基于多點(diǎn)布水的水解酸化工藝處理印染廢水中試研究*

張 宇 譚映宇 王曉敏 陳澤軍 馬 彬 王慧榮沈浙萍 徐 慧 包天欣 張 亮

(1.浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，浙江 杭州 311100；3.浙江《環(huán)境污染與防治》雜志社，浙江 杭州 310007；4.浙江省環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 311100；5.浙江省生態(tài)環(huán)境低碳發(fā)展中心，浙江 杭州 310012)

紡織染料種類繁多，加之一些新型助劑等難生物降解有機(jī)物大量使用，導(dǎo)致印染廢水色度重，有機(jī)物組成復(fù)雜，可生化性差，且具有毒性，對水環(huán)境和人類健康造成極大的威脅[1]。水解酸化工藝不僅能夠提高印染廢水可生化性，同時(shí)對色度具有一定去除能力，且運(yùn)行成本低廉，因此被廣泛應(yīng)用于印染廢水的預(yù)處理之中。然而，現(xiàn)有水解酸化工藝效率普遍較低，直接導(dǎo)致后續(xù)好氧生化段去除效果不佳，既影響企業(yè)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，又影響中水回用效果[2]。為確保出水水質(zhì)，企業(yè)往往增加后續(xù)處理藥劑投加量，從而導(dǎo)致污泥量增大，運(yùn)行成本增加。因此亟需提升水解酸化反應(yīng)效率，以確保印染廢水處理設(shè)施高效運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

水解酸化工藝良好運(yùn)行的重要條件之一是均勻布水，保障厭氧污泥與廢水之間的充分接觸[3]，因此改善布水均勻性是提升水解酸化效率的有效途徑，現(xiàn)有水解酸化工藝一般采用單點(diǎn)或者穿孔管布水，難以達(dá)到布水均勻的效果，加之水解酸化池內(nèi)流場復(fù)雜，可能會(huì)造成水力短流，形成水力死區(qū)。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)近年來被越來越多地應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域，用來指導(dǎo)污水處理構(gòu)筑物及相關(guān)設(shè)施改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行方式等[4]。LARSEN[5]首次利用混合長度理論來計(jì)算平流式沉淀池中水流的紊動(dòng)黏性系數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了沉淀池計(jì)算數(shù)學(xué)模型，對沉淀池運(yùn)行過程進(jìn)行分析。隨后一些學(xué)者利用CFD技術(shù)對沉淀池[6-7]、水解酸化池[8]403-407，[9]、氧化溝[10]、消毒池[11]等相關(guān)污水處理構(gòu)筑物進(jìn)行數(shù)值模擬，通過考察流場、污泥分布，或通過改變構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行的優(yōu)化方案。上述研究雖然對相關(guān)污水處理構(gòu)筑物的診斷評價(jià)、指導(dǎo)設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行、提高污水處理效果等環(huán)節(jié)具有較好的指導(dǎo)意義，但大多缺乏對模擬結(jié)果的實(shí)測驗(yàn)證。

本研究將CFD模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，首先通過CFD模擬對水解酸化工藝的布水方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對多種布水工況下水解酸化反應(yīng)器內(nèi)固液流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬和比較，確定了最佳布水點(diǎn)數(shù)；隨后，基于CFD模擬結(jié)果設(shè)計(jì)制作了多點(diǎn)布水水解酸化反應(yīng)裝置，以實(shí)際印染廢水為處理對象，進(jìn)行現(xiàn)場中試，以實(shí)測數(shù)據(jù)評估了水解酸化效率提高程度，對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。上述研究對目前水解酸化工藝的均勻布水工程改造具有參考意義，也為最大限度發(fā)揮水解酸化工藝對印染廢水處理效率提供了可能。

1 材料與方法

1.1 數(shù)值模擬模型

水解酸化反應(yīng)器內(nèi)固液兩相流動(dòng)采用Euler-Euler模型描述，湍流特性采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型來描述?？紤]固液兩相在組合填料間流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了黏性阻力和慣性阻力，本研究引入多孔介質(zhì)模型對彈性掛料區(qū)域進(jìn)行模擬，并把多孔材料看作連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行處理。多孔結(jié)構(gòu)對流體特性的影響處理為將阻力加入到動(dòng)量方程的源項(xiàng)中。對于各向同性材料，多孔介質(zhì)動(dòng)量控制方程附加源項(xiàng)的計(jì)算式為：

(1)

式中：Sporous為動(dòng)量源項(xiàng)，N/m3；μ為黏度，Pa·s；ui為i方向速度，m/s；ρ為密度，kg/m3；1/a為黏性阻力系數(shù)，m-2；C2為慣性阻力系數(shù)，m-1。

按水解酸化池實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸建立水解酸化反應(yīng)器的物理模型，水解酸化反應(yīng)器尺寸為1.20 m(長)×1.20 m(寬)×3.35 m(高)，底部設(shè)有布水點(diǎn)，共4組模型(見圖1)：其中模型a中由1個(gè)內(nèi)徑20 mm的布水軟管單點(diǎn)布水，而模型b、c、d分別由5、9、12個(gè)內(nèi)徑16 mm的布水軟管多點(diǎn)布水，即5點(diǎn)布水、9點(diǎn)布水和12點(diǎn)布水。分別以X、Y、Z代表水解酸化反應(yīng)器長、高、寬方向。

圖1 水解酸化反應(yīng)器的物理模型

初始階段，0～1.60 m高度范圍內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)分布均勻，取值為12%，即水解酸化池內(nèi)平均體積固含率約為0.058。污泥均勻分布，污泥粒徑設(shè)定為100 μm；污水入口采用速度入口邊界條件，且各個(gè)出水口速度相等，進(jìn)水流量為300 L/h。出口采用壓力出口邊界條件。在壁面處，液相采用無滑移邊界條件，固相顆粒采用部分滑移邊界條件。

連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍動(dòng)方程對流項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式，并采用Phase-coupled SIMPLE算法對壓力、速度進(jìn)行耦合。當(dāng)每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)所有控制方程的殘差小于10-4且入口壓力波動(dòng)小于1%時(shí)，即認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.2 中試地點(diǎn)及廢水水質(zhì)

中試地點(diǎn)位于嘉興市嘉善縣洪溪污水處理廠，廢水來源為某印染園區(qū)納管廢水，主體工藝為“調(diào)節(jié)+初沉+水解酸化+好氧生物+深度處理”，中試裝置進(jìn)水(原水，取自初沉池)主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 原水水質(zhì)

該廠水解酸化池尺寸為35.0 m(長)×30.0 m(寬)×5.5 m(高)，有效水深為5.0 m，有效池容為5 250 m3(組合填料體積約2 000 m3)，池中布置潛水?dāng)嚢杵鲀膳_(tái)，水力停留時(shí)間(HRT)為9 h，溶解氧(DO)為0.2～0.5 mg/L。布水方式為單點(diǎn)布水，即通過直徑700 mm布水管道由初沉池自流到水解酸化池。

1.3 水解酸化中試設(shè)備

水解酸化中試設(shè)備包含水解酸化池和斜管沉淀池，水解酸化池尺寸為1.20 m(長)×1.20 m(寬)×3.35m(高)。中試設(shè)備主要包括布水系統(tǒng)、組合填料、鋸齒堰板、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、回流泵等(見圖2)。進(jìn)水來源于現(xiàn)場初沉池，通過內(nèi)置布水系統(tǒng)，將總水量均勻地分配到9個(gè)布水軟管上，并通過布水軟管輸送至設(shè)備底部的布水點(diǎn)，廢水再緩慢上升，流經(jīng)中間填料層，最終從頂部鋸齒堰板溢流到斜管沉淀池。

圖2 水解酸化中試設(shè)備

1.4 中試設(shè)備啟動(dòng)

取污水處理廠水解酸化池污泥，污泥混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度約為8 000 mg/L，污泥接種量為中試設(shè)備有效容積的50%。最初每天進(jìn)水4 h，期間間歇曝氣(避免污泥沉積，使污泥與填料充分接觸)，DO控制在0.2～0.5 mg/L，觀察污泥生長變化及掛膜情況，定期投加葡萄糖；20 d后采用連續(xù)進(jìn)水，印染廢水進(jìn)水流量為300 L/h，HRT約為9 h。

中試設(shè)備運(yùn)行期間，考察COD、BOD5、脫色率、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)產(chǎn)量等指標(biāo)變化情況；在中試設(shè)備運(yùn)行的第20、40、60天，分別采集污泥，離心棄上清液后，-20 ℃保存?zhèn)溆茫M(jìn)行高通量測序，解析中試設(shè)備運(yùn)行過程中微生物群落結(jié)構(gòu)變化。

1.5 水質(zhì)分析方法

COD和BOD5測定參照文獻(xiàn)[12]。

VFA測定采用滴定法，取100 mL水樣于蒸餾瓶中，加入10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) NaOH調(diào)節(jié)至堿性，蒸餾至瓶中體積為50～60 mL時(shí)加蒸餾水至100 mL，冷卻后加入10 mL 10%(體積分?jǐn)?shù))磷酸酸化，在接收瓶中放入10～20 mL蒸餾水，并使接收瓶與蒸餾瓶的冷凝管連接，蒸餾至瓶中液體為15～20 mL時(shí)，再加入50 mL蒸餾水再次蒸餾至15～20 mL，最后用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定餾出液至淡粉色不消失為止。

脫色率采用水質(zhì)色度儀(SD9011)測定處理前后色度后計(jì)算得出。

1.6 污泥高通量測序

取中試設(shè)備運(yùn)行期間的污泥樣品，測序微生物主要為細(xì)菌，擴(kuò)增區(qū)域?yàn)?6S rDNA 的V3～V4可變區(qū)，測序平臺(tái)為Miseq 2×300 bp，將測序的條帶去除非特異性擴(kuò)增序列及嵌合體后，按照基因頻譜相似度97%進(jìn)行操作分類單元(OTU)聚類，在屬水平進(jìn)行活性污泥菌群豐度分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 布水均勻性的數(shù)值模擬分析

分別對單點(diǎn)、5點(diǎn)、9點(diǎn)及12點(diǎn)布水工況下水解酸化反應(yīng)器內(nèi)部的固液流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬和比較，固相速度和體積分?jǐn)?shù)分布分別見圖3和圖4。模擬結(jié)果顯示：在反應(yīng)器底部，固相速度較高，隨著高度增加，固相體積整體上逐漸減少。

圖3 水解酸化反應(yīng)器在不同布水工況下的固相速度分布

圖4 水解酸化反應(yīng)器在不同布水工況下的固相體積分?jǐn)?shù)分布

不同布水工況下的流場如圖5所示，廢水噴射到底部后被反射，從不同區(qū)域反射的污水相互作用，形成了低流速條帶和高流速條帶間隔存在的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著布水點(diǎn)數(shù)增多，設(shè)備底部的水湍動(dòng)作用更加強(qiáng)烈，底部的活性污泥就越容易充分?jǐn)嚢琛?/p>

圖5 水解酸化反應(yīng)器在不同布水工況下的流場模擬

沿著Y方向?qū)⒂?jì)算域分割為40個(gè)子域，子域的水深與反應(yīng)器內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系見圖6。單點(diǎn)布水時(shí)底部固相體積分?jǐn)?shù)最大，說明污泥越易淤積，隨著布水點(diǎn)數(shù)的增多，底部的固相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，污泥可流化高度逐漸增大；當(dāng)布水點(diǎn)數(shù)達(dá)到9點(diǎn)時(shí)，固相可流化高度變化趨于穩(wěn)定；當(dāng)布水點(diǎn)數(shù)達(dá)到12點(diǎn)時(shí)，可流化高度與9點(diǎn)布水接近。沈鵬飛等[8]407對某污水處理廠水解酸化池進(jìn)行數(shù)值模擬，針對池內(nèi)流速分布不均、存在大面積流速幾乎為零的區(qū)域提出改進(jìn)方案，但是模擬中只考慮到單相流，沒有考慮池中污泥的作用，而本研究同時(shí)引入流體-固體(污泥)兩相流及固液兩相通過組合填料的流動(dòng)模擬。

圖6 水解酸化反應(yīng)器在不同布水工況下固相體積分?jǐn)?shù)變化曲線

綜上，多孔布水方式相比單點(diǎn)布水方式的污泥更易懸浮，泥水混合更加均勻，多點(diǎn)布水有利于泥水混合均勻，提高傳質(zhì)效率。布水均勻性表現(xiàn)為9點(diǎn)布水≈12點(diǎn)布水>5點(diǎn)布水>單點(diǎn)布水。

2.2 中試設(shè)備運(yùn)行效果分析

基于CFD模擬結(jié)果，中試設(shè)備設(shè)計(jì)采用9點(diǎn)布水，分別考察了HRT、VFAs、可生化性(以BOD5、COD質(zhì)量比計(jì)，以下簡稱B/C)及脫色效果變化。

HRT是重要運(yùn)行參數(shù)之一，直接影響水解酸化效率，調(diào)整設(shè)備進(jìn)水流量，HRT分別設(shè)置為6、9、12、15 h，中試設(shè)備在不同HRT下運(yùn)行，COD去除率以及B/C的變化見圖7(a)。隨著HRT的增加，COD去除率和B/C有逐漸提高趨勢。HRT為6 h時(shí)，由于反應(yīng)時(shí)間較短，COD去除率較低，B/C較?。划?dāng)調(diào)整HRT為9 h，COD平均去除率約為27%，B/C基本維持在0.32左右；當(dāng)調(diào)整HRT為12 h時(shí)，COD去除率為25%～28%，B/C為0.30～0.34；繼續(xù)增大HRT至15 h，COD去除率及B/C與HRT為12 h時(shí)相差不大。綜上，HRT確定為9 h，這與該污水處理廠水解酸化池運(yùn)行的HRT一致。

VFAs是水解酸化過程的重要中間產(chǎn)物，可被用來衡量系統(tǒng)微生物的活性，在水解酸化過程中，進(jìn)出水的VFAs濃度差(即VFAs產(chǎn)量)越大，說明水解酸化效果越好[13]。中試設(shè)備進(jìn)出水以及污水處理廠水解酸化池出水VFAs變化見圖7(b)。原水的VFAs為5.7～13.8 mg/L，經(jīng)中試設(shè)備處理后出水的VFAs為11.1～18.7 mg/L，而污水處理廠水解酸化池出水的VFAs為8.8～15.6 mg/L。經(jīng)中試設(shè)備處理，VFAs產(chǎn)量約為4.3 mg/L，而經(jīng)污水處理廠水解酸化池處理，VFAs產(chǎn)量約為1.6 mg/L，中試設(shè)備將VFAs產(chǎn)量提高至原來的2.7倍。

B/C是衡量廢水可生化性的重要指標(biāo)，中試運(yùn)行期間B/C變化見圖7(c)。中試設(shè)備運(yùn)行期間廢水B/C平均值為0.31，污水處理廠水解酸化池出水B/C平均值為0.27，中試設(shè)備將B/C提高至原來的1.1倍。

印染廢水中含有大量剩余染料，而脫色主要發(fā)生在水解酸化段，因此脫色率可以作為反映水解酸化效果的一項(xiàng)指標(biāo)。中試設(shè)備進(jìn)出水及污水處理廠水解酸化池出水色度的變化見圖7(d)。中試設(shè)備運(yùn)行期間，脫色率在37%～67%波動(dòng)，平均值為47%，而污水處理廠水解酸化池脫色率在11%～43%波動(dòng)，平均值為21%，中試設(shè)備將脫色率提高至原來的2.2倍。

圖7 水解酸化過程對印染廢水的處理效果

綜上，相比污水處理廠水解酸化池，中試設(shè)備水解酸化效率顯著提高， CFD模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，也驗(yàn)證了CFD模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)變化分析

高通量測序結(jié)果表明(見表2)，隨著中試設(shè)備的運(yùn)行，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)出不同的多樣性及豐富度，在中試設(shè)備啟動(dòng)階段及正常運(yùn)行階段，生絲微菌屬、擬桿菌屬為優(yōu)勢菌屬，后者被證實(shí)廣泛存在于印染廢水生化處理系統(tǒng)中，對多種染料具有潛在的降解作用[14-15]；進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，紅假單胞菌屬成為的優(yōu)勢菌屬，推測它可能對印染廢水中某些難降解有機(jī)物具有降解潛力。

表2 中試設(shè)備運(yùn)行不同階段微生物群落結(jié)構(gòu)變化

3 結(jié) 論

(1) 利用CFD模擬技術(shù)，采用Euler-Euler模型、標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型及多孔介質(zhì)模型，對多種布水工況下水解酸化反應(yīng)器內(nèi)固液流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，對于1.20 m (長)×1.20 m (寬)×3.35m (高)的反應(yīng)器，采用9點(diǎn)布水可達(dá)到最佳效果，此時(shí)底部的水湍動(dòng)作用強(qiáng)烈，污泥可流化高度提升，有效遏制污泥淤積，有利于泥水充分混合，從而提高傳質(zhì)效率。

(2) 基于CFD模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)制作了9點(diǎn)布水的水解酸化中試設(shè)備，以印染廢水為處理對象，相比污水處理廠單點(diǎn)布水水解酸化池，中試設(shè)備的水解酸化效率顯著改善，VFAs產(chǎn)量、B/C及脫色率分別提高至原來的2.7、1.1、2.2倍，驗(yàn)證了CFD模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

(3) 隨著中試裝置運(yùn)行時(shí)間延長，系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，在中試設(shè)備啟動(dòng)及正常運(yùn)行階段，水解解酸化系統(tǒng)中優(yōu)勢菌屬為生絲微菌屬、擬桿菌屬；進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后紅假單胞菌成為的優(yōu)勢菌屬，推測它可能是水解酸化處理印染廢水過程中的功能菌群。