内循环生物流化床水力及生物硝化特性研究

彭党聪 袁林江 张文英 王志盈
(西安建筑科技大学环境工程系)

　　摘　要 采用一种新型轻质多孔性载体，研究了内循环生物流化床的水力特性。结果表明，在降流区接近于推流式，而升流区接近于完全混合式，整个反应器可以模拟为一个推流式和一个完全混合式的串联。随着下向流速增加，膨胀率和回流比呈正比增加。该系统对NH+₄-N去除率达90%以上，容积负荷最大为2kgN/(m³·d),出水稳定，抗冲击能力强。循环速度和通气量对处理效果有较大影响。
　　关键词 内循环生物流化床 水力特性 硝化

1 材料与方法

1.1 试验装置
　　生物流化床反应器由两根内径分别为60、29mm的有机玻璃管组成，内、外两区通水断面分别为6.6、18.6cm²，内、外筒的有效高度可通过空气量及与出水槽液面高差来调节，稳定运行时分别为0.95、0.9m，容积分别为0.63、1.68L，整个装置置于25℃恒温室内(见图1)。反应器内投置载体量为30g/L。

1.2 载体
　　载体 Perlite由法国国家应用科学研究院赠送，粒径0.986mm，γ_真＝213kg/m³，γ_表＝154kg/m³，比表面积6980m²/m³，内部小孔孔径为10～100μm。
1.3 废水成分
　　采用人工配水，主要成分为NH₄Cl和NaHCO₃，还含有少量NaH₂PO₄及微量元素。废水中N∶P＝10∶1，pH=7.5。
1.4 分析测试与试验方法
　　水力动力学试验采用去离子水(电导＜2μS)清水试验，以NaCl为示踪剂，脉冲输入，一次注入0.3g/100mL，以电导仪测定出水中的电导率来代表示踪剂浓度，以外加示踪颜色物移动速度测定反应器内流速，用气体流量计控制空气量。
　　硝化特性试验采用连续进出水。纳氏试剂比色法测定氨氮^［3］，重量法测VSS。

2 结果与讨论

2.1 水力特性试验
　　实际反应器水力特性介于推流式反应器(PFR)和完全混合式反应器(CSTR)这两种连续流反应器的理想模式之间。对水力特性的判定可采用离散模型和完全混合反应器串联模型^［4、5］。离散模型中：

　　
　　式中　D--扩散系数
　　　　　U--水流速度
　　　　　γ--反应速率

　　对于清水试验γ＝0。C*＝C/C₀、_φ＝t/θ＝V_t/φ、Z*＝Z/L分别表示无量纲浓度、时间和长度，代入式(1)后得到：

　　
　　式中D/UL——离散数，代表纵向混合的程度，当其→0时为完全PFR，当其→∞时为完全的CSTR。

　　对式（2）求解。当返混很小时，方程的解近似于正态分布，由正态分布规律推知：

　　D/UL=1/2δ_φ^{2 　　　　　　　(3)}

　　当返混较大时，随机变量_φ的方差δ_φ²

　　δ_φ²=2D/UL-2(D/UL)2[1-exp(-UL/D)]　　　　　(4)

　　试解后得到δ_φ²＝δ2/t2，再由式(4)求D/UL。
　　在完全混合串联模型中，第n个反应器出口物料浓度为：

　　C(t)=C_n=1/(n-1)!·[C₀/θ]·(t/θ)^n-1·exp(-t/θ)

　　式中　θ——每个反应器停留时间
　　　　　C0——初始浓度
　　该函数的随机方差为：

　　δ_φ²=1/n　　　　　　　(5)
　　n=1时为完全CSTR；n→∞时则为PFR；可根据C(t)曲线的δ_φ²值确定串联级数n。

　　为了排除干扰便于确定，通常采用上述清水试验模型来判断反应器水力特性，此特性不会随水质变化而变化。该反应器在处理废水时，载体上已挂上生物膜，载体颗粒性质与清洁载体相比略有不同，但不影响反应器水力特性，因此首先测定了清水条件下该反应器水力特性。按不同膨胀率下清水示踪剂试验结果分析：① C(t)曲线呈明显的周期变化，这一点与反应器的内循环流动特性相吻合；②曲线的Ⅰ周期明显与其他各个周期不同，其方差远小于其他各个周期。这是由于Ⅰ周期所显示的是示踪剂单纯经过降流区后的浓度变化情况，它代表了降流区内流体的流动特征；而其他各个周期代表了流体流经降流区后的综合结果。由此判断，升流区和降流区的水力特性存在差异。
2.1.1 降流区的水力特征
　　对Ⅰ周期的数据进行整理，根据式(3)～(5)，分别对各膨胀率下的C(t)曲线进行计算，结果见表1。

表1 不同膨胀率下降流区的离散数和串联级数

E（%）	20	32	40	50	70	80
	0.132	0.056	0.137	0.092	0.081	0.091
D/UL	0.070	0.028	0.074	0.046	0.041	0.046
n	7.6	17.9	7.3	10.9	12.3	11.0

　　从计算可以看出，降流区的离散数均<0.1，串联级数几乎都>10，据此可以判断降流区水力特性以推流式为主。
2.1.2 升流区的水力特征
　　从前面的分析可知，C(t)曲线从Ⅱ周期开始代表的是示踪剂流经升流区和降流区后的纵向离散，并且是以上一次降流区的流出信号作为输入信号，因此很难对其作理论上的精确计算，但各个周期示踪剂纵向扩散逐次叠加的程度可以由各周期随机变量方差的变化体现出来，由此可以作相对的比较。
　　仍采用前面的计算公式，以E＝80%为例，各周期随机变量φ的方差计算结果如表2。

　　由表2可见，Ⅱ～Ⅴ各周期t和δ_φ²变化不大，说明此区水力特性近乎于完全CSTR，其余各个不同膨胀率下计算结果与此相同。
　　因此，整个反应器可视为一个PFR与一个CSTR的串联，这与文献［2］推测的内循环为两个CSTR串联而成的报道不同，其原因可能是由于所用载体及反应器体积不同所致。在反应器中，生化反应在降流区中进行，此区的推流式水力特性与CSTR在相同容积和HRT时相比效率更高，而升流区的完全混合式水力特性也对此区进行的脱膜和充氧有利，因此该反应器较一般反应器更具优点。
　　图2、图3是膨胀率与下向流流速和回流比的关系，可见下向流速增加，膨胀率呈正比增加，相应回流比也同步增加。虽然下向流速过大或过小都使离散数增大(见表1)，但仍可通过膨胀率来调节流速和回流比。

2.2 反应器硝化特性
2.2.1 进出水氨氮历时变化
　　当系统挂膜成功后，阶梯式提高进水NH⁺4-N浓度，测定系统出水氨氮浓度。从结果来看，进水NH⁺4-N浓度在150mg/L以下，出水浓度为0～5mg/L；进水浓度达第一冲击平台220mg/L时，出水仍可维持在25mg/L以下；进一步增加进水浓度达到第二平台350～400mg/L时，出水NH⁺4-N为25～100mg/L，效果变差；进水超过系统的处理极限(400mg/L)后，生物膜被完全破坏，出水浓度急剧增加。可见该反应器对氨氮具有良好处理效果，具有较强的抗冲击能力，出水稳定。
2.2.2 投配负荷和进水浓度对去除负荷和去除率的影响
　　从图4、图5可见，随着投配负荷的增加，去除负荷呈直线增加，当达到2kgN/(m³·d)时，去除负荷也增加到最大值1.9kgN/(m³·d)；再增加投配负荷，去除负荷则急剧下降。从去除率看，当投配负荷增加到1.2kgN/(m³·d)时,去除率由90%增到约98%，达到最大，之后随投配负荷增加而下降，当达到2.5kgN/(m³·d)时，去除率仅为40%左右。投配负荷维持在2kgN/(m³·d)以下时，可保持N去除率在90%以上。
　　在内循环流化床中，循环流量远大于进水流量，废水进入反应器后立即得到良好稀释，因此，进水浓度和投配负荷对去除负荷和去除率的影响相同，进水浓度的提高归结于进水投配负荷的增加。本系统的适宜投配负荷为1～2kgN/(m³·d)，极限负荷为2.5 kgN/(m³·d)，相对于普通活性污泥法硝化段容积负荷0.1kgN/(m³·d)和普通流化床硝化段负荷0.3～0.4kgN/(m³·d)而言^［6］增加了数倍，具有较高的效率。

2.2.3 曝气量对去除率的影响
　　不同曝气量下投配负荷与去除率关系见图6。当曝气量由40L/h增至60 L/h时，相同投配负荷下去除率没有明显差异，但当曝气量增至80L/h时，去除率降低。硝化过程是绝对好氧过程，在本系统中，曝气一方面是为了向水中载体增氧，另一方面是为了使载体流化，产生内外循环和脱膜。经测定在反应器内DO分别为2.9、3.5、4.3mg/L时，均可满足好氧硝化需要。但供气量低于40 L/h时，载体不能完全流化，去除率低；达到80L/h时，水力剪切作用强，造成生物膜大量脱落和膜变薄，降低了反应器内微生物浓度，致使去除率下降；40～60L/h的曝气量均可满足反应器正常要求，最小维持在40L/h。
2.2.4生物膜厚度对反应器效率的影响
　　载体上生物膜厚度不但影响到反应器内生物量的多少，同时也影响到O₂的传递和污染物吸附与降解过程，生物膜过薄和过厚都会降低去除率。通过该系统中载体的电镜扫描照片可见，最佳负荷下载体的部分微孔内生长有生物膜，但仍有很多孔隙未长明显的膜；高负荷下［2kgN/(m³·d)］载体的生物量略多于前者。在载体Perlite上的生物膜是非连续的，且为很薄的微膜，这与一般载体上生物膜的厚度概念有一定差异^［7］。经110℃和650℃下烘干减重表明，载体生物量可达10～14g/L。

2.2.5 膨胀率和回流比对系统硝化的影响
　　从水力特性试验中可知，该反应器下向流速、回流比均与膨胀率呈正相关。而流速大小又会影响到膜的脱落与厚度，所以可通过控制膨胀率来调节系统的硝化能力，结果见图7。膨胀率增加，系统的投配负荷和去除率增加，但过大的膨胀率易使载体破碎，因此本系统可采用的最大膨胀率为100%。

3 结论

　　① 采用轻质载体的内循环流化床反应器，升流区水力特性接近于完全混合式，降流区水力特性接近于推流式，整个反应器可以模拟为一个CSTR与一个PFR的串联。生化反应区(外筒降流区)和充氧脱膜区(内筒升流区)水力特性的不同有利于提高反应器性能。
　　② 该反应器下向流速、回流比与膨胀率呈正相关，因此可以通过控制膨胀率简便地调节流速及回流比。
　　③ 该反应器对氨氮有较高的去除率，容积负荷高，抗冲击能力强、出水稳定，效率高。
　　④ 该反应器最大膨胀率为100%，通气量最小可取40L/h，投配负荷最大可达2kgN/(m³·d)。

参考文献

　　1 周平等.内循环三相生物流化床反应器的理论分析.环境科学，1995；16(2)：88～90
　　2 王世和等.三相生物流化床去除有机物的混合与传递过程分析.城市环境与城市生态，1991；4(4)：14～18
　　3 国家环保局.水和废水监测分析方法.北京：中国环境科学出版社，1988
　　4 许保玖.当代给水与废水处理原理.北京：高等教育出版社，1990
　　5 王乃忠等.水处理理论基础.成都：西南交通大学出版社，1988
　　6 章非娟.生物脱氮技术.北京：中国环境科学出版社，1992
　　7 王世和等. 生物流化床水处理基本特性研究.中国环境科学，1991；11(4)：290～295

　　作者简介：彭党聪 男 41岁 副教授 主要从事水污染控制工程教学与研究工作
　　通讯处：710055 西安市雁塔路13号 西安建筑科技大学环境工程系
　　电　话：(029)2202727
　　(收稿日期 1998-12-01)