生物流化床反应器废水处理研究范文

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1实验与材料

1．1生物挂膜实验用微生物载体为人工合成的多孔高分子颗粒，其干粒径0．55～0．99mm，湿粒径1～2mm，骨架密度为1320kg/m3，湿堆积密度为1010kg/m3，孔径40～45nm，湿比表面积5357m2/m3。实验所用培养液为活性污泥，其取自成都市污水处理厂。经过5天的培养，污泥的悬浮浓度达到2．97g/L，其沉降比SV30=35%。接种时，取上述培养后的活性污泥8L和载体颗粒0．36L加入流化床进行启动挂膜。保持水力停留时间HRT=1．5h，让反应器开始连续处理配制废水，废水的COD浓度逐步从200mg/L提高至400mg/L。15天后，载体上即形成了稳定的生物膜。

1．2分析方法依据国标HJ/T399－200、GB7479－87，分别采用快速吸收分光光度法、纳氏试剂比色法测量COD和NH3－N的浓度。液相溶氧值DO和pH值分别由溶氧仪(JBP－607)和pH计(PHS－3C)监测。生物浓度测量:将过滤样本在温度105℃的烤箱中干燥至衡重称量计算。

2实验结果与讨论

2．1反应器的抗冲击负荷能力本文首先研究了逐次提高COD负荷率条件下COD的去除率及其变化。废水有机负荷率(OLR)定义为反应器每立方米容积每天(降解)处理的有机物量。据此定义，COD负荷率NV，COD(kgCOD/(m3•d))可由下式计算。式中，Si是进水COD浓度，mg/L;θ是反应器内处理液的平均水力停留时间，h。实验中，维持废水水力停留时间θ=1．5h，而废水COD浓度逐步从SA=200mg/L递增至700mg/L，即反应器的COD负荷相应从3．5逐次升高至11．2kgCOD/(m3•d)。每一次COD负荷率的升高可视为对反应器操作的一次负荷冲击，图2显示了COD去除率的变化规律。由图可以看出，每次COD负荷突然提高，COD的去除率出现迅速下降，表明反应器的废水处理效果受到了负荷冲击的影响。但在短时间内，COD去除率又能恢复到较高水平并保持相对稳定。该实验结果表明了反应器的稳定处理效果几乎不受干扰，具备良好的抗冲击负荷能力。这一方面是因为多孔载体为微生物提供了较好的固定化场所，固定化的微生物膜更有利于微生物适应水质环境的剧烈变化;另一方面源于反应器的内循环流动，内循环能显著增强流体混合，使废水中的污染物质迅速扩散并稀释，从而缓解COD负荷的冲击危害，同时内循环强化了生物膜表面的更新，有利于促进污染物质的降解。

2．2恒定负荷下出水的COD和NH3－N浓度图3和图4分别显示了进水浓度不同但有机负荷恒定条件下，COD和NH3－N的去除效果。其中，图3是废水COD浓度从500增至900mg/L、相应的水力停留时间从1．5提升至2．7h(以保持COD浓度负荷恒定为8kgCOD/(m3•d))条件下出水的COD浓度及去除率，图4是废水NH3－N浓度从25增至45mg/L(保持NH3－N负荷为0．4kgNH3－N/(m3•d))条件下，出水的NH3－N浓度及去除率。由图可见，恒定负荷条件下，随进水COD和NH3－N浓度的增加，COD和NH3－N去除率均随之增加，而出水COD和NH3－N浓度基本保持不变，COD浓度稳定在50～60mg/L范围内，NH3－N浓度稳定在3～4mg/L范围内。为理解这一实验结果，本文首先对实验过程中液相悬浮微生物量的测试数据进行了分析，结果表明实验中液相悬浮微生物量的浓度保持在2．98～3．20g/L范围内，仅有轻微波动，说明生物膜行为没有变化;其次再从反应器内循环流动的角度，阐明了实验结果。根据有机负荷率(OLR)定义可知，恒定负荷意味着高浓度的进水必然对应于低流量，以保持反应器中有机物的平均浓度恒定;对于理想混合反应器，恒定负荷进一步意味着反应器各点局部浓度等于平均浓度，因此对于理想混合反应器，只要有机恒定负荷，进水浓度改变并不改变反应器各点局部浓度，自然也不会改变传质反应速率及其由此导致的去除效果(出水浓度);对于非理想反应器，虽然恒定负荷下反应器平均浓度不变，但反应器内存在浓度分布，进水浓度变化必然导致浓度分布变化，进而影响反应器内的传质行为和出水浓度。上述实验结果及反应器混合行为分析表明，内循环三相生物流化床反应器内的混合行为更接近理想混合反应器，其原因在于反应器中的内循环促进了流体的混合，这一行为在本文研究组前期所作的反应器停留时间研究中也得到证实［8］。综上可知，对于内循环三相生物流化床反应器，由于其内循环产生的良好混合作用，在进水有机物浓度变化的条件下，只要通过调节流量控制水力停留时间使得反应器有机负荷恒定，即可获得相同的出水浓度，从而为按需调节反应器的操作条件提供了依据。

2．3进气量对处理效果的影响为研究进气量对废水处理效果的影响，采用了半间歇式的操作方式，即每组实验开始时，在反应器内加入确定浓度的废水，然后连续供气，同时测量废水中COD和NH3－N浓度随时间的变化，并计算去除率。图5和图6分别显示了实验条件下COD和NH3－N的去除效果，从图中可以看出，COD或NH3－N浓度的降低取决于供气时间和进气量。参见图5，在给定进气量条件下，废水COD浓度随时间的推移而降低，去除率相应增加，但浓度降低或去除率增加的趋势逐渐放缓，这是由于随着反应器内COD底物浓度的下降，传质推动力减小，同时微生物活性降低［9］，导致COD降解速率相应降低;图6中废水NH3－N浓度及去除率随时间变化也表现出与COD类似的规律。另一方面，对比不同进气量下COD浓度和NH3－N浓度的变化可见，进气量Qg在小于125L/h范围对COD浓度和NH3－N浓度变化有显著影响，此时增加进气量，废水中COD或NH3－N浓度显著降低(或去除率显著增加)，但当进气量Qg≥125L/h后，COD或NH3－N浓度不再有明显变化，甚至出现去除率降低的情况。究其原因可归结为:(1)当进气量较低时，反应器内的溶氧浓度亦较低，此时溶氧成为处理效果的控制因素，即低溶氧限制了微生物膜的氧源供应，从而使生物膜降解能力受限，此时提高进气量增加的溶氧能被生物膜有效吸收，故显著提高其降解能力，导致COD或NH3－N浓度随进气量增加而显著降低;(2)当进气量很高时，溶氧随之增加，但由于生物膜的需氧量已经饱和，此时提高进气量增加的溶氧对于生物膜已是多余，生物膜的降解能力不再增加;而过高的进气量反而会因为剪切应力增强导致生物膜的脱落，从而降低其降解能力。这就导致高进气量下COD或NH3－N浓度不再有明显变化，甚至出现去除率降低的情况。以上分析表明，进气量的影响是双重的，三相生物流化床反应器操作存在最优进气量。

3结论

本文实验研究了三相生物流化床反应器废水处理的抗负荷冲击能力、给定负荷率下的有机物去除率及进气量对去除率的影响，主要结论如下:(1)本实验中，随着COD负荷的逐次提高，COD的去除率都能在短暂下降后迅速恢复到较高水平并保持相对稳定，表明内循环三相生物流化床反应器具有良好的抗冲击负荷能力和操作弹性，其原因一方面在于固定化微生物膜对水质环境剧烈变化有良好的适应性，另一方面是反应器内的内循环流使废水中的有害组分迅速扩散并稀释。(2)实验发现，在进水COD或NH3－N浓度变化的条件下，只要控制进水的水力停留时间使得反应器有机负荷率恒定，即可获得稳定的出水浓度;这一结果表明内循环三相生物流化床反应器更接近于理想混合反应器，同时也为根据出水浓度要求确定反应器操作条件提供了依据。(3)进气量对生物流化床废水处理有双重影响，存在最优进气量。进气量较低时，反应器内的溶氧浓度亦较低，提高进气量增加的溶氧被生物膜有效吸收，增强其活性和降解能力(有机物去除率增加);进气量很高时，溶氧将超过生物膜饱和需氧量，不仅生物膜降解能力不增加，反而会因流体的冲击和剪切使生物膜从载体脱落，导致去除率降低。本实验中的最佳进气量为125L/h。

作者：沈琪 胡培根 胡堃 黄卫星 单位：四川大学 化学工程学院