回流对上流式厌氧滤器有机物去除率的影响的预测

俞汉青 郑先君 宋国平
中国科学技术大学化学学院环境工程实验室

前　言

　　出水回流是有机废水厌氧生物处理中经常采用的一种运行方式。已有较多有关出水回流对上流式厌氧滤器影响的试验研究，一些试验证明回流能够提高有机物去除率，而另一些试验则得出了相反的结论。事实上，回流对厌氧滤器的影响相当复杂：（1）减少了废水在反应器中的实际停留时间；（2）稀释了废水浓度；（3）改善了有机物在反应器分布的均匀性；（4）增强了有机物与生物膜之间的传质。显然，前两个因素对出水水质的影响是负面的，而后两个因素则有利于改善出水质。本文报道一种通过数学模型预测出水回流对上流式厌氧滤器有机物去除效率的影响的方法。

研究方法

　　一个有效容积为11.3升、填充软性纤维填料的上流式厌氧滤器被用于处理豆制品废水。该废水的COD平均浓度为9.8克/升，总氮为0.4克/升，pH介于5.4和6.6之间。厌氧滤器在35℃条件下运行。启动时的水力停留时间（HRT）为35小时，废水COD浓度约为3克/升，有机负荷率（OLR）为2.06克COD/升.天。在此之后开始了一系列改变进水COD浓度或HRT的连续稳态试验。至于回流试验，则是分别选择了两个OLR：11.3和13.5克COD/升.天，分别从最小的回流比1.0开始进行回流试验，每当达到稳态之后再提高回流比，直到完成最后一个回流比6.0的试验为止。回流比r定义为回流量Q_r与原废水流量Q_o之比。试验中的有关分析均按水和废水标准检验方法进行。

结果与讨论

　　对无回流状态下的稳态试验结果进行回归分析，得到如下的关系式：
　　S_e = 0.042×S_o^1.40×HLR_o^0.98 (1)
　　式中S_e和S_o分别为滤器出水和进水的COD浓度（单位：克/升），而HLR_o则为滤器的水力负荷率（单位：天-1）,它等于原废水流量Q_o除以反应器V。
　　为了预测回流对出水水质的影响，我们通过流量和物料平衡可以得到如下在回流条件下的出水水质关系式：
　　S_e = 0.042× [(Q_o*S_o+Q_r*S_e)/(Q_o+Q_r)]^1.40*[(Q_o+Q_r)/V]^0.98 (2)
　　由于r = Q_r/Q_o,（2）式可写为：
　　S_e = 0.042×(S_o+ r* S_e)^1.40×(1+ r)-0.42*(HLR_o)^0.98 (3)　
　　由于（3）式中（1＋r）的指数为负，且关系式两边均有S_e，我们需编写程序进行迭代计算，得到回流条件下的出水COD浓度S_e。
　　设E为滤器COD去除率，那么（3）式可改写为：
　　E = [1-0.042(S_o+ r*S_e)1.4×(1+r)-0.42×(HLR_o)^0.98/S_o]×100% (4)
　　根据计算结果，图2表示了当固定HLR_o为1.0天-1时，滤器COD去除率在不同进水浓度条件下与回流比之间的关系。
　　图2表明，对于给定的S_o和HLR_o存在一个最佳回流比rmax,它对应于回流条件下的最大COD去除率；当回流比大于rmax,而小于rt(阈值回流比)时，COD去除率随着r的增加而减小，但仍大于无回流时的COD去除率Eo；当回流比等于rt时，此时的COD去除率等于Eo；而当rt进一步增大时，回流将导致COD去除率下降至Eo之下。图2还表明，最佳回流比rmax和阈值rt都随着原废水COD浓度的增加而减小，且在高浓度条件下一旦回流比超过rt后，滤器COD去除率急剧下降。
　　图3则表明了当固定原废水COD浓度为6.0克/升时，滤器COD去除率在不同水力负荷条件下与回流比之间的关系。图2清楚表明对于给定的S_o和HLR_o，也存在一个最佳回流比rmax和一个阈值回流比rt，且它们的数值随着HLR_o的增加而减小。
　　图4显示了当OLR为11.3克-COD/升.天时，实际COD去除率与回流比r变化的情况，为了对比，也将根据关系式（4）计算得到的结果一并画于图中。无回流时的实验COD去除率为86.7%，有回流时的实验COD去除率介于87.8%和91.3%之间，而模型预测的无回流时COD去除率为86.9%，有回流时的COD去除率介于87.2%和89.2%之间；实验rmax值为2.0，而预测rmax则为2.5。上述试验和预测结果很接近。

　　当OLR为13.5克-COD/升.天时，实验和预测的COD去除率与回流比r之间的关系均显示在图5中。试验表明，当r小于4 .2时，回流能增加COD 去除率；而当r大于4.2时，COD去除率均低于无回流时的值（85.0%）；试验的最大COD去除率和与之相对应的rmax分别为88.1%和2.0；当滤器以回流比为6运行时，COD去除率下降为80.1%，低于无回流时的COD 去除率。如图5所示，模型预测的最大COD去除率和rmax分别为87.0%和2.0。这些试验和预测结果非常接近。两组试验得到的rmax变化情况也与模型预测的一样，即rmax随HLR_o和S_o的增加而减小。

结　论

　　依据无回流条件下出水水质与进水水质和水力负荷率之间的关系式，通过物料衡算，可以推导出回流对厌氧滤器出水水质的影响的模型，这一模型的预测值与试验结果一致。