多功能懸浮式生物膜反應(yīng)器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

張趙劍，趙永祿，周俊波，張 洋，劉偉海

(1.高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京化工大學(xué)，北京 100029;2.新疆中泰化學(xué)股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

多功能懸浮式生物膜反應(yīng)器設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

張趙劍1，趙永祿2，周俊波1，張 洋1，劉偉海2

(1.高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京化工大學(xué)，北京 100029;2.新疆中泰化學(xué)股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

介紹一種改進(jìn)的生物膜反應(yīng)器。該設(shè)備以氯堿工業(yè)廢水為設(shè)計(jì)處理對(duì)象，集生化處理功能和預(yù)過濾功能于一身，在繼承傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器諸多優(yōu)點(diǎn)的前提下，創(chuàng)新地采用懸浮填料模塊化結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場組裝和后期調(diào)整需要。同時(shí)，論述反應(yīng)器設(shè)計(jì)運(yùn)行中主要參數(shù)的確定。

生物膜反應(yīng)器;懸浮填料;模塊化結(jié)構(gòu)

0 引言

廢水處理，尤其是成分更加復(fù)雜的工業(yè)廢水處理是環(huán)保界的長期課題。廢水處理、回用的難點(diǎn)在于如何去除其中懸浮或溶解的雜質(zhì)。單純的物理方法如吸附、過濾對(duì)懸浮雜質(zhì)直接有效，但是對(duì)可溶物質(zhì)的去除有局限性。深度過濾如超濾、反滲透通過孔徑控制出水水質(zhì)，對(duì)于冷卻水、外排水深度處理回用效果顯著［1］，但其前提是通過合理的設(shè)備和生化處理工藝降解大分子有機(jī)物等以減緩膜表面的污堵［2］。

目前，生化處理主要有活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法在工業(yè)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。一方面，該方法具有很強(qiáng)的凈化功能，去除BOD(生化需氧量）及混合液中活性污泥濃度的效率高，均可達(dá)到95%以上［3］;但另一方面，所需要的曝氣池容積大，占用土地較多，基建費(fèi)用高［4］。去除1 kg COD要產(chǎn)生0.5 kg干重的多余活性污泥，對(duì)這些固體廢物處理進(jìn)一步提高成本［5］。另外，無法避免的污泥膨脹問題不僅影響出水水質(zhì)，增加額外處理費(fèi)用，而且極易引起大量污泥流失，嚴(yán)重時(shí)可致使工藝失效［6］。

比較而言，生物膜法具有效率高、占地小、泥污量少等優(yōu)點(diǎn)，得到人們越來越多的關(guān)注，發(fā)展十分迅速。生物膜可認(rèn)為是由一種或是多種微生物群體組成的并附著在某種載體表面上進(jìn)行生長發(fā)育［7］。生物反應(yīng)器作為載體的儲(chǔ)放單元，是微生物生長和生化反應(yīng)的關(guān)鍵場所。其結(jié)構(gòu)型式、填料選擇、填料量、氣水分布等參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中生化效果有很大影響。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足性能指標(biāo)情況下，力求結(jié)構(gòu)簡單明了，制造加工容易。另外，還要考慮到后期維護(hù)、維修等操作的方便性。

本設(shè)備以氯堿工業(yè)中大量產(chǎn)生的聚合懸浮母液為主要處理對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮該類廢水中含有多種對(duì)微生物有害的成分，以達(dá)到回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)［8－9］，針對(duì)性地進(jìn)行工藝參數(shù)的計(jì)算核算。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及填料選擇

1.1 生物膜過濾反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

就流體力學(xué)特征來說，生物膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸決定著反應(yīng)器主要特性。為了確定最佳尺寸，進(jìn)而合理設(shè)計(jì)的需要，有必要提前了解結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)反應(yīng)器特性的影響。根據(jù)文獻(xiàn)資料［10］，大多數(shù)反應(yīng)器H/D值一般為6∶1，即對(duì)應(yīng)的 H/S(m－1）值為7.6∶1。設(shè)備為常壓敞口容器，考慮到設(shè)備的制造、加工和安裝，反應(yīng)器選擇矩形截面。參考上述信息，這里選定H/S為8∶1，在橫截面尺寸為1 m×0.5 m的情況下，其外形尺寸為1 m×0.5 m×4 m。

本生物膜反應(yīng)器 (見圖1）采用底部進(jìn)水，因此其下部有曝氣進(jìn)水口，頂部敞口保持常壓，處理后的液體從上部溢流槽流出。反應(yīng)器底部有1個(gè)穿孔曝氣管系統(tǒng)，所述穿孔曝氣管系統(tǒng)包括多根中空管件連接組合而成，該類型曝氣裝置可以有效地使氣液均勻［11］。

反應(yīng)器底部還有配合一定傾角的排污口，排污一般間隔為72 h左右，持續(xù)時(shí)間為10 min左右，具體排污時(shí)間和間隔需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

本新型懸浮式生物膜反應(yīng)器對(duì)填料進(jìn)行模塊化裝填，突出特點(diǎn)是利用填料籠金屬籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)填料進(jìn)行攔截，金屬籠網(wǎng)既方便裝填填料，又減小了懸浮物附著面積，并可以防止填料流失，可以有效避免因生物填料流失造成的效能下降或者填料堵塞造成設(shè)備損壞。此外籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的存在，一方面起到了過濾功能，另一方面氣液經(jīng)過時(shí)，讓氣液進(jìn)一步均勻，客觀上起到了分布器的作用。

圖1 多功能懸浮式生物膜反應(yīng)器模型運(yùn)行剖視及進(jìn)出口圖Fig.1 Multifunction suspended biofilm reactor structure

1.2 填料選擇

研究結(jié)果表明:懸浮式濾料比沉沒式濾料對(duì)懸浮顆粒物、有機(jī)物的去除率更高且更耐有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷沖擊［12］。根據(jù)以上資料、原料母液狀況和以往生化處理經(jīng)驗(yàn)，擬采用球形高分子懸浮填料。多面空心球填料上下有多片球瓣，表面積大，傳質(zhì)效率高，產(chǎn)品的球瓣與球瓣之間空間大，此外，采用科學(xué)配方，將高分子材料經(jīng)特殊工藝改性構(gòu)造而成的高分子懸浮填料，親水性好，抗沖擊力強(qiáng)，具有易掛膜、生物活性高、處理效果好等有優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外廢水處理行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

在一定容積下，填料的直徑與數(shù)量負(fù)相關(guān)，填料球直徑越大，需要的數(shù)量越少，填料間空隙越大，生物可附著占據(jù)的總體積越小;另一方面，填料球直徑過于小，出現(xiàn)密實(shí)堆積的現(xiàn)象，水流阻力過大，可能造成一定的堵塞，因此需要選擇合適的直徑。Allan T.Mann等對(duì)比比重不同濾料的COD去除率研究表明［13］，濾料比重為0.92時(shí)效果優(yōu)于1.05，說明在一定范圍內(nèi)較小比重度略優(yōu)。

目前，多孔生物球填料主要有 Φ80、Φ100，Φ150三種規(guī)格產(chǎn)品?？紤]到上述問題，這里選擇Φ80的多孔生物球填料。該類型產(chǎn)品單個(gè)重量約18 g，比重為0.93，填充量約為2 000個(gè)/m3。

2 主要運(yùn)行參數(shù)確定

考慮到菌種特性及其針對(duì)PVC母液的性質(zhì)，擬采用兩級(jí)生物膜反應(yīng)器串聯(lián)方式處理。運(yùn)行參數(shù)也參照進(jìn)水COD濃度的較大值600 mg/L設(shè)計(jì)。運(yùn)行過程中，可根據(jù)實(shí)際情況通過控制水量，改變回流比等方式作出合理調(diào)整，保證反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性。

綜合考慮多方面的因素，比對(duì)參考文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)情況及運(yùn)行結(jié)果，合理確定母液參數(shù)如下:

2.1 原水流量

為保證出水水質(zhì)，取進(jìn)水COD較大值，根據(jù)容積負(fù)荷 Lv計(jì)算流量［14］:

式中:Vf為反應(yīng)區(qū)體積，單級(jí)為1.5 m3，2級(jí)共有3 m3;Lv為容積負(fù)荷，5 kg［COD］/(m3·d）;S0為進(jìn)水COD，600 mg/L;

用上面公式計(jì)算出最大負(fù)荷，即進(jìn)水COD波動(dòng)峰值情況下的進(jìn)水量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算平均進(jìn)水流量為1 m3/h，為了留取一定余量，設(shè)定運(yùn)行流量QW為0.5 m3/h，即12.5 m3/d。

2.2 空氣流量

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣密度ρ=1.293 kg/m3，空氣中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為δ=0.210 kg O2/kg空氣。

式中EA為曝氣器的氧利用率，一般為10% ～25%。

上述公式中未知參數(shù)較多且個(gè)別參數(shù)較難測定，另外，在實(shí)際設(shè)計(jì)中只給出COD的數(shù)值而沒有BOD值。雖然可根據(jù)廢水的B/C值折算成BOD后進(jìn)行計(jì)算，但更為實(shí)際的做法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式直接計(jì)算曝氣量［15］，再用氣水比進(jìn)行校核。此處采取此種

式中:R為曝氣池進(jìn)水COD，取600 mg/L和500 L/h計(jì)算，計(jì)算得7.2 kg/d;EA為曝氣器的氧利用率，設(shè)定10%。

2.3 氣水比

方法。

一般生活污水，氣水比可以取8∶1～20∶1，根據(jù)相關(guān)資料。PVC母液BOD/COD普遍為0.25左右，可生化性相對(duì)較弱，屬于生化難降解的廢水，一般取低負(fù)荷，氣水比在40∶1～60∶1比較正常。此處采取較大的氣水比44∶1較符合實(shí)際情況。

2.4 曝氣反應(yīng)區(qū)校核

根據(jù)公式計(jì)算曝氣所需容積并與設(shè)計(jì)容積對(duì)比:

式中:QW為運(yùn)行進(jìn)水流量，12.5 m3/d;Sx為進(jìn)出水COD濃度差，2級(jí)處理母液，每級(jí)濃度差0.3 kg/m3;Lv為容積負(fù)荷，5 kg［COD］/(m3·d）。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)前狀態(tài)下需要曝氣反應(yīng)有效體積至少為0.75 m3，而設(shè)計(jì)反應(yīng)區(qū)體積為1.5 m3，滿足運(yùn)行需要，設(shè)計(jì)合理。

2.5 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間 (hydraulic residence time，HRT）是污水在曝氣池的停留時(shí)間，其為曝氣池容與污水流量的比值:

參考相關(guān)研究表明［16］，在曝氣池中的平均停留時(shí)間與運(yùn)行方式無關(guān)，即與回流比無關(guān)，其值大小與設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間一致，即設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為6 h。

3 結(jié)語

1）多功能懸浮式生物膜反應(yīng)器是一種基于PVC母液深度處理研究的生化處理設(shè)備，該設(shè)備將傳統(tǒng)的生化池和沉淀池合二為一，兼具生物處理和粗過濾的功效，極大節(jié)省空間，提高了運(yùn)行效率。

2）與污泥法相比，生物膜法可以極大避免污泥膨脹，而且污泥沉降性好。特別是根據(jù)本反應(yīng)器設(shè)計(jì)，配備穿孔曝氣系統(tǒng)和均勻布水裝置，使氧、有機(jī)物和微生物充分接觸，更有利于離心機(jī)廢水和乳化粉廢水中微量PVA進(jìn)行初步生物分解和COD的去除。

3）本新型的懸浮式生物膜反應(yīng)器的突出特點(diǎn)是利用填料籠金屬籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)填料進(jìn)行分層填裝，一方面，分層填裝形成間隔的不連續(xù)填料狀態(tài)，使水、氣進(jìn)一步大范圍均勻，另一方面，填料籠的模塊化設(shè)計(jì)方便裝填、拆卸以及維修。

［1］李琦，周俊波，唐雪峰，等.超濾－反滲透處理循環(huán)冷卻水外排水試驗(yàn)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(10）:130 －132.

LIQi，ZHOU Jun-bo，TANG Xue-feng，et al.Experimental study on drainage of cooling circulating water by UF－RO［J］.Ship Science and Technology，2012，34(10）:130－132.

［2］王少波，杜桂敏，原培勝，等.膜生物反應(yīng)器工藝中現(xiàn)存的問題［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(5）:95 －98.

WANG Shao-bo，DU Gui-min，YUAN Pei-sheng，et al.Existing problems ofmembrane bioreactor［J］.Ship Science and Technology，2010，32(5）:95 －98.

［3］陳燕飛.污水處理中活性污泥法與生物膜法的比較分析［J］.山西水利，2011(4）:34 －35.

CHEN Yan-fei.Comparative analysis of biofilm and activated sludge in wastewater treatment［J］.ShanxiWater Resources，2011(4）:34 －35.

［4］張永健，邢旭.傳統(tǒng)活性污泥法與吸附—再生活性污泥法的比較［J］.環(huán)境保護(hù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2008(8）:22－24.

ZHANG Yong-jian，XING Xu.Comparision between conventional activated sludge and activated sludge of adsorption-reviving process［J］.Enviroment Protection and Circular Economy，2008(8）:22 －24.

［5］LIU Yu.Chemically reduced excess sludge production in the activated sludge process［J］.Chemosphere，2003，50:1－7.

［6］李濤，王敏.活性污泥法污泥膨脹現(xiàn)象分析［J］.廣州化學(xué)，2013，41(3）:106 －108.

［7］SCHORER M，EISELE M，et al.Accumulation of inorganic and organic pollutants by biofilms in the aquatic environment［J］.Water Air and Soil Pollution，1997，99:651－659.

［8］周長波，段寧，張振家.聚氯乙烯離心母液中化學(xué)成分的定性定量分析和清潔生產(chǎn)［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39(12）:1391－1394.

ZHOU Chang-bo， DUAN Ning， ZHANG Zhen-jia.Qualitative and quantitative analysis of chemical composition in mother liquid of polyvinyl chlorideand clean production［J］.Journal of Tianjin University，2006，39(12）:1391－1394.

［9］GB15581－95，燒堿、聚氯乙烯工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

GB15581－95，Discharge standard of water pollutants for caustic alkali and polyvinyl chloride industry［S］.

［10］韓小衛(wèi)，高強(qiáng)度好氧生物反應(yīng)器運(yùn)行特性及處理高濃度有機(jī)廢水的研究［D］.江蘇:江南大學(xué)，2006.

HAN Xiao-wei，Study of operational condition of jet-loop compact reactor and the treatment of high level organic wastewater［D］.Jiangsu:Jiangnan University，2006.

［11］黃本勝，賴冠文.生物接觸氧化源水預(yù)處理工程的水流阻力試驗(yàn)研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2002，17(3）:361－366.

HUANG Ben-sheng，LAIGuan-wen，Experimental research on flow drag in biological contact aeration process for water supply source pre-treatment［J］.Journal of Hydrodynamics，2002，17(3）:361 －366.

［12］STEPHENSON T，MAN A，et al.The small foot print waste water treatment process［J］.Chemistry ＆ Industry，1993，19:533.

［13］MANN A T，ESPINOSA L M，et al.Performance of floating and sunken media biological aerated filters under unsteady state conditions［J］.Water Research，1999，33(4）:1108－1113.

［14］黃鵬.好氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理PVC高溫母液廢水研究［D］.黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

HUANG Peng.Study on treatment of thermophilc pvc wastewater in aerobic moving bed biofilm reactor［D］.Heilongjiang:Harbin Institute of Technology，2007.

［15］黃德文.污水生化處理耗氧量計(jì)算與應(yīng)用［J］.環(huán)境工程，2012，30:52 －53.

HUANG De-wen.Calculation and application of oxygen demand in waste water biochemical treatment［J］.Environmental Engineering，2012，2012，30:52 －53.

［16］周棟，韓寶平.活性污泥法曝氣池水力停留時(shí)間的探討［J］.污染控制，2008，21(1）:6 －7.

ZHOU Dong，HAN Bao-ping.Study on HRT in actvited sludge system［J］.Pollution Control Technology，2008，21(1）:6－7.

Design and operating parameter determ ination ofmultifunctional biofilm reactor with suspended packing

ZHANG Zhao-jian1，ZHAO Yong-lu2，ZHOU Jun-bo1，ZHANG Yang2，LIUWei-hai2
(1.Engineering Research Center for Polymer Processing Equipment，Ministry of Education，BeijingUniversity of Chemical Technology，Beijing 100029，China;2.Xingjiang Zhongtai Chemical Co.，Ltd.，Wulumuqi830000，China）

This paper introduces an improved biofilm reactorwith suspended packing.Inheritedmany advantages of traditional biofilm reactors，the reactor combines biological treatment with pre-filtering function，targetting to the chlor-alkali industry wastewater treating process.Its innovativemodular structure is of convenience for both on-site filling and later adjusting.Meanwhile，this paper also discusses the design process and the determination ofmain operating parameters.

biofilm reactor;suspended packing;modular structure

TU991.25

A

1672－7649(2014）04－0139－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.030

2013－06－24;

2013－10－21

新疆科技廳支疆項(xiàng)目(2013911045）

張趙劍(1988－）男，碩士研究生，從事化工過程機(jī)械專業(yè)研究。