回转升降生物接触工艺

天津市自然科学基金资助项目
朱文亭 刘云奎 阎海英 (天津大学环境工程系)
丛广志 (大连大窑湾水质净化厂)

　　该工艺的典型代表是生物转盘，其生物载体由一片片圆盘状平板组成。近年来，它的形状由平板发展到波纹板、网板、蜂窝管、转笼式、转鼓式等多种形式。
　　该系统的基本原理是：微生物附着生长在载体表面上，载体在外力驱动下在氧化槽内不断转动，从而使载体上的微生物与污水和空气不断接触，达到净化污水的目的。
　　近年来国内外科技工作者围绕进一步降低能耗、提高效率这一中心，针对RBC系统存在的问题，对它进行完善改进，取得了很大进展。但是，这些改进都是在动力供给、与其它设施相组合、载体材料及形状几个方面上作文章。笔者认为有必要从转盘体本身的运转方式上着眼，提出一种新的生物转盘运行方式--回转升降生物接触工艺。工艺实验装置如图1。

　　本装置改变了传统转盘绕轴作圆周运动的运转方式，在氧化槽顶部设置一套驱动系统，由电动机带动驱动轮转动。驱动轮上挂有链条，在链条之间、垂直方向上按等距离放置串有转盘体的横轴。上部驱动轮转动时，在链条的带动下，一串串转盘作上下等速回转运动。

1 工艺和特点

　　① 每个转盘及转盘上各部分的线速度均一，盘面上各点的传质效率、氧传递效果及生物膜更新速度均衡。?
　　② 由于运转方式的改变，氧化槽水深不再受转盘直径制约。?
　　③ 转盘面积不变的情况下，由于转体由数组小盘组合而成，单个转盘尺寸可以减小。

2 主要工艺参数分析

2.1 转速和线速度
　　生物转盘需要有一定的转速。Hartman的报告指出，基质去除率随转速的0.1次方增大而增大^［1］。转速高可以加剧液体的搅动，充氧条件好，由于转盘的转动，在生物膜与污水间形成紊流。因此，生物膜与污水接触较为充分，有机物分解效率高。同时可防止进水短路和生物膜碎片下沉。通常在半径一定的情况下，线速度与转速成正比，由于转速提高而外缘线速度过高(通常最大线速为20 m/min)，致使转盘外围生物膜由于受到过大的水力剪切而脱落严重，但是盘中心处的生物膜受剪切力很小而厚度过大，膜内层往往呈厌氧状态。这样整个转盘生物膜生长严重不均匀，内外缘生物膜质量差，起作用不太大，浪费了转盘面积。改进后的生物转盘(如图1)转动时，盘片上各点线速度均一(因为大部分时间整个盘体作上下直线运动)，生物膜生长状况处于一个工况点，可大大改善生物膜质量和质量传递效应。
　　新的运行方式使得转盘线速度均一，并可按实际需要调节到一定的数值，盘上各点可达到同样高的线速度，此时，曝气区携带的液体在生物膜上所形成的滞液层厚度加大，因为液膜传质系数K_m=D_sδ₁/2，所以液膜和主体液一样，传质速率增大^［2］。尽管线速度增大时，会减少通过曝气区的基质降解，但是曝气区每单位时间去除的基质质量仍稍有增加，因此，线速度的增大有利于浸水区和曝气区总的基质去除^［1］。
　　因为整个转盘的线速度达到同样高的数值，所以可近似认为生物膜表面的溶解性有机物浓度与液体主体相等，使得膜表面始终处于F/M值较高的状态，微生物处于快速生长期，甚至对数生长期，所以表层微生物活性相当高，此时的生物膜不会过厚呈厌氧状态^［3］。Douglas B.Spengel综合考虑到有机物和氧浓度对基质去除率的影响，推出如下公式：

　　Rs=ds/dt=(μ_maxX_sA/Yδ_B)·(S/(K_s+S))·(S_o/K_so+S_o)
　　式中　A --- 表面积，m²?
　　　　　S --- 基质浓度，mg/L
　　　　　t --- 时间，d
　　　　　Y --- 产率系数，g生物/g基质
　　　　　R_s --- 基质去除率，mg/(L·d)
　　　　　X_a --- 微生物浓度，g/m²
　　　　　S_o --- 氧浓度，mg/L
　　　　　δ_B --- 附着生物膜厚度，m
　　　　　μ_max --- 生物最大比增长速率，d^-1?
　　　　　K_s、K_so --- 基质和氧半饱和常数，mg/L
　　上式中，X_a应当是异养菌或自养菌浓度，实际中很难测定，所以该式准确性也只能取决于二者的比例在盘上各点的一致性^[2]。本装置好氧、活性高的生物膜的X_a值大，生物膜在较高的线速度下δ_B较小，所以有利于R_s的提高。
2.2 生物膜
　　通常RBC系统水力停留时间短，氧化槽内悬浮生物量对基质的去除可忽略，对大多数BOD的去除作用应归功于附着生物膜^［4］?。对于本装置以各个盘体为对象，通过以上分析可知，生物膜的厚度、密度及生物相在各点可达到比较一致，这样，建模时所受的限制条件大大减少，所建立的机理模式更能符合实际。多种微生物对基质的竞争导致了微生物的密度分布、空隙结构和扩散能力在空间上的不连续性和分层布局^［6］，而生物膜的结构也会大大影响基质的去除率^［5］。对于本装置，均一的线速度和均一的水质可使生物膜处于同一外界条件，这种情况对于研究生物膜结构对去除率的影响会是一个有益的启示。
2.3 溶解氧
　　好氧生物转盘的溶解氧供给能力是评价转盘设计及运转性能的主要标志。溶解氧含量随转速的增大而提高，在一定范围内，提高溶解氧对处理效果有明显影响；但达到一定浓度以后，对去除率的提高所起的作用就不大了。溶解氧达到2 mg/L，去除有机物可达到最好效果^［2］。本装置由于各转盘的线速度相同，通过调节可望达到统一的最佳充氧效果。由于氧化槽深度加大，充氧性能必须着重考虑，如果单从这一方面着手，可以提高驱动轮的高度，增大圆盘数，在不改变浸湿面积的条件下，转盘暴露于空气中的时间增加，即吸氧时间增加。因此，通过以上或其它的调节方法，会改善氧化槽深度加大以后的充氧条件。?

参考文献

　　1 ［美］小莱斯利·格雷迪 C P，亨利，利姆 C. 废水生物处理理论及应用
　　2 Biokinetic modeling and scale up considerations for rotating biological contactors.Water Environment Research,1992；164(3),223～235?
　　3 Liquid film diffusion reaction rate in submerged biofilters.Water Research,1995;129(3)
　　4 Ramalh R S. Introduction to Wastewater Treatment Processes.2nd ed ?
　　5 Brower Jennifer B,Barford Carol C，Hao Oliver J.Biological fixed－film systems.Water Environment Research,1996;168(4)?
　　6 增田纯雄等. 关于生物转盘附着生物膜内细菌分布及作用的研究

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作者通讯处：300072 天津大学建工学院环境工程系96研 刘云奎
(收稿日期 1998-08-10)