褶皺型微生物載體在污水處理中的水動力特性及應用效果

王 銳,韋 兵,朱 健,趙旭東,喻國良,*

(1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240;2.廣西泰能工程咨詢有限公司,廣西南寧 530000)

隨著污水處理排放標準和節(jié)能減碳的日趨嚴格,新的處理工藝不斷涌現(xiàn)。生物膜法由于其運行管理簡單、占地面積小、出水水質好,在污水處理中得到越來越廣泛的應用[1-2]。作為生物膜法中核心部分的微生物載體,經過了近20年的研究和實踐,在材料[3]、空間結構[4-5]、表面性能[6-7]等方面取得了良好的進展。目前,填充在生物膜反應器內的微生物載體多為圓柱狀的19孔和36孔結構,其比表面積多為400～600 m2/m3[8],均相對較低,因而給予微生物附著生長的空間較少,污水處理效果有待提升。此外,傳統(tǒng)微生物載體常由單一材料[如高密度聚乙烯(HDPE)]構成,密度較低,多為0.95～0.96 g/cm3,且親水能力差,應用于好氧情況能夠滿足要求,但在一些非曝氣情況,則不能實現(xiàn)微生物載體的流化[9]。且材料密度偏低會導致部分微生物載體漂浮在水面,和水體接觸偏少,增大掛膜難度[10]。Zhong等[11]采用改性尼龍絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)膜曝氣生物反應器(MABR)中的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纖維膜,可降低成本,提高機械強度和親水性,不易堵塞。然而,對于這種新結構、新材料的微生物載體在反應器中的水動力特性尚不清楚,其應用效果也待深入研究。

本研究研制了一種褶皺型大比表面積的微生物親和性生物載體,并基于多相流耦合動態(tài)網格模型,采用Flow 3D軟件對其水動力特性進行了數(shù)值模擬,著重從速度、軌跡和氣含率等關鍵因素分析微生物載體結構對流場的影響,并對微生物載體的掛膜性能和污水處理效果進行了試驗研究,為微生物載體設計提供參考依據(jù)。

1 微生物載體的制備

從水動力分析可知,微生物載體的理想密度接近于水,且略大于水,須保證其能充分地浸入水中,又能在水流作用下能夠充分地流化。微生物載體的理想結構須具有最大比表面積,且親水性好,易于微生物掛膜。因此,本研究從材料、結構兩方面入手,研制新型微生物載體。

1.1 制備材料

選用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺樹脂(PA)、高密度聚乙烯(HDPE)等不同材料,利用3D打印技術制備了多種材質的傳統(tǒng)結構微生物載體,其密度和體積如表1所示。通過對比分析可知,PA材料的耐磨性、吸濕性及耐化學品性(耐酸堿腐蝕)相比于HDPE、ABS和PC材料較好,并且成型后的密度滿足制備要求,因此,設計過程中選用PA材料與HDPE材料混合,制備新型微生物載體。

表1 各材料微生物載體樣品的密度和體積

1.2 結構比選

對微生物載體結構的探索在于如何增大單個微生物載體的比表面積。傳統(tǒng)的微生物載體多為19孔和36孔,雖然64孔微生物載體具有更大的比表面積,但傳統(tǒng)工藝制作的64孔微生物載體其直徑與19孔/36孔微生物載體的直徑相近,而高度減小,并且孔數(shù)增加導致孔隙減小,微生物生存的空間仍然相對有限,故在高污染物濃度的污水處理過程中64孔微生物載體反而應用較少。因此,本研究主要對如何增大36孔微生物載體的比表面積進行探索,制作如圖1所示的褶皺型結構的微生物載體,相比于傳統(tǒng)微生物載體結構,其內部各個支撐邊框也做了褶皺處理。利用3D打印技術制作成型后,通過比表面積分析儀分析,褶皺型微生物載體的比表面積相對于傳統(tǒng)結構相同孔數(shù)和材質的微生物載體提升了約5.1%。

圖1 褶皺型微生物載體

1.3 制造方法

褶皺型微生物載體的大量制備仍采用注塑工藝,首先向某公司定制生產出用于制備褶皺型微生物載體的磨具,然后將PA和HDPE原材料在注塑機前部裝置中按比例投料溶解,之后將定制生產的磨具與注塑機器配合使用進行微生物載體的鑄型,鑄型完成后進行冷卻、牽引切割,形成一個個微生物載體。為使微生物載體的密度達到接近于水、略大于1 g/cm3的要求,經過反復試驗和計算,最終在前部投料溶解過程中將PA和HDPE材料按質量比為1∶3進行投料溶解,制備出PA和HDPE混合材質的微生物載體。

1.4 參數(shù)對比

分別對19、36孔不同結構的微生物載體的質量、堆積密度、填料密度及比表面積進行了測試,測試的結果如表2所示。PA-HDPE型褶皺結構微生物載體相比于傳統(tǒng)微生物載體在密度和比表面積方面均有了顯著提升。

表2 不同孔數(shù)和結構的微生物載體樣品的主要參數(shù)

2 水動力特性研究

2.1 物理試驗

為分析褶皺型微生物載體的水動力特性,在1 L/min曝氣流量下進行了單個微生物載體的曝氣試驗,分別觀測36孔的傳統(tǒng)微生物載體和褶皺型微生物載體的運動速度及運動軌跡,對比分析兩種微生物載體的運動情況,其中傳統(tǒng)微生物載體為HDPE材質,褶皺型微生物載體為PA-HDPE材質。試驗布置如圖2所示,曝氣試驗桶使用透明亞克力制作,高為160 mm,直徑為120 mm,底部安裝了直徑為68 mm的曝氣裝置。

圖2 水動力特性試驗布置

試驗開始時,微生物載體布置在曝氣盤的中央,通過逐步增加曝氣盤出氣速率,使微生物載體在氣流和水流的作用下產生運動。試驗過程中,曝氣盤的出氣速率使用氣流量計測量,曝氣筒的邊壁上附有刻度尺,便于觀測和計算微生物載體的運動速度、翻滾速度和運動軌跡。使用高幀率攝影機記錄曝氣筒內流場的變化和微生物載體的整個運動過程。截取微生物載體從剛開始運動起15 s內的觀測錄像,使用Free Video將記錄微生物載體運動過程的錄像轉換成一幀一幀的圖片(24幀/s),進而捕捉載體運動過程中每12幀(0.5 s)的運動距離,獲得載體的運動軌跡和運動周期,以此獲得載體運動速度。

36孔傳統(tǒng)微生物載體在1 L/min氣流作用下的運動如圖3所示。由圖3(a)可知,36孔傳統(tǒng)微生物載體在氣射流的作用下迅速升到水面,而后一直漂浮在水面附近運動。而36孔褶皺型微生物載體在到達水面后會沿邊壁向下繼續(xù)移動,隨后又在氣射流作用下向水面方向運動,如此形成了上下交替往復的循環(huán)運動,如圖3(b)所示。

圖3 試驗中微生物載體的運動軌跡

圖4和圖5分別展示了36孔傳統(tǒng)微生物載體和褶皺型載體在相同試驗條件下的運動速度和運動軌跡變化。由圖4可知,傳統(tǒng)微生物載體在上升到水面后,垂向速度幾乎趨近于0,水平向速度的變化亦較小,試驗表現(xiàn)為傳統(tǒng)微生物載體長時間處于邊壁周圍,橫向流化效果亦較差;而褶皺型微生物載體上升到水面后,一直處于較大幅度的循環(huán)運動狀態(tài),載體時而下沉,時而上浮,垂向和水平向流化效果較好,如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)微生物載體速度和位移隨時間的變化

圖5 褶皺型微生物載體速度和位移隨時間的變化

2.2 數(shù)值模擬

進一步地,基于Flow 3D軟件對微生物載體的水動力特性進行數(shù)值模擬研究。采用Flow 3D中的GMO(general moving objects)流固耦合模型模擬流體和固體的相互作用。在GMO模型中,微生物載體被設置為在流場作用下做動態(tài)耦合運動,這對微生物載體的水動力特性模擬更具有準確性。為精確模擬筒體內摻氣情況,采用漂移通量(Drift-Flux)模塊來模擬多相流運動,設置液體密度為1 000 kg/m3,氣體密度為1.225 kg/m3,設置阻力系數(shù)為0.5,平均液滴直徑設置為0.000 5 m。

根據(jù)物理試驗的水流、氣流條件設置邊界條件,如圖6所示,設置底面邊界為速度邊界,并設置氣流速度為0.212 m/s,所對應的氣流流量為1 L/min;設置左面邊界為速度邊界,以模擬左下通道的水流進口,流速為0.006 4 m/s,對應水力停留時間(HRT)為1 h;設置右面邊界為自由出流邊界;設置頂面為壓力邊界,壓強為1個大氣壓強,并設置流體分數(shù)為0;前后邊界設置為對稱邊界。

圖6 邊界條件設置

計算域全部采用結構化正交網格,由于載體相對于筒體很小,為反映每個載體小孔中的流體運動情況,單元網格尺寸設置為0.6 mm×0.6 mm×0.6 mm,計算域總網格數(shù)為1 300余萬。數(shù)值計算方法和過程相似,詳見文獻[12],在初始條件中,壓力條件設為靜水壓力,水位為0.12 m,模型的表面粗糙度設置為 0.000 3 m,起始時間步長定為0.01 s,為了保證計算的穩(wěn)定性,最小時間步長定為0.1 μs。對于筒體內流體的能量交換與耗散,選用 RNGk-ε模型來計算。載體選定為GMO碰撞模型,因載體為PA-HDPE材質且筒體由有機玻璃材料制成,設置碰撞恢復系數(shù)為 0.5,摩擦系數(shù)為0.3。計算得到的速度分布如圖7所示、壓力分布如圖8所示、含氣濃度分布如圖9所示。

圖8 壓力的分布

圖9 含氣濃度分布

由圖7可知,容器中水體在底部氣射流的作用下向上流動,并推動微生物載體向上運動,同時水流碰到微生物載體后沿中線向四周運動形成三維環(huán)形流。由于本階段模擬的網格數(shù)量巨大,耗時長,此處僅展示了0～0.6 s的數(shù)據(jù)。同樣地,由圖8可知,氣射流的存在改變了容器內水流的初始壓強,使底部壓強變大,與頂部形成壓強差,推動微生物載體向上運動。在Y軸方向沿模型中點做橫切面,得到含氣濃度二維分布(圖9),氣射流的存在顯著增大了容器內水體的氣含率,并呈向四周擴散的趨勢,有利于微生物載體上的微生物與氣體交換。

3 污水處理效果對比

3.1 試驗裝置

在對褶皺型微生物載體水動力特性研究的基礎上,設計了一個模擬試驗裝置(圖10),以開展褶皺型微生物載體的污水處理效果研究。該裝置主要由曝氣實驗桶、氣泵、水泵、循環(huán)水箱、氣流量計、水流量計及高清攝像機構成。其中,曝氣桶的高度為60 cm,直徑為60 cm;曝氣桶的底部布置一個圓形的曝氣盤,其直徑為18 cm;氣泵與曝氣盤通過軟管連接,用以模擬實際曝氣條件,曝氣速率可以通過閥門控制在0～30 L/min;水泵用以輸送污水和控制水流速度,使待處理的污水在曝氣桶和循環(huán)水槽之間形成循環(huán)回路;同時利用水流量計實時監(jiān)測試驗裝置的入流速度,利用氣流量計實時監(jiān)測氣泵的曝氣流量,利用高幀率攝像機實時記錄試驗裝置內生物載體的運動情況。

圖10 處理效果試驗裝置布置

3.2 運動情況

為方便觀測大量微生物載體在試驗裝置中的運動情況,在曝氣桶內裝有清水,水深為40 cm,并投入體積分數(shù)為40%的微生物載體,曝氣速率控制在10 L/min。俯視視角觀測微生物載體的運動情況如圖11所示。曝氣盤產生的氣泡上升到水面后,由中心位置向四周擴散,曝氣氣流帶動水流向邊壁運動,水流帶動生物載體從桶體上升到水面以后繼續(xù)向四周擴散,而又在水流的帶動下向桶底運動,形成循環(huán)運動,并且微生物載體碰壁次數(shù)較少,流化效果較好。

圖11 新型微生物載體的運動情況(試驗)

利用Flow 3D軟件對試驗裝置中微生物載體的運動情況進行模擬。模擬中桶體尺寸與試驗裝置尺寸相同;微生物載體和清水的相互作用采用Flow 3D中的粒子(particles)模塊和質量(mass)粒子模型模擬,設置粒子密度和半徑為微生物載體的密度和半徑,粒子數(shù)為10 000;設置擴散系數(shù)(diffusion coefficient)為0,碰撞恢復系數(shù)為 0.5,并設定微生物載體在流場作用下做動態(tài)耦合運動;采用漂移通量模型(drift flux)模塊模擬桶體內摻氣情況,具體參數(shù)設置與2.2小節(jié)相同;利用表面張力(surface tension)模塊,模擬水面處載體的水動力特性,設置表面張力系數(shù)為0.073 kg/s2,接觸角為90°,并選擇基于壓力的顯式求解模式對桶體內流體的能量交換與耗散,選用 RNGk-ε模型來計算。根據(jù)物理試驗的水流、氣流條件設置邊界條件,設置底面邊界為流量邊界,氣流流量為0.000 166 7 m3/s;設置左面邊界為流量邊界,以模擬左下通道的水流進口,水流流量為0.000 046 8 m3/s,對應HRT為10 h;設置右面及頂面邊界為壓力邊界,壓強為1個大氣壓強,并設置流體分數(shù)為0;前后邊界設置為對稱邊界。計算域全部采用結構化正交網格,單元網格尺寸設置為12 mm×12 mm×12 mm,計算域總網格數(shù)為35萬。試驗裝置中微生物載體運動情況的模擬結果如圖12所示。試驗裝置穩(wěn)定運行27 s后,曝氣桶的流線和微生物載體的分布均勻,微生物載體在摻氣水流作用下從底部快速到達水面,隨后向四周擴散,并沿桶壁向下運動,形成循環(huán)運動,數(shù)值模擬的結果與物理試驗的觀測結果一致。

圖12 褶皺型微生物載體的運動情況(數(shù)值模擬)(27.001 s)

3.3 掛膜性能

采用人工接種的方法進行生物膜培養(yǎng),將預培養(yǎng)的活性污泥加入試驗反應器中。首先,培養(yǎng)液中CODCr控制在300 mg/L左右,按CODCr∶N∶P=100∶5∶1添加15 mg/L氮鹽(NH4NO3)和3 mg/L磷鹽(KH2PO4),持續(xù)曝氣24 h后,移除上層清液,加入等量的新鮮培養(yǎng)液后再繼續(xù)曝氣24 h;然后,使用試驗裝置開始連續(xù)試驗,起初進水速率設置為6 L/min,每3 d增加2 L/min,到第6 d后進水速率達到10 L/min,之后并保持進水速率不變。在此期間,連續(xù)測定進水和出水的CODCr和氨氮,生物膜培養(yǎng)過程中CODCr和氨氮的去除率如圖13所示。褶皺型微生物載體的成膜速度較快,反應器運行14 d后,CODCr和氨氮的去除率穩(wěn)定在80%～90%?？箾_擊性能良好,每次提高進水率后,反應器受到的沖擊較小,可在短時間內恢復。

圖13 生物膜培養(yǎng)過程中CODCr和氨氮的去除率

以氨氮的填料負荷為重要指標評價微生物載體的掛膜性能。氨氮的填料負荷是指單位體積的微生物載體在單位時間內接納的氨氮污染物含量,其計算方法如式(1)。

(1)

其中:Ns——氨氮填料負荷,g/(m2·d);

Q——出水量,m3/d;

S1——進水中氨氮質量濃度,mg/L;

S2——出水中氨氮質量濃度,mg/L;

n——微生物載體的體積,m3;

s——微生物載體的比表面積,m2/m3。

褶皺型微生物載體與傳統(tǒng)微生物載體生物膜培養(yǎng)過程中氨氮的填料負荷如圖14所示。褶皺型微生物載體的氨氮填料負荷從生物膜培養(yǎng)第1 d起逐步增大,第8 d后氨氮填料負荷逐漸趨于穩(wěn)定,并在隨后幾天保持在0.4～0.5 g 氨氮/(m2·d)。傳統(tǒng)微生物載體的氨氮填料負荷從生物膜培養(yǎng)第1 d起也在逐步增大,在第5 d出現(xiàn)較大波動,直到第11 d才趨于穩(wěn)定,保持在0.41～0.46 g/(m2·d)。試驗結果表明,PA-HDPE材料制備成的褶皺型微生物載體的掛膜速度優(yōu)于HDPE材料的傳統(tǒng)微生物載體,并且穩(wěn)定后褶皺型微生物載體的氨氮填料負荷略高。

圖14 生物膜培養(yǎng)過程中氨氮填料負荷的變化

3.4 去除效果

待試驗設備運行穩(wěn)定后,曝氣速率為10 L/min情況下,HRT分別控制在2～6 h連續(xù)運行 25 d后測得的CODCr和氨氮去除效果如圖15所示。在相同的工作條件下,將褶皺型微生物載體與傳統(tǒng)微生物載體的處理效果進行比較發(fā)現(xiàn),HRT為4 h時,褶皺型微生物載體的平均CODCr去除率達到87.75%,對氨氮平均去除率達到95.00%;HRT為5 h時,傳統(tǒng)微生物載體對CODCr和氨氮的平均去除率最高達到86.00%和85.62%。顯然,褶皺型微生物載體對CODCr和氨氮的處理能力比傳統(tǒng)微生物載體強。

圖15 褶皺型微生物載體和傳統(tǒng)微生物載體對CODCr和氨氮去除效率對比

4 結論

本文研制了一種可用于移動床生物膜處理方法的褶皺型微生物親和性生物載體,并對其水動力特性及在污水處理中的應用效果進行了對比研究。主要研究結論如下。

(1)采用褶皺型圓柱體結構、PA-HDPE混合材質的褶皺型微生物載體相較于常規(guī)的HDPE材料生物載體具有更大的比表面積和更大的密度。

(2)在相同曝氣條件(10 L/min)下,添加褶皺型微生物載體的反應器具有更好的充氧能力。

(3)新型微生物載體對CODCr的平均去除率達87.75%,對氨氮的平均去除率達95.00%,褶皺型微生物載體對CODCr和氨氮的處理能力比傳統(tǒng)微生物載體強。