龍?zhí)煊? 杜夢(mèng)楠

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400045)

振動(dòng)格柵反應(yīng)器處理污水的效果研究*

龍?zhí)煊? 杜夢(mèng)楠

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400045)

為研究反應(yīng)器內(nèi)紊流脈動(dòng)的水力環(huán)境對(duì)污水處理效果的影響，探討反應(yīng)器內(nèi)的填料在振動(dòng)條件下對(duì)污水傳質(zhì)效果的影響，試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)、改進(jìn)的振動(dòng)格柵反應(yīng)器對(duì)處理出水指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)一系列對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明:在水溫環(huán)境為26 ℃、合適溶解氧值的試驗(yàn)條件下，反應(yīng)器達(dá)到最優(yōu)處理效率的最佳振動(dòng)周期為4 s， COD、TN和TP的去除效率分別可達(dá)72.9%、82.7%和54.55%。

紊流脈動(dòng);振動(dòng)格柵;振動(dòng)周期;傳質(zhì)

生物膜法是污水生物處理的主要技術(shù)之一[1-3]，填料作為反應(yīng)器重要的結(jié)構(gòu)，對(duì)生物膜處理效果影響重大，而目前生物膜工藝中填料僅作為微生物的載體，是反應(yīng)器提高更高的微生物量和反應(yīng)的場(chǎng)所之外，功能較為單一[4-5]，且反應(yīng)器內(nèi)污水的流態(tài)單一，加之曝氣利用率低，使得傳統(tǒng)生物膜處理工藝受到限制[5-7]，因此設(shè)計(jì)了一種可以隨格柵板上下振動(dòng)的彈性填料[8]，格柵板上的彈性填料呈輻射狀態(tài)分布，其輻射分布絲條和帶孔格柵在振動(dòng)的過(guò)程中可在反應(yīng)器中創(chuàng)造紊流的水力環(huán)境，同時(shí)有效切割氧氣氣泡，使得氣泡的上升路徑變得相對(duì)復(fù)雜，增加溶解氧在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，并在此過(guò)程中主動(dòng)接觸內(nèi)污水，有效地促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)氣-液、液-固(生物膜)的傳質(zhì)環(huán)境[9-11]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 振動(dòng)格柵裝置示意圖Fig.1 Vibrating grid device diagram

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。反應(yīng)器主體尺寸為31 cm×31 cm×45 cm，注水高度約為33 cm，有效容積約為32 L[12]。

反應(yīng)器底部海綿層區(qū)域布置有溫控管，保持水溫為26 ℃，填料分別固定于溫控管和格柵之上，填料裝填效果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 頂部填料安裝效果Fig.2 Bio packaging on the top

圖3 底部填料安裝效果Fig.3 Bio packaging at the bottom

安裝完成的反應(yīng)器特征：

在反應(yīng)器水力環(huán)境方面，格柵在水中豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的無(wú)平均速度的剪切力紊流流態(tài)，格柵板上呈輻射狀態(tài)分布的填料也可以有效地切割氧氣氣泡，使氧氣氣泡尺寸變小，同時(shí)使氣泡的上升路徑變得復(fù)雜，從而可以增加氧氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，間接提高了曝氣裝置的利用率。外格柵邊界距箱體內(nèi)壁越0.5 cm，較小的距離能有效地減少箱體內(nèi)壁的邊界影響，同時(shí)底部擁有較致密的彈性填料，可有效地防止水波經(jīng)箱體底部反射而產(chǎn)生疊加。

在反應(yīng)器內(nèi)微生物方面，格柵的振動(dòng)直接促進(jìn)了水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散，同時(shí)紊流的水力條件也間接的為擴(kuò)散傳質(zhì)提供了較好的條件，近似于完全混流。格柵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠在孔口處形成射流，格柵條后形成尾流，填料的位置恰好處于射流，尾流的區(qū)域，從而產(chǎn)生足夠的往復(fù)的剪切力，有利于生物膜的形成[12]。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，實(shí)驗(yàn)污水采用雀巢某品牌奶粉進(jìn)行人工配水。由申玉春[13]等人撰寫(xiě)的相關(guān)研究當(dāng)中有公式：

①E(J/g)=14.52×COD(mg/L)-929.1 (n=17,r=0.626 5,P<0.01)

②E(J/g)=12.34×COD(mg/L)+329.9 (n=22,r=0.957 7,P<0.01)

將COD取400 mg/L，代入式①可得E1=4 878.9 J，帶入公式②可得E2=5 265.9 J，由廠商提供的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值表可以分別估算出，投加量T1=0.303 g，T2=0.327 g，之后取0.3 g/L，即0.06 g奶粉溶解于200 mL純水中進(jìn)行驗(yàn)證，得出COD=385.29 mg/L，考慮到操作與測(cè)試誤差，結(jié)果符合研究。根據(jù)反應(yīng)器水體積32 L，可得投加量為32×0.3=9.6 g，為方便取用，這里品牌奶粉每個(gè)反應(yīng)器投加量定為10 g。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

初步擬定10.00 g/箱的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)投加量，采用26 ℃水溫，一定曝氣量，不同振動(dòng)周期：0、1、2、4、6、8 s， 進(jìn)行重復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，隔日檢測(cè)分析COD、TP、TN的濃度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同振動(dòng)周期下反應(yīng)器出水COD濃度的變化

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同周期下反應(yīng)器水體中的化學(xué)需氧量進(jìn)行了隔日測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 COD隔日去除率Fig.4 The removal rates of COD in the next day

從圖4中可以看出，COD隔日去除率由靜止對(duì)照組的62.02%，上升到振動(dòng)周期為4 s組的72.89%，然后下降至振動(dòng)周期為8 s組的70.31%。

可以得出，振動(dòng)組對(duì)COD的去除效果與振動(dòng)頻率正相關(guān)，表明振動(dòng)有利于微生物去除水體中的有機(jī)物。

究其原因，振動(dòng)格柵反應(yīng)器特殊的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的水流特性，可以使水體當(dāng)中的有機(jī)物充分?jǐn)U散，接近于理想的均化間歇反應(yīng)器。同時(shí)可調(diào)節(jié)的周期的設(shè)計(jì)為填料提供了充沛而合適的剪切力，為微生物轉(zhuǎn)化為生物膜和后期生物膜的新陳代謝創(chuàng)造了良好環(huán)境。傳統(tǒng)處理方法在填料固定，水體流動(dòng)的模式下，微生物活動(dòng)范圍窄，捕獲水體污染物能力有限，而振動(dòng)格柵反應(yīng)器可以改變這種被動(dòng)的處理方式，提高微生物的活動(dòng)范圍，使生物膜動(dòng)態(tài)運(yùn)行，大幅度提高了微生物對(duì)污水的去除效率。

2.2 不同振動(dòng)周期下反應(yīng)器水體中TN濃度的變化

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同周期下反應(yīng)器水體中的TN進(jìn)行了隔日測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 TN隔日去除率Fig.5 The removal rates of TN in the next day

從圖5中可以得出，次日TN去除效率由靜止對(duì)照組的57.70%上升到振動(dòng)周期為1 s、2 s、4 s組的80%左右，之后降低到振動(dòng)周期為6 s、8 s組的60%左右。振動(dòng)周期1 s、2 s、4 s組之間差異不明顯，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，三者無(wú)顯著差異。

反應(yīng)器中的振動(dòng)格柵全程擾流，一方面增強(qiáng)了氮元素溶質(zhì)的擴(kuò)散，使微生物的生化反應(yīng)產(chǎn)物能夠快速的傳遞，提高了傳質(zhì)效率。另一方面，特殊的水力條件大大加強(qiáng)了曝氣對(duì)N2的吹脫作用，使NH3、N2能非常快速地從反應(yīng)器水體逃逸離去[14-16]。

綜合上述兩種作用，反應(yīng)器提供了一個(gè)良好的脫氮環(huán)境。相比較靜止組，高出20%左右的去除效率也證明了這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的非常明顯。而比較不同振動(dòng)周期的實(shí)驗(yàn)組，發(fā)現(xiàn)從4 s組之后，去除效率大幅降低。結(jié)合脫氮原理，由于脫氮是好氧微生物和厭氧微生物共同作用的結(jié)果，存在反應(yīng)產(chǎn)物的傳遞，對(duì)傳質(zhì)效率依賴度極高，而作為間接反映傳質(zhì)效率高低為反應(yīng)器的振動(dòng)周期，因此理論上說(shuō)，無(wú)限大的傳質(zhì)效率是最佳的條件，但提供這種條件意味需要極短的振動(dòng)周期。而極端的振動(dòng)周期會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的剪切力，微生物無(wú)法良好生長(zhǎng)。這也就解釋了初期振動(dòng)周期變大脫氮效率卻上升的原因，即脫氮需要兼顧微生物的長(zhǎng)勢(shì)和傳質(zhì)效率，在不同振動(dòng)條件下，兩者交替主導(dǎo)影響了脫氮效率。相對(duì)于各組，4 s的振動(dòng)周期提供了適宜微生物生長(zhǎng)的剪切力，同時(shí)保持了良好的傳質(zhì)條件。

2.3 不同振動(dòng)周期下反應(yīng)器水體中TP濃度的變化

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同周期下反應(yīng)器水體中的TP進(jìn)行了隔日測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 TP隔日去除率Fig.6 The removal rates of TN in the next day

從圖6中可以得出，除去靜止對(duì)照組，TP的去除效率與振動(dòng)周期呈負(fù)相關(guān)，隨振動(dòng)周期的增大而降低，TP的去除效率并沒(méi)有出現(xiàn)于類似TN或COD相同的峰值，由于磷元素的特殊性，它不能經(jīng)過(guò)氧化還原等反應(yīng)從水體中向大氣逃逸，只能從固體形態(tài)或者溶解的形式相互循環(huán)轉(zhuǎn)化。而實(shí)驗(yàn)均未投加任何藥劑，全部為微生物為主體的生化反應(yīng)。因此，磷元素的吸收只能是以溶解的形態(tài)被微生物所汲取。聚磷菌在好氧條件下吸收遠(yuǎn)超過(guò)其生理需要的磷元素，將其以聚合型態(tài)貯藏在細(xì)菌體內(nèi)。根據(jù)成熟工藝的研究結(jié)果，生物除磷的關(guān)鍵條件之一是溶解氧的含量，因此溶解氧成為了決定性的影響因素，而由雙膜理論[17]可得：

其中KLa表示氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，表示在曝氣時(shí)氧的總傳遞性，與傳遞阻力的大小成反比，即阻力大數(shù)值低，阻力小，數(shù)值大。除去反應(yīng)器固定的污水水質(zhì)，恒定的溫度，恒定的氧分壓等，影響KLa的因素只剩下水體中氧濃度梯度，氣泡大小，水體的紊流程度等。

實(shí)驗(yàn)所用的反應(yīng)器在振動(dòng)格柵的運(yùn)動(dòng)下，劇烈攪動(dòng)水面，產(chǎn)生水躍，大大降低了相界面由于兩相層流導(dǎo)致的傳質(zhì)阻力，使得液相與氣相彼此的接觸面不斷更新，加速了氧的傳質(zhì)，填料的格柵能夠切割氣泡，這些都增加了KLa，提高了氧轉(zhuǎn)移效率。從而反應(yīng)器的振動(dòng)周期就間接和KLa成正比。為了方便分析，將靜止對(duì)照組放在圖表的右邊，按照紊流強(qiáng)弱的順序排列，可得到圖7。

圖7 TP隔日去處率Fig.7 The removal rates of TN in the next day

將數(shù)據(jù)匯總擬合，得到擬合曲線：

y = -0.137 6x + 0.902 1

相關(guān)系數(shù)R2=0.966 1，根據(jù)模擬曲線得到節(jié)距0.902 1，預(yù)期可以將除磷效率提高到90%。但過(guò)短的周期會(huì)影響反應(yīng)器的其他微生物的生長(zhǎng)，限制去除有機(jī)物和脫氮的效果，可通過(guò)適當(dāng)增加曝氣量提高磷元素的去除率。因此，綜合考慮COD、TN的去除影響，最佳振動(dòng)周期為4 s/周。

3 結(jié) 論

通過(guò)靜止對(duì)照組和振動(dòng)組的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果得出，振動(dòng)組的處理效果明顯優(yōu)于靜止對(duì)照組，究其原因，振動(dòng)組填料在振動(dòng)過(guò)程中可將水中的氣泡剪切成更加微小的氣泡，增大了氣液傳質(zhì)接觸表面，使物相接觸表面不斷更新，從而提高了反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)質(zhì)向微生物膜、氧氣向污水中的傳質(zhì)速度。

COD、TN在振動(dòng)周期為4 s時(shí)達(dá)到最佳處理效率，而TP在振動(dòng)周期為1 s時(shí)達(dá)到最佳處理效率，綜合考慮分析后，認(rèn)為T(mén)P可通過(guò)適當(dāng)增加曝氣優(yōu)化去除率，確定最佳振動(dòng)周期為4 s，此時(shí)COD、TN、TP的隔日去除率分別為 72.9%、82.69%、54.55%。

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責(zé)任編輯：田 靜

A Study on the Effect of Wastewater Treatment Using Vibration Grid Reactor

LONG Tian-yu, DU Meng-nan

(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China )

In order to study the effect of turbulence flow on the sewage treatment, to explore the impact of vibration conditions of the filler on the mass transfer of sewage treatment, this paper analyzed the influence of the vibration period on the effluent. Through the comparison experiments, the results show: at 26 ℃, water tempe-rature was suitable for the environment of dissolved oxygen, comprehensive consideration of economic, removal efficiency and other factors. The best vibration period is 4s, on this condition，the reactor can obtain satisfactory treatment effect. The removal efficiencies of chemical oxygen demand, total nitrogen and total phosphorus were72.9%, 82.7%, 54.55%, respectively.

turbulence flow; vibration grid; vibration period; mass transfer

2017-03-13；

2017-03-28.

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2011BAD31B03).

龍?zhí)煊?1960-)，女，重慶市人，教授，從事水污染控制與水環(huán)境模擬研究．

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0004.017

X829

A

1672-058X(2017)04-0084-05