生物流化床反應(yīng)器廢水處理研究范文

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1實(shí)驗(yàn)與材料

1．1生物掛膜實(shí)驗(yàn)用微生物載體為人工合成的多孔高分子顆粒，其干粒徑0．55～0．99mm，濕粒徑1～2mm，骨架密度為1320kg/m3，濕堆積密度為1010kg/m3，孔徑40～45nm，濕比表面積5357m2/m3。實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)液為活性污泥，其取自成都市污水處理廠。經(jīng)過(guò)5天的培養(yǎng)，污泥的懸浮濃度達(dá)到2．97g/L，其沉降比SV30=35%。接種時(shí)，取上述培養(yǎng)后的活性污泥8L和載體顆粒0．36L加入流化床進(jìn)行啟動(dòng)掛膜。保持水力停留時(shí)間HRT=1．5h，讓反應(yīng)器開始連續(xù)處理配制廢水，廢水的COD濃度逐步從200mg/L提高至400mg/L。15天后，載體上即形成了穩(wěn)定的生物膜。

1．2分析方法依據(jù)國(guó)標(biāo)HJ/T399－200、GB7479－87，分別采用快速吸收分光光度法、納氏試劑比色法測(cè)量COD和NH3－N的濃度。液相溶氧值DO和pH值分別由溶氧儀(JBP－607)和pH計(jì)(PHS－3C)監(jiān)測(cè)。生物濃度測(cè)量:將過(guò)濾樣本在溫度105℃的烤箱中干燥至衡重稱量計(jì)算。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力本文首先研究了逐次提高COD負(fù)荷率條件下COD的去除率及其變化。廢水有機(jī)負(fù)荷率(OLR)定義為反應(yīng)器每立方米容積每天(降解)處理的有機(jī)物量。據(jù)此定義，COD負(fù)荷率NV，COD(kgCOD/(m3•d))可由下式計(jì)算。式中，Si是進(jìn)水COD濃度，mg/L;θ是反應(yīng)器內(nèi)處理液的平均水力停留時(shí)間，h。實(shí)驗(yàn)中，維持廢水水力停留時(shí)間θ=1．5h，而廢水COD濃度逐步從SA=200mg/L遞增至700mg/L，即反應(yīng)器的COD負(fù)荷相應(yīng)從3．5逐次升高至11．2kgCOD/(m3•d)。每一次COD負(fù)荷率的升高可視為對(duì)反應(yīng)器操作的一次負(fù)荷沖擊，圖2顯示了COD去除率的變化規(guī)律。由圖可以看出，每次COD負(fù)荷突然提高，COD的去除率出現(xiàn)迅速下降，表明反應(yīng)器的廢水處理效果受到了負(fù)荷沖擊的影響。但在短時(shí)間內(nèi)，COD去除率又能恢復(fù)到較高水平并保持相對(duì)穩(wěn)定。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了反應(yīng)器的穩(wěn)定處理效果幾乎不受干擾，具備良好的抗沖擊負(fù)荷能力。這一方面是因?yàn)槎嗫纵d體為微生物提供了較好的固定化場(chǎng)所，固定化的微生物膜更有利于微生物適應(yīng)水質(zhì)環(huán)境的劇烈變化;另一方面源于反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，內(nèi)循環(huán)能顯著增強(qiáng)流體混合，使廢水中的污染物質(zhì)迅速擴(kuò)散并稀釋，從而緩解COD負(fù)荷的沖擊危害，同時(shí)內(nèi)循環(huán)強(qiáng)化了生物膜表面的更新，有利于促進(jìn)污染物質(zhì)的降解。

2．2恒定負(fù)荷下出水的COD和NH3－N濃度圖3和圖4分別顯示了進(jìn)水濃度不同但有機(jī)負(fù)荷恒定條件下，COD和NH3－N的去除效果。其中，圖3是廢水COD濃度從500增至900mg/L、相應(yīng)的水力停留時(shí)間從1．5提升至2．7h(以保持COD濃度負(fù)荷恒定為8kgCOD/(m3•d))條件下出水的COD濃度及去除率，圖4是廢水NH3－N濃度從25增至45mg/L(保持NH3－N負(fù)荷為0．4kgNH3－N/(m3•d))條件下，出水的NH3－N濃度及去除率。由圖可見(jiàn)，恒定負(fù)荷條件下，隨進(jìn)水COD和NH3－N濃度的增加，COD和NH3－N去除率均隨之增加，而出水COD和NH3－N濃度基本保持不變，COD濃度穩(wěn)定在50～60mg/L范圍內(nèi)，NH3－N濃度穩(wěn)定在3～4mg/L范圍內(nèi)。為理解這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文首先對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液相懸浮微生物量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)中液相懸浮微生物量的濃度保持在2．98～3．20g/L范圍內(nèi)，僅有輕微波動(dòng)，說(shuō)明生物膜行為沒(méi)有變化;其次再?gòu)姆磻?yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的角度，闡明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)有機(jī)負(fù)荷率(OLR)定義可知，恒定負(fù)荷意味著高濃度的進(jìn)水必然對(duì)應(yīng)于低流量，以保持反應(yīng)器中有機(jī)物的平均濃度恒定;對(duì)于理想混合反應(yīng)器，恒定負(fù)荷進(jìn)一步意味著反應(yīng)器各點(diǎn)局部濃度等于平均濃度，因此對(duì)于理想混合反應(yīng)器，只要有機(jī)恒定負(fù)荷，進(jìn)水濃度改變并不改變反應(yīng)器各點(diǎn)局部濃度，自然也不會(huì)改變傳質(zhì)反應(yīng)速率及其由此導(dǎo)致的去除效果(出水濃度);對(duì)于非理想反應(yīng)器，雖然恒定負(fù)荷下反應(yīng)器平均濃度不變，但反應(yīng)器內(nèi)存在濃度分布，進(jìn)水濃度變化必然導(dǎo)致濃度分布變化，進(jìn)而影響反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)行為和出水濃度。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及反應(yīng)器混合行為分析表明，內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器內(nèi)的混合行為更接近理想混合反應(yīng)器，其原因在于反應(yīng)器中的內(nèi)循環(huán)促進(jìn)了流體的混合，這一行為在本文研究組前期所作的反應(yīng)器停留時(shí)間研究中也得到證實(shí)［8］。綜上可知，對(duì)于內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器，由于其內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生的良好混合作用，在進(jìn)水有機(jī)物濃度變化的條件下，只要通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制水力停留時(shí)間使得反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷恒定，即可獲得相同的出水濃度，從而為按需調(diào)節(jié)反應(yīng)器的操作條件提供了依據(jù)。

2．3進(jìn)氣量對(duì)處理效果的影響為研究進(jìn)氣量對(duì)廢水處理效果的影響，采用了半間歇式的操作方式，即每組實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在反應(yīng)器內(nèi)加入確定濃度的廢水，然后連續(xù)供氣，同時(shí)測(cè)量廢水中COD和NH3－N濃度隨時(shí)間的變化，并計(jì)算去除率。圖5和圖6分別顯示了實(shí)驗(yàn)條件下COD和NH3－N的去除效果，從圖中可以看出，COD或NH3－N濃度的降低取決于供氣時(shí)間和進(jìn)氣量。參見(jiàn)圖5，在給定進(jìn)氣量條件下，廢水COD濃度隨時(shí)間的推移而降低，去除率相應(yīng)增加，但濃度降低或去除率增加的趨勢(shì)逐漸放緩，這是由于隨著反應(yīng)器內(nèi)COD底物濃度的下降，傳質(zhì)推動(dòng)力減小，同時(shí)微生物活性降低［9］，導(dǎo)致COD降解速率相應(yīng)降低;圖6中廢水NH3－N濃度及去除率隨時(shí)間變化也表現(xiàn)出與COD類似的規(guī)律。另一方面，對(duì)比不同進(jìn)氣量下COD濃度和NH3－N濃度的變化可見(jiàn)，進(jìn)氣量Qg在小于125L/h范圍對(duì)COD濃度和NH3－N濃度變化有顯著影響，此時(shí)增加進(jìn)氣量，廢水中COD或NH3－N濃度顯著降低(或去除率顯著增加)，但當(dāng)進(jìn)氣量Qg≥125L/h后，COD或NH3－N濃度不再有明顯變化，甚至出現(xiàn)去除率降低的情況。究其原因可歸結(jié)為:(1)當(dāng)進(jìn)氣量較低時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的溶氧濃度亦較低，此時(shí)溶氧成為處理效果的控制因素，即低溶氧限制了微生物膜的氧源供應(yīng)，從而使生物膜降解能力受限，此時(shí)提高進(jìn)氣量增加的溶氧能被生物膜有效吸收，故顯著提高其降解能力，導(dǎo)致COD或NH3－N濃度隨進(jìn)氣量增加而顯著降低;(2)當(dāng)進(jìn)氣量很高時(shí)，溶氧隨之增加，但由于生物膜的需氧量已經(jīng)飽和，此時(shí)提高進(jìn)氣量增加的溶氧對(duì)于生物膜已是多余，生物膜的降解能力不再增加;而過(guò)高的進(jìn)氣量反而會(huì)因?yàn)榧羟袘?yīng)力增強(qiáng)導(dǎo)致生物膜的脫落，從而降低其降解能力。這就導(dǎo)致高進(jìn)氣量下COD或NH3－N濃度不再有明顯變化，甚至出現(xiàn)去除率降低的情況。以上分析表明，進(jìn)氣量的影響是雙重的，三相生物流化床反應(yīng)器操作存在最優(yōu)進(jìn)氣量。

3結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了三相生物流化床反應(yīng)器廢水處理的抗負(fù)荷沖擊能力、給定負(fù)荷率下的有機(jī)物去除率及進(jìn)氣量對(duì)去除率的影響，主要結(jié)論如下:(1)本實(shí)驗(yàn)中，隨著COD負(fù)荷的逐次提高，COD的去除率都能在短暫下降后迅速恢復(fù)到較高水平并保持相對(duì)穩(wěn)定，表明內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力和操作彈性，其原因一方面在于固定化微生物膜對(duì)水質(zhì)環(huán)境劇烈變化有良好的適應(yīng)性，另一方面是反應(yīng)器內(nèi)的內(nèi)循環(huán)流使廢水中的有害組分迅速擴(kuò)散并稀釋。(2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水COD或NH3－N濃度變化的條件下，只要控制進(jìn)水的水力停留時(shí)間使得反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷率恒定，即可獲得穩(wěn)定的出水濃度;這一結(jié)果表明內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器更接近于理想混合反應(yīng)器，同時(shí)也為根據(jù)出水濃度要求確定反應(yīng)器操作條件提供了依據(jù)。(3)進(jìn)氣量對(duì)生物流化床廢水處理有雙重影響，存在最優(yōu)進(jìn)氣量。進(jìn)氣量較低時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的溶氧濃度亦較低，提高進(jìn)氣量增加的溶氧被生物膜有效吸收，增強(qiáng)其活性和降解能力(有機(jī)物去除率增加);進(jìn)氣量很高時(shí)，溶氧將超過(guò)生物膜飽和需氧量，不僅生物膜降解能力不增加，反而會(huì)因流體的沖擊和剪切使生物膜從載體脫落，導(dǎo)致去除率降低。本實(shí)驗(yàn)中的最佳進(jìn)氣量為125L/h。

作者：沈琪 胡培根 胡堃 黃衛(wèi)星 單位：四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院