生物流化床處理生活污水的動(dòng)力學(xué)研究

陳 寰，張麗娟，李金波

(北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518055)

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，水污染問題日益嚴(yán)峻，活性污泥法處理生活污水的不足也日益暴露出來?；钚晕勰喾ù嬖谥芎拇?、基建投資大、占地大、負(fù)荷低的缺點(diǎn)，還有可能發(fā)生污泥膨脹、污泥解體、腐化、上浮和泡沫問題等異常情況。生物流化床(Biological fluidized bed，BFB)是以粒徑為0.3～3.0mm的活性炭、沸石、磁環(huán)及多孔高分子聚合物等為載體，污水為流化介質(zhì)，通過載體生物膜的吸附降解作用去除有機(jī)污染物［1］，具有處理效率高、占地面積少、適用性廣、負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)［2，3］。BFB工藝兼?zhèn)淞松锬しê突钚晕勰喾ǖ膬?yōu)勢，相對活性污泥法，BFB工藝不需要污泥回流，由于填料上附著大量的微生物，使其抗沖擊負(fù)荷能力明顯優(yōu)于前者［4］。然而，迄今為止，對BFB工藝設(shè)計(jì)中各基本參數(shù)的選用和確定仍憑經(jīng)驗(yàn)或參照傳統(tǒng)活性污泥法的設(shè)計(jì)方法，而很少從動(dòng)力學(xué)上給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。本研究著重考察BFB處理生活污水的動(dòng)力學(xué)模型，確定了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以期為BFB處理生活污水的工藝設(shè)計(jì)和操作過程提供借鑒參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置如圖1所示。反應(yīng)器為有機(jī)玻璃圓柱體，內(nèi)徑9cm，高83cm，總體積為5.3L，有效容積為5L。反應(yīng)器進(jìn)水、曝氣、沉降、排水各階段時(shí)間均由微電腦時(shí)控開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該裝置采用隔膜式氣泵和曝氣頭供氣，曝氣頭設(shè)在反應(yīng)器底部，由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量。反應(yīng)器底部的磁力攪拌器用來將底部污泥混合均勻，再由蠕動(dòng)泵帶動(dòng)污泥回流。此外，每周期的進(jìn)出水分別采用提升泵和電磁閥來控制。

圖1 試驗(yàn)裝置流程示意圖Fig.1 Schematic of experimental equipment

流化床中填料的粒徑對臨界流化速度影響很大［5］。對于同種材質(zhì)的填料，不同的粒徑有不同的臨界流化速度，臨界流化速度越小，能耗越小。本試驗(yàn)選取3種不同粒徑的顆?；钚蕴?(其性質(zhì)如表1所示)進(jìn)行比較。如圖2所示，當(dāng)填充比例在1%～7%之間，3種填料的臨界流化速度由小到大的次序?yàn)?顆?；钚蕴?＜顆粒活性炭2＜顆?；钚蕴?。因此，本研究選用顆?；钚蕴?作為反應(yīng)器填料。

表1 顆?；钚蕴刻盍系奈锢硇再|(zhì)Tab.1 Physical properties of granular activated carbon

圖2 3種填料在不同填充比例下的臨界流化速度Fig.2 Critical fluidization velocity of three filters under different filling ratios

2.2 生活污水

試驗(yàn)用水取自北京大學(xué)深圳研究生院的生活廢水，原水 pH在6.5～8.0之間，CODCr為100～1000mg/L，NH+4-N為 7～65mg/L，TP為 3～10mg/L，濁度為30NTU左右。

2.3 GAC－BFB的運(yùn)行

試驗(yàn)采用的GAC－BFB系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)為:水力停留時(shí)間 (HRT)為8h，氣水比為16∶1，沉降時(shí)間為30min，出水高度為距反應(yīng)器底部34cm，溫度25℃ ±2℃。處理效果:(1)出水COD濃度的平均值為 22.9mg/L，COD去除率的平均值為95.8%;(2)出水NH3-N濃度的平均值為1.73mg/L，NH3-N去除率的平均值為95.0%;(3)出水TP濃度的平均值為 0.26mg/L，TP去除率的平均值為94.7%;(4)出水COD、NH3-N、TP均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918－2002)中規(guī)定的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 分析方法

化學(xué)需氧量 (COD)采用重鉻酸鹽法 (GB 11914－89)測定，反應(yīng)器內(nèi)混合液懸浮固體濃度(MLSS)及混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度 (MLVSS)采用重量法 (GB 11901－89)測定。

生物膜厚度的測定采用在顯微鏡 (CX31，Olympus Optical Co.，Ltd，Japan)下觀察生物載體上的膜厚，然后求其平均值。具體操作:分別測定每個(gè)生物膜載體4個(gè)方向上的生物膜厚度 a、b、c和d，再計(jì)算該載體的平均膜厚δ=(a+b+c+d)/4，每次測量20個(gè)生物載體上的生物膜的厚度，求其平均值，單位μm。

生物膜量的測定:從GAC－BFB中取出一定量的生物膜載體，用蒸餾水輕輕沖洗，去除懸浮生物量。然后將洗滌過的生物膜載體置于1mol/L的NaOH溶液中，并在60℃ ～80℃下，采用超聲波儀進(jìn)行30min的剝脫處理。將得到的生物膜溶液用事先烘干至恒重的0.45μm醋酸纖維素濾膜過濾，再將濾膜置于105℃烘箱烘干至恒重，冷卻至室溫后，稱重W0，再將烘干后的生物膜和濾膜一起置入550℃馬弗爐內(nèi)灼燒至恒重，冷卻至室溫后，稱重W1。兩者重量之差即為生物膜的重量，即為生物膜量，單位g/L。

3 結(jié)果與討論

由于廢水生物降解過程比較復(fù)雜，為了簡化推導(dǎo)過程，在不影響系統(tǒng)模擬結(jié)果的前提下做了如下假設(shè):(1)在本研究中由于反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)采用磁力攪拌器和曝氣裝置，使得污水在反應(yīng)器內(nèi)能較好的混合，因此我們可以將其視為完全混合型反應(yīng)器來處理;(2)假定非溶解性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物都有著共同的去除過程，且符合Monod模式;(3)操作條件改變后，系統(tǒng)經(jīng)過短期的適應(yīng)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。生長動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)樓數(shù)據(jù)見表2。

對GAC－BFB內(nèi)生物量進(jìn)行物料衡算可得到如下方程:

3.1 微生物增長曲線

整個(gè)運(yùn)行過程中生物膜量以及生物膜厚度的變化趨勢如圖3所示，GAC－BFB穩(wěn)定運(yùn)行后，生物膜量為7.57g/L，生物膜厚度為168μm。

圖3 生物膜量和生物膜厚度在運(yùn)行期間的變化Fig.3 Changes of biofilm amount and thickness during operation

XA—單位體積附著相生物膜重量，gVSS/L;

V—反應(yīng)器的有效容積，L;

YOA—生物膜的表觀產(chǎn)率，gVSS/gCOD;

Kd—微生物細(xì)胞衰減常數(shù)，d－1;

Xe—出水微生物菌體濃度，mg/L;

Q—反應(yīng)器進(jìn)水流量，L/d;

dS/dt—單位體積生物量的基質(zhì)降解速率。

通過中國知網(wǎng)，南京體育學(xué)院圖書館及網(wǎng)絡(luò)搜索查閱了有關(guān)定向運(yùn)動(dòng)、高校運(yùn)動(dòng)和可持續(xù)發(fā)展方面的文獻(xiàn)、書籍及文件，基本掌握了普通高校開展定向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)狀和可持續(xù)發(fā)展的基本特征，為本課題研究的順利進(jìn)行提供了基礎(chǔ)。

由于穩(wěn)定條件下，滿足dXA/dt=0則:

式中:θc—反應(yīng)器中生物固體的停留時(shí)間，d;

θ—水力停留時(shí)間，d;

△X—每天系統(tǒng)排出的生物量，△X=Xe·Q。

3.2 微生物生長動(dòng)力學(xué)

表2 生長動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental data of growth kinetics

將式 (3)代入式 (2)中，得到:

式 (6)即為GAC－BFB微生物生長動(dòng)力學(xué)方程。

根據(jù)式 (6)作1/θc～q曲線，如圖4所示。經(jīng)過線性擬合，得到如下的回歸方程:1/θc=2.3057q－0.3056，R2=0.9549，故可得微生物的生長動(dòng)力學(xué)參數(shù)值為:YOA=2.3057 gVSS/gCOD;Kd=0.3056 d－1。該微生物生長動(dòng)力學(xué)擬合方程能較好的反映GAC－BFB系統(tǒng)的出水水質(zhì)狀況。

圖4 1/θc與q關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between 1/θc and q

3.3 基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)

由于反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)采用磁力攪拌器和曝氣裝置，使得污水在反應(yīng)器內(nèi)能較好的混合，因此將反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)視為完全混合反應(yīng)器，而且假定非溶解性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物都有著共同的去除過程，且符合Monod模式。根據(jù)物料平衡原理和Monod公式，在系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下反應(yīng)區(qū)內(nèi)的底物平衡式為:

式中:Q—進(jìn)水流量，L/h;

S0—進(jìn)水有機(jī)底物濃度，mg·COD/L;

Se—出水有機(jī)底物濃度，mg·COD/L;

dS/dt—有機(jī)底物降解速度，mg·COD/h。根據(jù)Michaelis－Menlen方程式，得知:

式中:

V—有機(jī)底物的比降解速率，h－1;

Vmax—有機(jī)底物的最大比降解速率，h－1;

X—生物量，mg·MLVSS;

S—有機(jī)底物濃度，mg·COD/L;

KS—米氏常數(shù)，mg/L。

由式 (8)和式 (9)，可得:

將式 (10)代入式 (7)，可得:

反應(yīng)器內(nèi)微生物包括兩大類，一類是附著于載體上的生物膜，另一類是懸浮的活性污泥。為了便于計(jì)算，將載體內(nèi)部和表面所掛的生物膜折算成以單位載體體積所表示的濃度。反應(yīng)器內(nèi)所加的載體填充量為3%，故反應(yīng)器內(nèi)的生物量表示如下:

式中:V—反應(yīng)器有效容積，L;

a—微生物濃度，mg·MLVSS/L;

b—填料生物膜體積濃度，mg·MLVSS/L。將式 (12)代入式 (11)，可得:

將式 (13)簡化為:

式中:K—反應(yīng)速率常數(shù)，

K=(a+3%b)·Vmax，mg/(l·h);

U—單位容積底物去除速率，

U=Q·(S0－ Se)/V，mg·COD/(l·h)。將式 (14)簡化為:

表3 基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The experimental data of degradation kinetics (10－3)

將實(shí)驗(yàn)得到的1/U和1/S值 (見表3)分別做為y和x作圖，得到圖5。如圖5所示，經(jīng)過線性擬合，得到如下回歸方程:1/U=0.2182*1/S+0.0764，R2=0.9972，該基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)擬合方程能較好的反映GAC－BFB系統(tǒng)的出水水質(zhì)狀況。故可得基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)為:KS=2.86 mg/L，K=13.09 mg/(L·h)。將K和Ks分別代入式(14)，則GAC－BFB中COD降解動(dòng)力學(xué)方程為:

式中:U—單位容積底物去除速率，mg·COD/(L·h);

S—有機(jī)底物濃度，mg·COD/L。

圖5 1/U和1/S的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between 1/U and 1/S

4 結(jié)論

4.1 假設(shè) (1)GAC－BFB屬于完全混合型反應(yīng)器，(2)非溶解性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物都有著共同的去除過程，且符合Monod模式，(3)操作條件改變后，系統(tǒng)經(jīng)過短期的適應(yīng)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行，則GAC－BFB內(nèi)生物膜的表觀產(chǎn)率YOA為2.3057 gVSS/gCOD，微生物細(xì)胞衰減常數(shù)Kd=0.3056 d－1。

4.2 假設(shè) (1)GAC－BFB屬于完全混合型反應(yīng)器，(2)非溶解性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物都有著共同的去除過程，且符合Monod模式，則基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)中米氏常數(shù)KS為0.2182mg/L，反應(yīng)速率常數(shù)K為13.09 mg/(L·h)。

4.3 GAC－BFB的微生物生長動(dòng)力學(xué)擬合方程為1/θc=2.3057q－0.3056，R2=0.9549;GAC －BFB的基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)擬合方程為1/U=0.2182*1/S+0.0764，R2=0.9972。試驗(yàn)表明該微生物生長動(dòng)力學(xué)擬合方程及基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)擬合方程能較好的反映GAC－BFB系統(tǒng)的出水水質(zhì)狀況，本研究所獲得的動(dòng)力學(xué)關(guān)系和動(dòng)力學(xué)參數(shù)可作為GAC－BFB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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