近一级标准。 表3出水水质与排放标准的比较污染指标处理水水质标准水质一级二级CODCr(mg/L)BOD5(mg/L)油脂(mg/L)SS(mg/L)TKN(mg/L)NH3-N(mg/L)色度(倍)443.315238.71160201020155012030153025803 结论序批式生物膜反应器(SBBR)处理系统对处理屠宰废水是非常有效的。废水首先经过栅网去除粗大颗粒状悬浮物并静沉除油，然后经SBBR处理进一步去除有机物，最后经过滤去除色度和微细悬浮固体。整个系统对各主要污染物的去除率CODCr为97%，BOD5为99%，TKN为92%，油脂为82%，最后出水水质达到国家规定的二级处理标准。絮凝池的合理设计前 言 完成絮凝过程的絮凝池(一般常称反应池)，在净水处理中占有重要的地位。天然水中的悬浮物质及肢体物质的粒径非常细小。为去除这些物质通常借助于混凝的手段，也就是说在原水中加入适当的混凝剂，经过充分混和，使胶体稳定性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝性能。而絮凝池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，絮凝池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。当然，为了获得良好的絮凝效果，混凝剂的合理选择是重要的，但是也不能忽视絮凝池设计的重要性。在生产实践中，不少水厂由于改进了絮凝池的布置，从而提高了出水水质，降低了药耗，或者增加了制水能力。在混凝沉淀的设计中，也出现了宁可延长一些反应时间以缩短沉淀时间的看法。这些都说明絮凝反应在净水处理中的重要作用。近年来，由于高效能沉淀以及过滤装置的出现，使水厂的平面布置(包括构筑物尺寸及占地面积)大为缩小。相对来说絮凝池所占比例就有所增加。例如，在原平流式沉淀池中，絮凝只占较小的体积。然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的体积几乎与沉淀部分的体积相仿。为此，国内不少同志在这方面进行着如何改进絮凝构筑物的研究，并提出了不少设想。对设计工作者来说，亦迫切要求有一个科学的评价方法，以解决如何合理选择絮凝形式的问题。絮凝反应是一个很复杂的过程，它不仅受絮凝池水力条件的控制，而且还与原水性质、混凝剂品种和加药量以及混和过程都有密切关系。从目前国内外的研究情况来看，尚没有一个能定量地反映絮凝过程的完整数学模式，甚至作为定性分析，也还存在不少问题。这些情况就给具体设计工作者带来很多困难。严格地说，目前不少絮凝池的设计，仅是水力的验算，并没有对絮凝过程作完整的分析。因此，往往出现即使原水的絮凝性质很不相同，而其絮凝池的布置却完全相同的情况。根据规范或设计手册规定的设计数据，进行水力计算，是目前絮凝池设计中应用最广泛的方法。应该说它在大多数场合下是可行的，但并不一定是最优的，况且，这些规定也只规定一些主要指标，至于具体的布置还需由设计者确定。例如，一般规定隔板絮凝池的流速由06米秒渐减至02米秒。至于流速如何递减，以及隔板转折的布置和道数等等，都未作明确规定。因而尽管所用主要指标完全相同，却可设计成很不相同的布置形式，至于它们的效果差异则更难以鉴别。为了探讨絮凝池设计的合理方法，福建省净水工艺试验组曾提出了应用“模型絮凝池”的概念。其基本出发点就是认为：合理的反应速度应符合流速渐变的原则，即反应速度由大到小呈直线变化，且反应池进口流速应蚊祝耄隹诹魉傥?.1米秒。凡符合这二个条件的所谓“模型絮凝池”则被认为是理想的絮凝池布置。“模型絮凝池”作为探讨整个絮凝过程变化规律的设想，是有其积极意义的。但是，要把“模型絮凝池”作为理想的絮凝形式，则尚缺乏足够的依据。作为问题之一，它脱离了原水性质的考虑。速度渐变原则应对不同水质条件有不同的要求，而不宜取作常量。譬如，对于原水颗粒浓度不足以及絮凝体不易破碎的情况，将较高流速区的反应时间增加些，显然是有好处的。反之，则应增加较低流速区的比例。另外，隔板絮凝的转折，从“模型絮凝池”的要求考虑，显然是不符合要求的。但是实际上在絮凝的最初阶段，它往往起到了促进絮凝的效果。“模型絮凝池”用流速作为比较的相似关系，与絮凝理论所采用的以速度梯度作为相似关系有所区别。随着絮凝形式的不同，同样的流速，其速度梯度可相差达数倍。因此关于“模型絮凝池”的设想尚有不少问题需要进一步深入研究。目前絮凝池设计中一个普遍问题就是没有考虑进入絮凝池的处理水水质。众所周知，良好的絮凝反应必须具备二个条件，即具有充分絮凝能力的颗粒以及合适的反应水力条件。实际上，它们就是絮凝过程中的“内因”和“外因”。水力条件只有适合欲絮凝颗粒的絮凝要求时，才能促进絮凝的进行。反之则不仅不能促进絮凝的进行，甚至使已经絮凝的颗粒破坏。因此作为具体的絮凝池设计，就必须考虑到处理水的水质条件。但是这却是目前絮凝池设计中最薄弱的环节。本文的目的就是想探索一种能够根据原水条件来确定絮凝池合适指标的方法。应该说本文所述内容仅仅是一个设想，尚缺乏实验的验证。本文的目的是为引起有关同志对这一课题的重视，共同对此加以探讨。由于作者水平有限，时间仓足，所述内容可能存在不少错误，请大家批评指正。为了叙述方便起见，本文首先对这一设想的基本假设作探讨和阐明，然后就建议的方法作一概要介绍。最后就其可能获得的应用作一分析。絮凝的相似关系所谓合理设计，无非是从许多可供选择的方案中，选定一种最能符合要求的方案。同样，絮凝池的合理设计，就是要从诸多的絮凝形式，以及不同的指标中，选择一种最能适合具体絮凝条件而又切实可行的形式和指标。鉴于目前的研究水平，仅用理论的方法还无法解答上述课题，因此还需借助于实验手段。实验的目的就是可以在较小规模下模拟实际的效果，以便对可供选择的方案加以比较。和其它许多实验一样，絮凝的实验也需要解决一个模拟的相似问题。也就是说需要解决怎样在较小规模的试验中，获得与真实絮凝池同样的絮凝结果。对于絮凝反应来说，需待解决的相似关系主要有二个，即处理水的水质条件和絮凝池的水力条件。关于水质条件，一般采用真实水样还是容易办到的。例如选择若干具有代表性处理对象的原水，加注适量混凝剂，并经充分混和，即可供作絮凝的实验。至于水力条件，则不能依靠实际絮凝池来作试验。因设计的目的是要对多种方案进行对比，而这在实际絮凝池中是难以完全实现的。为此，需要寻找合适的水力条件作模拟相似。对于水力条件，一般可以采用雷诺数或弗鲁特数相似，也可采用其它相似准则。至于采用何种相似方法则应视研究对象而定。为此有必要就絮凝过程中水力条件的作用作一分析，以确定相似关系。絮凝的目的是使细小颗粒彼此聚集。除了颗粒具有絮凝能力外，还必须创造颗粒彼此接触，或者接近(达到颗粒吸附的作用范围以内)的机会。否则，若保持颗粒间的相对位置不变，即使颗粒的絮凝性能极为良好，也无法聚集。可以通过三个途径，使颗粒达到彼此的接触：水分子的热力运动、颗粒的沉速差异和水体的流动。所谓热力运动产生的颗粒碰撞，是由于水分子进行的杂乱而没有规则的运动(布朗运动)，不断撞击附近的胶体颗粒，使颗粒也进行着杂乱而没有规则的运动，从而获得了颗粒彼此碰撞的机会。这种接触机会与温度有关，而与液体的流动无关。因而只要保持温度和时间的因素相同，热力运动造成的碰撞也是相同的。至于沉速差异产生的颗粒碰撞，往往在沉淀池中有明显的作用。然而在絮凝池中，由于其颗粒一般尚属细小，沉速不大，可以说差异所产生的碰撞作用在絮凝池中，不占统治地位可予忽略。一般认为在絮凝池中，对颗粒碰撞起主导作用的主要是水体的流动，也就是由于水体流动所产生的能量损耗而造成的。一般关于水体流动所产生的碰撞公式可表示为： J=2Gd3N2/3(1)式中：J为单位时间单位体积内颗粒接触的机会；d为颗粒的有效粒径；N为单位体积内的颗粒数；G为计算范围内的绝对平均速度梯度。平均速度梯度值可用下式计算：G=(W/)0.5(2)式中：W为单位体积单位时间所消耗的功；为液体的动力粘滞系数。一般认为式(1)只适用于层流，而大多数絮凝池的水源均属紊流。对于紊流条件下颗粒的碰撞频率，Levich提出了如下公式: J=12d3n3(0/)0.5(3)式中：为系数；0为有效能量消耗率。比较式(1)与式(3），除了系数差别外，主要是式(3)所用的功为有效能量，而式（1）则采用计算的能量，两者相差一个效率系数。而在实用上有效能量是难以确定的，仍需用计算的能量来表示。因此，无论是式(1)或式(3)，作为单位时间单位体积内颗粒碰撞的因素都是颗粒的粒径、浓度以及水流的速度梯度。实际上，这里包含了二个方面的内容，即以颗粒的粒径及浓度为代表的参与絮凝的水质条件和以G为代表的絮凝池水力条件。由于粒径和浓度已由真实水样来模拟，因而只要保持G值相似，理论上即可得到同样的颗粒碰撞条件。但是应该指出，颗粒的碰撞并不就是颗粒的聚集。对于不同絮凝能力的颗粒，在同样碰撞次数时，应该得到程度不同的聚集。也就是说它们的有效聚集比例是各不相同的。但是，如采用真实水样作为絮凝的模拟，则这一因素同样可在实验中获得反映。另外，在模拟絮凝水力条件时还需考虑一个重要的现象，即絮凝体的破碎，或絮凝体大小的限制条件。絮凝体所能承受的水流剪力是有限度的。随着絮凝体的增大，相应的抗剪能力会减弱。与水流共同运动的絮凝体，受到液体切应力的作用。因此，当液体的切应力大于絮凝体的抗剪能力时，絮凝体将被破碎。因此在模拟絮凝反应时，除了模拟颗粒碰撞而产生的聚集外，还需要模拟因液体的切应力而产生的破碎。众所周知，液体的切应力可由二部分组成，即粘滞阻力及混掺阻力。对于层流条件，切应力纯由粘滞阻力产生。对于紊流条件，则主要由混掺阻力产生(除边界层附近外)。这二种切应力的大小都决定于液体的速度梯度。在速度梯度G中，所谓消耗的功，也就是指切应力所做的功。因为只有切应力所做的功是不可逆的，也就是由机械能转化为热能。丹保宪仁教授在分析絮凝过程中，考虑到水流切应力对絮粒的破碎影响，引入了颗粒最大成长度Sm的概念，也就是说Sm代表在一定的水流条件下，能形成最大粒径的原始颗粒数。丹保教授通过试验得出，在原水水质条件不变时，Sm是有效能量消耗率0(或速度梯度G)的函数。通过对絮凝过程中一些主要现象的分析，包括颗粒的碰撞，因碰撞产生的聚集、絮凝体尺寸的限制以及水流对絮凝体的剪切，我们得到了可用真实水样模拟水质特征以及用G值模拟水流特征这样两个关系。采用G值来模拟絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用处的，一是可以把真实絮凝池的研究缩小到在实验室内进行，也就是只要维持实验条件的G值与真实池相同。其结果也应相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比较，也就是即使絮凝池的水流形态相差甚大，只要其过程的G值相同，(当然还应考虑不同絮凝池形式有效能量利用的差别)效果也应相同。假设和设想作为研究的方法可以是微观的，也可以是宏观的。大多理论研究都以微粒作为对象。由于实际的原水是由不同颗粒所组成，不仅粒径呈一定分布，而且其性质也各不相同。对于水流条件来说，同样存在一个断面内的速度梯度各不相同。可能在同一时刻同一断面上，既有颗粒的絮凝，又有颗粒的破碎。因此，采用微粒的分析方法，问题要复杂的多。甚至在很多情况下难以办到。微观现象的分析，可以帮助我们对问题的考虑(如前节所作的那样)，但试验还应以整个悬浊液在絮凝过程中的平均效果作代表。这样，我们就不必去分析诸如颗粒大小的组成分布，断面各点的速度梯度分布以及絮凝颗粒的沉速分布等等。而分别用平均粒径、平均速度梯度以及平均沉速来表示。对于絮凝效果的评价，一般可以采用颗粒粒径、颗粒沉速以及沉淀后浊度去除率等来表示。无论是颗粒粗径的加大，沉速的加快以及沉淀后浊度去除率的增加都能反映絮凝效果的提高。在理论研究方面，一般以粒径为指标的居多。许多理论公式都与粒径有关。对于后续处理的沉淀计算来说，采用沉速的概念较为有利。因为沉淀池设计希望提供反应后的沉速数据。然而对于测定来说，采用浊度指标最为方便。实际上这三个指标都是相互关联的。沉淀后浊度去除率可以间接地表达悬浊液的平均沉速。为了探讨方便起见，我们在研究设想方案时，仍以平均沉速作为指标；而作为实验的手段，则以沉淀后浊度去除率为指标。此外，我们还作了一个假设，就是由不同方式获得相同絮凝效果的悬浊液，在其进一步作絮凝反应时，应获得同样的结果，例如采用G1值的速度梯度反应T1时间后，得到了悬浊液的平均沉速为V，而用另一G2值反应T2时间后也可得到平均沉速为V，我们就认为这二者效果相同，同时，尽管它们形成的条件各不相同，但在进一步絮凝时，二者应该获得同等的絮凝条件。根据以上对絮凝过程以及基本假设的分析，我们就可以进而讨论絮凝池合理设计的设想方案。如果把单位体积中颗粒所占的比例用来表示，即：=N(/6)d3(4)则参照式(1)及式(3)，并假定颗粒的每一次碰撞均产生聚集，那么颗粒浓度的时间变化率就应为： dN/dt=-KsN(5)式中：Ks取决于G和，即KskG。将式(5)积分，可得：N=N0e-Kst(6)式中：N为絮凝时间为t时的颗粒总浓度；No为絮凝开始时(t0)的颗粒总浓度。假如絮凝过程中密度保持不变，即固定，则上式可换算成粒径的变化关系。即：d=d0e(Kst/3)式中：d及do分别为时间t及t0时的颗粒粒径。也就是说。如果颗粒的每次碰撞均属有效，则其粒径的增长(或相应沉速的增长)理论上应如图1所示的形式。粒径(或沉速)随时间呈指数关系增加。其增长的速率取决于ks值。即Ks越大增长速率越快。ks与水流的速度梯度及原水颗粒体积比成正比。因此当G值增加。或者颗粒浓度增加时，粒径（或沉速）的增长就迅速。图1所示为理论曲线，然而，根据一般搅拌试验的结果，所得图形与图1有很大出入，大致得到象图2实线所示的曲线。也就是说，在维持G值不变情况下，沉速增长的速率不一定是随时间增加而加速。在开始时或开始以后较短时间，沉速增长形式与理论曲线大致相似。但以后其增长率不仅不是逐步增加，相反出现逐步减小，最后趋向于某一极值Vmax。我们不妨称Vmax为某一G值时的极限沉速。例如，在作一般反应的搅拌试验时，最初510分钟效果增长较明显。然而超过10分钟以后其反应效果一般很少有明显增加。如果不改变搅拌速度，那么即使搅拌20分钟或30分钟，其结果往往不会有什么变化。产生理论曲线与试验曲线不一致的原因，很容易得到介释。理论曲线假定颗粒的每一次碰撞都产生聚集，实际上颗粒碰撞时不仅不一定聚集，而且还可能被破碎。图2中阴影部分实际上代表了碰撞中的无效和破碎部分。由于V与絮凝结果的沉速相比是微小的，故一般可略而不计。但是图2的试验曲线是用同一水质、同一G值试验的结果。如果改变G值，情况就会不同。实际上在进行搅拌试验时，用肉眼也可发现。在经一定时间搅拌后，停止浆板的转动，由于水流的惯性，液体仍在旋转。但G值显然逐渐减小，此时所看到的絮凝体往往明显地优于搅拌时的絮凝体。其原因也较清楚，由于G值减小，其极限沉速就相应增大，虽然此时的絮凝时间尚达不到相应的极限沉速，但颗粒还是向加大的方向发展。因此，为了探索合理的絮凝水流条件，就应该对不同G值情况下的絮凝分别进行试验。图3所示为可能获得的一组试验结果。a、b、c分别代表低、中、高三种不同的G值，按照理论曲线(虚线)应该出现G值越高，增长越快。但实际情况在在有所出入。在开始阶段无凝应该是G值越高絮凝效果增长越快。因为此时颗粒尚属细小。碰撞产生的絮凝作用应是主要的。但是当颗粒增长到某一程度后，颗粒聚集受到一定限制，还将受到破碎的影响，也就是逐步趋向于某一极限沉速。由于G值高的，极限沉速小，而G值低的，极限沉速大，因而它们的试验曲线必然相交(如图2中的A点及B点)；也就是说，当用C的G值反应tA时，与用b的G值反应tA时，将获得同样的颗粒沉速。同样，对用c的G值反应tB时，与用a的G值反应tB时应具同等效果。然而当絮凝时间超过交点时，低的G值将可获得较快的颗粒沉速增长，高的G值沉速增长反而减慢，这也就是絮凝池设计中采用改变流速的原因。由图3可知，如果不考虑絮凝时间的长短，采用低的G值可以获得较好的絮凝效果。但是这样的设计显然也是不合理的。因为絮凝池合理设计的目的就是要求以最短的时间获得最好的效果。图3所示的试验结果，对进行絮凝池的合理设计很为有用，后面将作进一步讨论。此外，如前所述，絮凝效果不仅与水流条件(G值)有关，而且也与处理水的性质有很大关系。那么在这样的试验中，水质的差异能否得到反映，这是需要考虑的。从絮凝角度考