曝氣生物濾池處理紡織污染物的機(jī)理及其動力學(xué)模型研究

李江濤

（寧夏水利電力工程學(xué)校，寧夏 銀川 750006）

0 引言

我國紡織工業(yè)歷來是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，在滿足人民衣著生活需要、豐富和提高我們生活質(zhì)量和水平的同時，為國家的資金積累、出口創(chuàng)匯以及大量安置勞動力就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。伴隨著紡織行業(yè)的高速發(fā)展，紡織工業(yè)廢水的產(chǎn)生也明顯大量增加，加重了水資源的短缺和我們綜合治理難度和負(fù)擔(dān)。

1 曝氣生物濾池處理污染物的機(jī)理分析

1.1 生物氧化作用

曝氣生物濾池的生物氧化作用既包括固著生長的微生物對有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)的分解代謝；也包括反應(yīng)器內(nèi)液相主體的懸浮微生物對污染物的降解利用。生物氧化過程既有異養(yǎng)菌對有機(jī)污染物的分解利用；也有自養(yǎng)菌對營養(yǎng)性污染物的氧化去除，同時生物氧化也包括了好氧和厭氧過程。所以曝氣生物濾池內(nèi)部的生物氧化過程是以生物膜為主體，包含懸浮生長微生物在內(nèi)的，多種不同生態(tài)類型微生物以各自不同的代謝途徑和代謝方式分別降解利用污水中各種不同污染物質(zhì)的綜合過程。曝氣生物濾池的生物氧化作用是最主要的功能，是反應(yīng)器去除有機(jī)物、硝化和反硝化等功能的基礎(chǔ)。

1.2 過濾截留作用

曝氣生物濾池所采用的小粒徑顆粒填料使其具有了典型的深床過濾特征。填料的吸附和截留作用使污水中的大部分顆粒污染物被截留在濾床的空隙中，實(shí)現(xiàn)對污染的直接截留，完成初步的固液分離，最后通過反沖洗過程將吸納的固體污染物從濾床中清除。填料床對小型顆粒有機(jī)物，乃至膠體有機(jī)物的吸附截留過程也促進(jìn)了微生物在填料表面的吸附生長，加快了生物膜的形成，而填料上所隨著的生物膜又增加了填料表面的粗糙度，從而更加強(qiáng)化了填料床的吸附截留能力，所以曝氣生物濾池的過濾截留功能是物理截留為主，物理、化學(xué)和生物共同作用的結(jié)果。

1.3 生物絮凝作用

生物膜的形成是大量微生物個體在水環(huán)境中適宜的惰性載體表面吸附、生長、繁殖，并通過微生物細(xì)胞在胞外分泌形成的，隨機(jī)伸展有胞外多聚物使微生物細(xì)胞形成纖維纏結(jié)結(jié)構(gòu)的過程。顯然，生物膜的形成是和生物膜形成物質(zhì)的絮凝特性密不可分的。生物膜所具有的絮凝特性已成為許多研究成果所證實(shí)。由于具有絮凝作用的胞外聚合物的存在，曝氣生物濾池生物膜具有極強(qiáng)的生物絮凝功能，這不僅強(qiáng)化了濾床的過濾截留能力，還提高了濾層對污水中膠體物質(zhì)的絮凝、吸附效率，也為生物氧化作用提供了充足有效的底物供應(yīng)；另外，曝氣生物濾池內(nèi)部還生長著大量的絲狀菌，這些微生物不僅可以降解有機(jī)污染物，還為生物膜的形成提供了骨架，形成了濾床空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了生物絮凝和過濾作用，提高了生物膜的抗反沖洗能力，所以，曝氣生物濾池的生物絮凝作用對反應(yīng)器的污染物去除能力具有強(qiáng)化功能。

1.4 食物鏈分級捕食作用

曝氣生物濾池具有推流式反應(yīng)器的流態(tài)特征，沿水流方向存在著底物濃度梯度，而在生物膜內(nèi)部則存在著溶解氧的擴(kuò)散梯度。所以曝氣生物濾池為各種不同生態(tài)類型的微生物提供了豐富的生存條件，再加上固著生長的生態(tài)環(huán)境，使反應(yīng)器內(nèi)固體停留時間與水力停留時間實(shí)現(xiàn)了分離，使得大量生長緩慢的微生物種群，如自養(yǎng)菌等，能夠在反應(yīng)器內(nèi)生長繁殖并形成優(yōu)勢種群：同樣各種絲狀微生物、原生和后生動物等高等營養(yǎng)級微生物也能夠在曝氣生物濾池生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)一定的空間位置，使得曝氣生物濾池系統(tǒng)內(nèi)的微生物種群構(gòu)成復(fù)雜多樣、食物鏈長且形成網(wǎng)狀交叉。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在曝氣生物濾池反應(yīng)器中，沿水流方向呈現(xiàn)明顯的食物鏈分級，各營養(yǎng)級之間形成相互交叉，致使系統(tǒng)內(nèi)總的營養(yǎng)級水平提高。而根據(jù)林德曼效率，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)的總營養(yǎng)級水平提高時，總的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，系統(tǒng)就會維持一個比較穩(wěn)定的低水平的總生產(chǎn)量，系統(tǒng)的功能就更加穩(wěn)定。因而在污水處理系統(tǒng)中，營養(yǎng)級水平的提高不僅意味著系統(tǒng)污泥產(chǎn)量的下降，還意味著需要提供更多的物質(zhì)和能量來維持系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的完整和正常系統(tǒng)功能，這就使系統(tǒng)具有更高的處理效率。所以曝氣生物濾池微生物生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)使其具有明顯的食物鏈分級捕食作用，進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的處理效能。

2 曝氣生物濾池中有機(jī)物去除動力學(xué)模型

有關(guān)污水生物處理過程的動力學(xué)研究自20世紀(jì)50年代以來取得了長足的進(jìn)步，許多專家學(xué)者提出了一系列有關(guān)生物處理的數(shù)學(xué)模型，使污水生物處理的理論研究水平不斷深入。目前對曝氣生物濾池底物去除動力學(xué)研究中主要以建立簡單、實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撆c實(shí)踐相結(jié)合的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹鳌?/p>

由于曝氣生物濾池反應(yīng)器作用機(jī)理比較復(fù)雜，目前很建立一種具有清晰生物學(xué)意義和解析解的理論模型，本文試圖推導(dǎo)曝氣生物濾池底物去除過程動力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，說就有關(guān)模型的動力學(xué)意義進(jìn)行理論分析。

曝氣生物濾池系統(tǒng)是生物氧化和深床過濾單元的有機(jī)整合，除了填料被淹沒在濾床內(nèi)這一特征外，曝氣生物濾池也普通生物濾池有著許多相似性。示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種濾池的流態(tài)在整體上都具有推流式的特。且根據(jù)Mann對推流式生物濾池的研究結(jié)果，認(rèn)為在BAF內(nèi)生物膜對基質(zhì)的利用也符合一次反應(yīng)關(guān)系。

首先設(shè)定曝氣生物濾池系統(tǒng)為推流式反應(yīng)器，反應(yīng)器降解有機(jī)物符合一級反應(yīng)方程式。圖1為曝氣生物濾池簡化模型示意圖，假定反應(yīng)器內(nèi)只存在縱向的濃度梯度。

圖1 曝氣生物濾池簡化模型示意圖

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論，單位時間內(nèi)理想化曝氣生物池反應(yīng)器中的每一個局部微元dv都存在如下物料平衡關(guān)系：

輸入量－輸出量－去除量=累積量

其中：輸入量和輸出量分別表示進(jìn)入和流出反應(yīng)器微元dv的有機(jī)物，其差值Q·ds，mg/d；去除量是微元dv中由生物化學(xué)反應(yīng)而減少的有機(jī)物，為隨著微生物和懸浮微生物利用量之和，(ds/dt)Adv+(ds/dt)Sdv，mg/d；累積量是微元dv中有機(jī)物濃度的時間變化量(ds/dt)Adv,mg/d。

則微元dv中的物料平衡關(guān)系可以寫成如下數(shù)學(xué)關(guān)系式：

式中：Q為處理的水量，L/d；ds為進(jìn)出微元dv的有機(jī)物濃度變化量，mg/L；dv為曝氣生物濾池反應(yīng)器中微元體積，L；A為微元的橫截面積，m2；dh為微元dv的高度，m；(ds/dt)A為微元dv內(nèi)附著微生物膜有機(jī)物降解速度，mg/(L.d)；(ds/dt)S為微元dv內(nèi)懸浮微生物有機(jī)物降解速度，mg/(L.d)；(ds/dt)為微元dv內(nèi)有機(jī)物濃度隨時間變化速率，mg/(L.d)。

在穩(wěn)態(tài)條件下，微元容積內(nèi)有機(jī)物不發(fā)生積累，即：

于是，（1）式簡化為：

而反應(yīng)器中懸浮微生物與附著微生物膜相比是很少的，可以忽略不計，則（4）式可以進(jìn)一步簡化為：

當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)生化反應(yīng)為一級反應(yīng)時，有：

式中：γ為反應(yīng)速率；S為t時間內(nèi)殘存的有機(jī)物濃度；k為與特定時間和有機(jī)物濃度有關(guān)的速率常數(shù)。

整合上述公式，并略去下標(biāo)A，整理得：

正常水處理工況下，Q、k、A均為常數(shù)，為方便計算可令：

式中：k1為反應(yīng)濾池處理效率的系數(shù)。也曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)、填料性質(zhì)、進(jìn)水流量和濃度等有關(guān)的速率常數(shù)，單位為m-1。

式中：ds/dH為污染物的濃度梯度，mg/(L·m)；S0為濾池進(jìn)水有機(jī)物濃度，mg/L；H為離濾池底部進(jìn)水高度，m；Q為濾池進(jìn)水流量，m3/d；A為濾池的截面積，m2；K1為與進(jìn)水水質(zhì)，是與濾率有關(guān)的系數(shù)；m為與進(jìn)水水質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；n為與濾池特性、濾率有關(guān)的系數(shù)。

對于無回流濾池：

因此，CODcr的去除效果與填料高度的關(guān)系可通過式（12）較精確的表示。由式（12）進(jìn)一步可得出濾床不同深度處廢水中有機(jī)物濃度之間的關(guān)系式：

根據(jù)式（9），得

根據(jù)試驗(yàn)測定值，利用圖解法分別求得各流速下K1的值，再通過解方程得：

將值代入公式（9），得：

因此，曝氣生物濾池有機(jī)物去除動力學(xué)模型：

由式（15）可知，BAF的處理效率隨進(jìn)水有機(jī)物濃度的升高和水力負(fù)荷的增加而降低，且水力負(fù)荷的影響大于進(jìn)水有機(jī)物濃度的影響。因此，在高度一定的條件下，BAF處理廢水時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧髁亢瓦M(jìn)水濃度，以保證出水的水質(zhì)；由式（16）可知，在進(jìn)水有機(jī)物濃度和進(jìn)水流量一定的情況下，隨著濾層高度的增加，沿程的CODcr出水濃度降低，有機(jī)物去除率提高。

3 結(jié)束語

總之，作為國民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)的紡織行業(yè)，是用水和產(chǎn)生有機(jī)污染廢水的大戶。染整廢水不僅組分復(fù)雜、難降解物質(zhì)多，難以用常規(guī)方法進(jìn)行完全處理；而且該類廢水的回用率極低，因此開發(fā)染整廢水深度處理裝置及其工藝，研究其相關(guān)基礎(chǔ)理論，不但解決染整廢水排放對環(huán)境造成的污染，緩解水資源的短缺，而且具有重要的學(xué)術(shù)意義與應(yīng)用價值。

［1］鄭俊,吳浩汀.曝氣生物濾池工藝?yán)碚撆c工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

［2］徐亞明,蔣彬.曝氣生物濾池的原理及工藝[J].工業(yè)水處理,2002,22(6)：1-5.

［3］謝曙光,張曉健,王占生.曝氣生物濾池最新發(fā)展和運(yùn)用[J].水處理技術(shù),2004,30(1)：4-7.