內循環撞擊流生物膜反應器間歇運行性能

摘要：通過試驗研究了內循環撞擊流生物膜反應器的間歇運行性能。結果表明，化學需氧量（COD）在反應器啟動后1.5 h內下降較快，累計去除率可達80.0%，而在1.5 h后，COD去除速度明顯變慢；NH3-N的去除曲線與COD去除曲線比較相似，反應器啟動后1.5 h內NH3-N累計去除率達到61.9%，反應器對氨氮的去除主要是通過同化作用來完成。連續5 d的間歇運行試驗表明，反應器傳質效果良好，運行性能穩定。

關鍵詞：內循環撞擊流；生物膜反應器；運行性能

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）22-5443-03

復合式生物膜反應器是近幾年發展較快，引起研究者極大興趣的處理工藝。它將反應器原理與單元操作的優點結合起來，極大地提高了生物膜反應器的污染凈化能力。其中有代表性并進行深入研究或應用的復合式生物膜反應器主要有序批式生物膜反應器[1]、升流式厭氧污泥床（UASB）-厭氧生物濾池[2]、附著生長穩定塘[3]及復合式活性污泥-生物膜反應器[4]。但對于好氧復合式生物膜反應器普遍存在的傳質效率低、耐沖擊負荷小的缺點還沒有很好的解決方法。撞擊流是一種讓氣液兩相流相向撞擊，瞬間在液相本體中造成大尺度湍動和較高的相間相對流速來強化相間傳質的混合過程[5]。本試驗嘗試將撞擊流應用于生物膜反應器，自制了內循環撞擊流生物膜反應器，并通過模擬污水的處理試驗考察了反應器的間歇運行性能，有望能為復合式生物膜反應器的研究開發拓展思路。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水采用自來水添加試劑配制而成，主要成分如表1所示，并用Na2CO3調至pH 7～8。根據試驗需求使稀釋后化學需氧量（COD）濃度為500 mg/L，氨氮為10 mg/L。

1.2 試驗裝置和運行條件

試驗裝置和生物膜載體分別如圖1和圖2所示。反應器接種九江學院第二污水廠（SBR工藝）新鮮污泥，用模擬廢水經過25 d的曝氣反應，成功掛膜后待用。試驗運行條件：氣體流量為0.1 m3/h，22 h換1次水。每次進水后每0.5 h在反應器出口處采樣，檢測水質pH、COD、NH3-N，進行4.0 h的連續監測。

1.3 測試項目及方法

COD用微波消解法測定，NH3-N采用納氏試劑比色法測定；pH采用PHS-29A型pH計測定。COD或NH3-N的去除率指每0.5 h的濃度變化，其計算公式為：

2 結果與分析

2.1 反應器中COD隨反應時間的變化

由圖3可知，從開始曝氣到反應時間為1.5 h的時間段，反應器內COD下降較快，表明這一段時間反應器對COD的去除速度很快；1.5 h后反應器內COD的去除速度明顯減慢。這可能是因為從反應器啟動到1.5 h時間段內水中COD含量較高，有機質從液相主體向生物膜及向懸浮生長的生物表面的擴散速率較快，給微生物生長提供了較為豐富的營養物質，微生物表現出較高的生理活性，因而COD的去除效率較高。而后，隨著反應器內COD濃度的降低，有機質從液相主體向生物膜表面的傳質速率變慢，因而COD的去除速度也隨之變慢。由圖3可以看出，連續5 d的試驗，反應器內COD隨時間的變化曲線比較相似，表明反應器的運行性能十分穩定。

通過測定反應器出口處不同時間段的COD的平均去除率（表2）可知，在0.0～0.5 h時反應器中COD的去除率為27.4%；在0.5～1.0 h時反應器中COD的去除率最高，達到33.0%，之后反應器中COD的去除率逐漸下降。這是因為當反應器間歇運行時，在一個運行周期內反應器的COD濃度是遞減的，0.0～0.5 h反應器內微生物的活性處于恢復階段，0.5 h以后微生物的活性得到了完全恢復，所以盡管0.0～0.5 h的COD濃度很高，但由于微生物的活性未完全恢復，致使該時間段COD的去除率比0.5～1.0 h的低。0.5 h后反應器生物活性基本上完全恢復，盡管此時段反應器內COD的濃度比起始階段低，反應器對底物的傳質速率也比0.0～0.5 h低，但基質濃度仍然能完全滿足微生物的需求，故反應器中COD的去除率升高。此后，雖然反應器依然能夠保持較高的傳質效率，但底物濃度在逐漸降低，慢慢不能滿足微生物的代謝需求，微生物活性降低，故反應器內COD的去除率在逐步降低。在1.0 h后，反應器中的COD還不到200 mg/L，并隨時間延長COD濃度逐漸降低，當由從液相主體向生物膜表面傳遞的底物量不能滿足微生物進行必要的生理活動時，其活性就會開始下降。這與Hurok等[6]的研究結果是一致的，表明底物的濃度對微生物的處理效率有重要影響。

2.2 反應器中NH3-N隨反應時間的變化

由圖4可知，間歇運行時，反應器中NH3-N濃度隨時間遞減，與COD變化趨勢相似，但NH3-N濃度曲線比COD濃度曲線要平緩一些。在0.0～1.5 h的時間段，NH3-N濃度下降較快，表明該時間段NH3-N的去除效率比較高；而在1.5 h后，NH3-N濃度下降減慢，反應器中NH3-N的去除效率越來越低。通常反應器中的碳氮比（C/N）會影響到硝化效率，C/N比越高硝化效率越低[7]。本研究中的C/N約為20∶1，在反應器啟動后1.5 h，NH3-N的去除效率并未受到明顯的抑制，而是與COD去除趨勢基本一致，說明反應器中的NH3-N主要用于微生物的自身合成，大部分被微生物通過酮酸的胺化作用形成谷氨酸直接被利用[8]，故該時間段反應器中NH3-N的變化趨勢與COD的變化趨勢基本上一致。通過各時間段反應器中NH3-N的平均去除率（表3）也能證明這一點。從表3可以看出，在0.0～1.5 h，反應器中NH3-N的去除率相對較高，累計達到了61.9%；在1.5～3.5 h，NH3-N的去除率較低，僅為26.5%。對比表2和表3，可以發現NH3-N去除率與COD去除率存在一定差異，產生這些差異的原因可能是反應器中好氧異養菌與硝化自養菌的相互抑制作用，反應器出水口水樣中可檢測到NO3--N，最高濃度可達0.92 mg/L，說明反應器中存在一定量的硝化細菌。在反應器的最初運行階段，由于COD的濃度較高（碳源充足），好氧異養菌的活性高，抑制了硝化自養菌的活性；隨著反應的進行，反應器中COD濃度逐漸降低，好氧異養菌活性下降，對NH3-N的消耗減少；相反，硝化自養菌的活性逐漸升高，硝化作用越來越重要。但隨反應的進行，反應器NH3-N的濃度越來越低，因而反應器在后面的時間段NH3-N去除率是下降的。

3 結論

1）通過5 d的不同批次模擬廢水處理試驗，結果表明反應器啟動后，COD去除速度在1.5 h內較快，累計去除率可達80.0%，1.5 h后COD去除速度明顯變慢。

2）反應器對NH3-N的去除曲線與COD去除曲線比較相似，但NH3-N的去除曲線斜率比COD的要小；反應器啟動1.5 h后，NH3-N累計去除率可達61.9%，NH3-N的去除主要通過同化作用來完成。

3）連續5 d間歇運行試驗表明，反應器具有良好的傳質效果，運行性能穩定。

參考文獻：

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[8] 李亞新.活性污泥法理論與技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.85-86.

（責任編輯 呂海霞）