循环移动载体生物膜反应器水力特探讨.doc

循环移动载体生物膜反应器水力特性探讨引言 循环移动载体生物膜反应器是利用表面附着生物膜的填料，在好氧条件下，通过曝气来实现填料的循环移动，使水流与填料充分接触，达到高效处理有机废水的一种新型工艺，具有生物量高、不堵塞且无需反冲洗等特点。在本研究中，填料由聚乙烯材料制 成，密度为0.96gcm3，形状为小圆柱体（直径约10mm，高7mm），体内有米字支撑，外侧沿径向伸展许多尾翅。填料在反应器内的填充比根据实际需要确定，最高可达到70。生物膜可附着的比表面积约为500m2m3，由于生长在该柱形填料外表面的生物膜比内表面少得多，实际的附着表面积仅为350m2m3左右1。 1 流态特征 11 反应器构造循环移动载体生物膜反应器的有效水深1.20m有效容积172L，由导流板将其分成提升区和回落区，见图1。 12 水流流态在连续污水生物处理反应器中，水的流态存在两种型式推流式和完全混合式。但在大多数反应器中，水的流态介于两者之间。循环移动载体生物膜反应器大致符合完全混合的特征，载体在反应器内循环移动时，污水被不断提升形成循环，而且循环水量远大于进水量。当原水进人反应器后，会很快与循环水混合而被稀释，从而被均匀分散到整个反应器的容积内。具体表现为，在不同进水流量下，反应器内各区域的COD值相差不大，而且随着进水流量的增大，不同区域COD的差值越来越小，数据见表1。13 水力性能在反应器内，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2。以反应器底部质量为m的微元为研究对象，根据能量方程，得： （1-Zh）mgh-（1-Zt）mgh mut22-muh2/2+imut2/2 (1)式中：m元体的质量，g；g重力加速度，m/s2Zh回落区气体的滞留量，无量纲；Zt提升区气体的滞留量，无量纲；uh回落区液体流速，ms；ut提升区液体流速，ms；h反应器的高度，m；i沿程阻力和局部阻力系数之和。（1）式两边同时除以mg，得： （1-Zh）h-（1-Zt）h ut22gut22g +iut2/2g （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Zh0上式可简化得： Zthut2/2g-ut2/2g+iut2/2g （3）而uh=(AtAh）ut式中：At、Ah分别为提升区和回落区的横截面积，得：Zt=ut2（1At2Ah2+i)2gh （4）假定提升区气体滞流量二；与供气量Qg成正比，即ZtKQg，代入得：KQg=ut2（1At2Ah2+i）2gh （5） 由式（5）可知：气量Qg对反应器中液体的循环及混合情况影响很大。当Qg和h一定时，循环速度与提升区和回落区的面积之比AtAh、阻力系数有关。影响阻力系数i的主要因素是导流板底与反应器底之间的距离，因为回落区下向流动流体在导流板底部经180度转弯进人提升区而向上流动，这种流动方向的改变造成的水头损失较大。当Qg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Qg固定，导流板上下位置固定，左右位置也固定（AtAh固定），增大反应器的有效水深h，虽然流体的沿程阻力损失也增大，但其增大幅度小于h的增大，所以上升流速也增大。若AtAh固定，h一定，气量Qg越大，ut越大，也就是说，在已经确定了反应器的设计参数后，只能通过控制气量Qg来控制反应器内的循环移动速度。但Qg变大，能耗将增加而使处理工艺不经济。本试验所用的循环移动载体生物膜反应器导流板距反应器底部的距离为250mm，提升区与回落区的横截面积比23，提升区的水流速度大于回落区，有利于载体的循环移动。试验表明，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。但如果循环速度过大，则载体表面的生物膜很薄，大部分生物以悬浮状态存在而且如果发生在反应器的启动初期，将造成挂膜困难。为了实现载体的提升循环，曝气量必定存在一个最低值。随着气速的增加，载体在提升区的上升速度和回落区的下沉速度均增大；随着填充比的增加，在相同气速下载体的运动速度减小。在不同填充比时，填料的运动速度与气速的关系见表2。 2 充氧性能 循环移动载体生物膜反应器采用鼓风曝气，空压机送出的压缩空气先进人贮气罐，在稳压阀控制下，用微孔曝气头曝气。本试验用氧转移系数KLa来评价空气扩散装置的供氧能力，利用亚硫酸钠和催化剂氯化钻进行脱氧，化学反应式为：Na2SO3+(1/2)O2Na2SO4 表2 在不同填充比时，填料的运动速度与气量的关系 气量（m3.h-1)填料在提升区上升速度/（s.m-1)填料在回落区上升速度/（s.m-1)填充比50%填充比30%填充比50%填充比30%0.50.100.190.0500.150.60.130.230.0670.200.70.150.340.0800.210.80.170.400.0830.230.90.200.460.1000.311.00.230.500.1600.35理论上与1mg的氧完全反应需要7.9mg的亚硫酸钠，但是为了使液体完全脱氧，向水中添加的量要大于理论值3，实际投加量为每1mg的氧投加8-12mg Na2SO3和0.20.5mg的CoCl2。在溶解氧为时稳定的状态下，进行曝气充氧，待反应器内的载体循环移动后再控制气量，每隔一段时间测定溶解氧值，直到饱和为止。水中溶解氧的变化率或转移率，可用如下公式4表示：dCdtKLa（CsC） （6）积分得：Ln（CsC）KLatb （7）式中：KLa氧总转移系数，表示在曝气过程中氧的总传递性；Cs饱和溶解氧浓度，mgL；C溶解氧浓度，mgL；t时间，min；b积分常数。根据充氧过程中Ct关系，作Ln（CsC）-t的曲线，可得到一条直线，其斜率为-KLa，曲线越陡，说明KLa值越大，氧传递的阻力越小，氧传递的速度也越快。本试验采用0.6、0.8和1.0m3h三组不同的气量，在填料填充比为0、30和50时进行试验，数据见表3。 表3 KLa与填充比及气量的关系填充比/%气量/（m3.h-1)KLa/min-100.60.12280.80.19271.00.1310300.60.14530.80.14331.00.1369500.60.22290.80.19801.00.2076在0、30和50三个不同的填充比下，其氧转移系数的平均值分别为0.14、0.142和0.21。可见，随着填充比的增加，氧转移系数呈上升的趋势。在较低的通气量时，随着气量的增加，反应器氧转移系数增加。这是因为气体由孔口释放后，在上升过程中，除受到紊动水流的剪切力外，还在上升过程中由势能转化为动能，利用其自身的动能撞击载体表面，使气泡破裂，直径进一步减小，相应增大了接触面积。而且，小气泡在载体空隙内顶托水流，迫使空隙内的水流迅速循环，相互混合，使气泡在上升过程中由接触到更多水流。同时，水流紊动的加强，也有利于气液两相界面的更新，从而可促进氧的利用率。但是氧传递系数并不总随气量的增加而增加，当气量大幅度提高时，形成的气泡直径增大，在液相中停留的时间短，氧的利用率反而会下降。 3 小结 CMCBR的水流流态为完全混合，原水进入反应器中与循环水混合稀释，均匀分散到整个反应器中。反应器中液体循环混合状况与供气量、导流 板距反应器底部的距离及提升区和回落区面积之比有关，权衡去除效率和经济因素，实验中导流板距反 应器底部的距离取250mm，提升区与回落区面积之比23。随着填充比的增加氧转移系数逐渐上升，鉴于循环流速的限制，50的填充比较合适。水流紊动的加强也有利于氧的利用，但气量过高时，氧的利用率反而会下降。 压力溶气气浮+低压膜工艺在中水回用中的应用一、概述水问题已经成为我国经济可持续发展的制约因素，并将成为21世纪我国经济发展最突出的问题。实现污水资源化具有明显的环境效益、经济效益和社会效益，是保护水资源和使水资源增值的有效途径，同时也会大大的缓解我国水资源的紧缺。在水的社会循环中，污水的再生与回用是关键的环节。将大部分的废水经过再生处理后回用，一方面可以缓解水资源短缺的局面，高效地利用有限的淡水资源，同时又减少了排放至自然水体的污染物总量，具有多方面的功效。因此，水的再生与回用是环境保护、水污染防治的主要途径，是社会和经济可持续发展战略的重要环节，已经成为世界各国解决水问题的必选策略。随着现代环保技术的日益完善和发展，膜技术作为中水回用处理的主体技术得到了广泛的应用和认可。传统膜技术为主体的中水回用处理技术前置处理均以机械过滤、多介质过滤、活性炭过滤为主，均需要反冲洗和活性炭的再生利用，整体设备运行费用较高，占地面积大。而采用压力溶气气浮代替传统机械过滤进行前处理，能收到良好的效果，而且能够节约占地面积和运行费用。工艺流程工艺说明：本处理工艺分为前置处理和后续处理两个阶段，前置处理根据不同的水质在管道中投加由我公司配备的高效絮凝剂，压力溶气罐提供压缩空气产生细小气泡，气浮反应罐中去除大量有机物、金属离子、色度、溶解性固体、盐分等物质。前置处理后出水进入保安过滤器、膜过滤进行后续处理，出水用于生产或生活回用。工艺特点：本工艺采用物理方法取代传统的机械过滤、多介质过滤、活性炭过滤，无需活性炭再生、反洗等维护保养，在气浮反应罐中有机物分离快，时间短，处理出水稳定、效果显著，能够减小后续膜处理的进水负荷。整体设备占地面积比机械过滤节省50%，运行费用节省40%。二、工程实际效果以下是10吨/小时中试设备处理效果：（监测主要指标）（一） 中国石化某炼油公司污水处理厂排水处理效果：（表1）监测时间：2004年11月15日2004年11月20日检测项目进水水质膜出水水质去除率生活饮用水标准PH7.17.36.58.5色度35391.43%不超过15度CODcr491079.59%石油类3.120.293.59%挥发酚0.26未检出99.99%0.002硫化物0.430.1076.74%（二） 某塑料电镀厂污水处理厂排水处理效果：（表2）监测时间：2004年11月5日2004年11月10日检测项目进水水质膜出水水质去除率生活饮用水标准总铜0.1980.02985.35%1.0总锌0.4890.03493.05%1.0总铬0.295未检出99.99%0.05总镍0.6450.02496.28%（三） 宁波某纸业公司污水处理厂排水处理效果：（表3）监测时间：2004年11月11日2004年11月16日检测项目进水水质膜出水水质去除率生活饮用水标准PH7.37.56.58.5碱度（mmol/L）3.21.2760.31%硬度720.72232.5367.74%450色度85.02.197.53%不超过15度氯化物425.08149.7464.77%250CODcr98.2623.0676.53%（四） 宁波某纺织品有限公司漂染厂污水处理厂排水处理效果：（表4）监测时间：2004年11月20日2004年11月25日检测项目进水水质膜出水水质去除率生活饮用水标准PH7.86.76.58.5总碱度(mmol/L)0.630.1191.43%氯化物35732.690.87%250总硬度86012086.05%450CODcr92.8525.0073.07%色度35391.43%不超过15度总铁0.1420.03575.35%0.3总锰0.1260.04068.25%0.1（五） 深圳某工程设备有限公司磷化喷涂废水处理效果：（表5）监测时间：2004年12月8日2004年12月13日检测项目进水水质膜出水水质去除率生活饮用水标准PH5.67.36.58.5色度35197.14%不超过15度CODcr751481.33%石油类23578.26%总硬度554.51100.1081.95%450PO43-(以P计)0.430.1069.77%SS81593.83%10吨/小时中试设备设计参数指标：（表6）项 目单 位参 数处理量M3/h10表面负荷M3/m2h23反应时间Min6接触时间Min10清水上升时间mm/s2.0出水浊度mg/L5压力Kg/cm23采用膜组件参数：（表7）结构毛细管式中空纤维膜丝切割分子量10万道尔顿（葡聚糖）标称膜面积约4.84m2工作压力0.2MpaPH范围213最高耐压0.4Mpa从以上效果可以明显看出，改用压力溶气气浮工艺取代机械过滤工艺出水水质效果良好明显优于生活饮用水标准（GB5749-85），而且可降低成本。三、经济分析（一）、实际运行成本分析（10吨/小时中试设备）：设备总装机容量4Kw，调节池提升泵撞装机容量1Kw，每天运行24小时计，则该中水回用系统单位能耗为0.5Kwh/m3。运行过程中加入药剂为高效絮凝剂和阻垢剂，设备自动化程度较高进出水均配备在线监测设备，24小时运行仅需一人监测。表8 运行成本分析项目定额单价运行费用电费0.5Kwh/m30.8元/Kwh0.40元/吨折旧费0.31元/吨人工费1200元/月人0.02元/吨药剂费0.05元/吨运行