生物轉鼓反應器氧轉移特性及運行效能

李寧，苗志加，李再興，王忠東，秦學，黃娟

（1河北科技大學環境科學與工程學院，河北 石家莊 050018；2石家莊經濟學院水資源與環境學院，河北 石家莊 050031）

引言

生物轉盤法是一種高效的固定生物膜廢水處理技術，依靠空氣暴露與剪切空氣為微生物提供溶解氧（DO），具有凈化效率高、耐沖擊負荷、能耗低和操作簡便的優點[1-2]，廣泛應用于染料[3]、市政[4]、食品[5]等污水處理領域。然而生物轉盤在實際應用過程中常常出現生物膜過量生長，阻塞填料孔徑，從而降低了生物膜內層氧及底物的傳遞效率，同時大面積生物膜的脫落使出水中懸浮物濃度增高，導致出水水質惡化[6]。移動床生物膜反應器（MBBR）是現代污水生物處理技術中較為革新的工藝，它是使微生物固定生長在一種密度略小于水的輕質漂浮填料上，通過液體回流、曝氣擾動或機械混合使載體填料懸浮于反應器的生物膜工藝，解決了生物轉盤反應器需要定期清洗的復雜操作問題，但是相比生物轉盤反應器能耗較高[7-8]。因此，如何進一步探索和開發新型高效的脫氮工藝，控制生物載體微生物數量和活性，成為目前學者關注的熱點。

本研究結合生物轉盤和MBBR反應器的優勢，研制了一種新型的生物轉鼓反應器。重點考察了反應器在清水試驗中的氧轉移特性和對模擬生活污水的處理效果，研究了浸沒高度比和轉速對反應器氧總體積傳質系數和動力效率的影響，優化了生物轉鼓分段進水后置反硝化脫氮工藝的運行參數。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

生物轉鼓反應裝置及廢水處理工藝如圖1所示。反應器主體采用不銹鋼材質，包括反應池、轉鼓、轉軸、電機、電機支座、進水口、出水口和DO在線監測系統等部分。反應池為長方立體結構，尺寸為50 cm×40 cm×50 cm（長×寬×高），出水側面沿高程15、20、25和30 cm處分別設置4個排水口，對應有效容積分別為28、38、48和58 L。轉鼓通過轉軸由電機進行驅動，轉鼓內裝填MBBR懸浮填料，填料為江蘇宜興盛泰環保公司提供的K3型懸浮生物填料（材質為 HDPE，規格為?25 mm×10 mm，比表面積＞500 m2·m-3，密度為0.96 g·cm-3±0.02 g·cm-3），填料填充體積比為80%。轉鼓轉速范圍為2～16 r·min-1，轉筒內壁均勻設置4個矩形攪拌片（40 cm×5 cm）以增加對填料的攪拌強度。

廢水處理系統采用分段進水后置反硝化工藝，包括好氧生物轉鼓反應器和缺氧生物轉鼓反應器，進水由兩臺計量泵分流送至兩級反應器。DO監測儀記錄各個反應器的DO濃度。

1.2 接種污泥與試驗用水

反應器接種污泥采用某城市污水處理廠二沉池剩余污泥，污泥濃度分別為25.0 g MLSS·L-1和19.5 g MLVSS·L-1，接種污泥量為反應器體積的1/10。本試驗掛膜啟動及后續運行均采用模擬生活污水，即采用葡萄糖、NH4Cl和 KH2PO3作為碳源、氮源及磷源，溶解在自來水中，并添加鈣、鎂、鐵等微量元素。配水平均 COD為（385.0±15）mg·L-1、N-N 為（38.0±2.5）mg·L-1和 TP為（3.0±1.5）mg·L-1，通過投加NaHCO3調節進水pH為7.0～8.0。

圖1 生物轉鼓分段進水后置反硝化廢水處理工藝流程Fig.1 Schematic diagram of step feed post-denitrification with rotating drum biological contactor

1.3 分析化驗方法

1.4 試驗方案

1.4.1 氧總體積傳質系數（KLa）及動力效率（Ep）測定 在假設完全混合的條件下，氧在氣液兩相傳質過程中，液相中DO濃度隨時間的變化符合一級動力學方程

式中，KLa為氧的總體積傳質系數，h-1；CS為DO飽和濃度，mg·L-1；C為t時刻 DO濃度，mg·L-1。

本試驗首先向好氧生物轉鼓反應器注入一定量的清水，并調節轉鼓的浸沒深度依次為1/3、2/5、1/2、3/5、3/4和 5/6，通過計算向反應器中投加適量 Na2SO3和催化劑 CoCl2以完全去除水中原有的DO。啟動轉鼓，分別測定轉速為 4、8、12和 16 r·min-1條件下不同時刻t水中DO的濃度C以及飽和DO濃度CS，得到Sln( )CC- 與t的直線關系，其斜率即為氧的總體積傳質系數KLa[12]。

動力效率計算如下

式中，EL為氧傳遞效率，kg O2·h-1，V為好氧生物轉鼓反應器有效體積，m3；N為由電功率表（UT71E，中國）測定的電機實際輸入功率，kW；Ep為氧傳遞的動力效率，kg O2·(kW·h)-1。

1.4.2 流量分配比影響測定 本研究采用兩點進水方式控制反應器的運行，流量分配比是影響反應器處理效果的關鍵參數。在總進水流量為6 L·h-1的條件下，好氧生物轉鼓反應器進水流量與缺氧生物轉鼓反應器進水流量的比值（簡稱流量比）分別設定為1：0、4：1、3：1和2：1，對應反應器運行的PhaseⅠ～Ⅳ 4個階段。通過分析不同階段下反應器脫氮的運行效果，得出反應器操作的最佳運行條件。運行過程中主要用到的計算公式如下。

缺氧生物轉鼓反應器進水4NH-N+濃度計算公式

式中，C(inf,N- N)為缺氧生物轉鼓反應器進水 N-N濃度；C(aer,N- N)好氧生物轉鼓反應器出水 N- N濃度；C(inf,N- N)為缺氧生物轉鼓反應器進水 N- N濃度；C(raw,N- N)為原水N-N濃度；C(aer,N-N)為好氧生物轉鼓反應器出水 N- N濃度；Q1為好氧生物轉鼓反應器的進水流量；Q2為缺氧生物轉鼓反應器的進水流量。

2 結果與討論

2.1 浸沒比及轉速對氧轉移能力的影響

2.1.1 對氧總體積傳質系數的影響 污水生物處理過程中，DO對有機物氧化和好氧硝化起著重要作用，充足的DO供應是好氧生物轉鼓反應器正常運行的關鍵[13]。影響氧轉移速率的因素眾多，如溫度、氧分壓、攪拌強度、反應器結構、水質特點等[14-16]。改變攪拌方式、增強攪拌強度，可以減少液膜厚度，增加氣液接觸面積，從而提高氧總體積傳質系數，增強氧轉移能力。本研究通過調整轉鼓轉速（4～16 r·min-1）和轉鼓浸沒高度比（1/3～5/6），測試不同條件下氧總體積傳質系數KLа，試驗結果如圖2所示。

圖2 浸沒高度比及轉速對總體積傳質系數的影響Fig.2 Influence of immersion level and rotating speed on volume oxygen transfer coefficient

由圖2可知，在一定浸沒高度比條件下，轉鼓轉速越高，氧總體積傳質系數KLa越大。當浸沒高度比為5/6時，轉速從4 r·min-1升高至16 r·min-1過程中，氧總體積傳質系數KLa由2.32 h-1升高至6.89 h-1。當浸沒高度比為1/3時，轉速從4 r·min-1升高至16 r·min-1過程中，氧總體積傳質系數KLa由9.85 h-1升高至25.87 h-1。這說明轉鼓轉速與氧總體積傳質系數成正比增長，這與Courtens的研究結果相似，在清水試驗中 RBC盤片的運動增強了對液體的攪拌程度，從而提高了氧向液相的傳輸能力[13]。

然而，在4 r·min-1條件下，浸沒高度比從1/3升高至5/6過程中，KLa從9.85 h-1降低至2.32 h-1；在16 r·min-1條件下，浸沒高度比從1/3升高至5/6過程中，KLa從25.87 h-1降低至6.89 h-1。這說明在一定轉速條件下浸沒高度比與氧總體積傳質系數KLa呈負相關關系。浸沒高度比的增加會減小氣液相界面的面積，可能是導致生物轉盤氧轉移能力下降的主要原因[17]。

從上述試驗結果可以看出，通過調節轉速和浸沒高度比，填料型生物轉鼓具有從2.32 h-1到25.87 h-1的較大幅度的氧總體積傳質系數，為生物脫氮好氧與缺氧環境的形成提供了理論依據。有研究認為，氧轉移的發生除了與氣液兩相濃度差異相關外，主要依靠液膜的破壞與更新，Kim等[18]認為這種更新與兩相間氧轉移速率呈線性增長關系。本研究利用生物轉鼓內充填料的翻動與轉鼓本身的旋轉對液體造成的紊動克服了液膜的表面張力，增加了液膜的更新速率，從而提高了反應器的氧轉移能力。因此，填料型生物轉鼓的供氧方式不僅為附著在載體上暴露于空氣中的微生物直接供氧，而且為反應器中懸浮及浸沒的好氧微生物提供較高的DO環境，為好氧生物轉鼓反應器的正常運行提供了理論依據。

2.1.2 對氧轉移動力效率的影響 生物轉鼓反應器在運行過程中，較高的轉速會增加電耗，增大處理費用；而過低的浸沒高度比則會減小反應器的有效利用容積，增加建設投資。因此，考察轉速及浸沒高度比對動力效率的影響，優化控制參數，可以提升反應器利用效率，減少電能消耗，節省投資和運作費用。本試驗中轉速及浸沒高度比對反應器動力效率的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著轉速的提高，動力效率整體上表現出先上升后下降的趨勢，在轉速為 12 r·min-1時動力效率達到最高。浸沒比分別為 1/3和 5/6時，對應動力效率分別為 228.62和 119.01 g O2·(kW·h)-1。在轉速為16 r·min-1時，因能耗過高而導致動力效率降低。

圖3 浸沒高度比及轉速對氧轉移動力效率的影響Fig.3 Influence of immersion level and rotating speed on oxygen transfer power efficiency

隨著浸沒高度比的提高，不同轉速下動力效率均降低，這是由氧傳質效率降低和能耗增加共同導致的結果。而在浸沒比為1/3時，盡管動力效率表現出較高水平，但反應器有效利用體積的減少使反應器的處理能力下降，有效利用體積減少。因此，綜合考慮，好氧生物轉鼓反應器最佳轉速范圍為4～12 r·min-1，最佳高度浸沒比為1/2~2/3。

2.2 流量分配比對反應器運行效果的影響

2.2.1 對有機物去除效能的影響 在流量分配比對系統運行效能影響試驗研究中 COD的處理效果如圖4所示，當流量比分別為1：0、4：1、3：1和2：1時，進水COD為371.43～399.84 mg·L-1，COD容積負荷為0.74～0.80 kg COD·m-3·d-1。好氧生物轉鼓反應器出水 COD未觀察到有明顯波動，出水平均值為28.74 mg·L-1，這可能是由于填料載體微生物數量充足，反應器處理容量較大，而且原水中有機物較易生物降解，在此進水流量條件下對有機物處理能力達到平衡[19]。

圖4 不同流量分配比下進出水COD及其去除率變化Fig.4 Variation of COD concentration and removal efficiency under different flow distribution ratio conditions

同時，在Phase Ⅰ～Ⅲ 階段，總出水COD均小于40 mg·L-1，COD的去除率在88.13%～96.00%之間，平均去除率為91.64%，出水COD濃度能夠穩定達到一級A排放標準要求。而在Phase Ⅳ階段，總出水COD范圍是36.67～58.64 mg·L-1，略有上升。分析原因，隨著缺氧生物轉鼓反應器進水分配流量的增加，一方面水力停留時間減少、缺氧生物轉鼓反應器有機負荷提高導致有機物處理能力下降，另一方面，來自好氧生物轉鼓反應器硝化液比例的減小降低了反硝化對碳源的需求，導致出水COD濃度偏高。

圖5 不同流量分配比下氮濃度及其去除率變化Fig.5 Variation of nitrogen concentration and removal efficiency under different flow distribution ratio conditions

可以看出，在Phase Ⅰ～Ⅳ過程中，流量比增加提高了好氧生物轉鼓反應器對N-N 的硝化效果。在不同的流量比下，污水進入好氧生物轉鼓反應器折算的 HRT依次為 4、5、5.3和 6 h，對應COD容積負荷依次為 1.16、0.92、0.87和 0.78 kg COD·m-3·d-1，逐級減小。這樣，在同一反應器內有機負荷降低減小了對自養型亞硝化及硝化細菌的競爭抑制，N-N 降解時間的增加也是硝化速率提高的重要原因。在此運行過程中，反應器 DO控制為3～5 mg·L-1，從而驗證了在生物條件下反應器供氧效能的穩定性，為好氧生物轉鼓反應器正常運行提供了保障。有研究認為，亞硝酸菌對 DO的親和力較硝酸菌強，在低DO條件下（通常認為0.5 mg·L-1以下）硝酸菌增長受抑制更明顯，會出現亞硝酸積累現象[20]。本研究系統硝化產物幾乎都是N-N ，N-N 累積很少，約為 0.01～0.20 mg·L-1，而且N-N 硝化程度較高。這說明攪拌供氧方式可以為生物膜提供充足的氧氣，N-N 被快速氧化為N-N ，滿足好氧生物轉鼓反應器對硝化能力的需求。

2.2.3 對反硝化作用的影響 圖 5 (b)所示為不同流量比下進出水N-N 及N-N濃度的變化。Phase Ⅰ階段流量比為1：0，缺氧生物轉鼓反應器進水N-N 濃度為34.5 mg·L-1，出水N-N 濃度為31.0 mg·L-1，反硝化去除率較低。這是由于缺氧段未分流進水，無法提供給反硝化微生物代謝所需的碳源，導致反硝化不能順利進行。

圖6 C OD/N-N對 N- N去除率及TN去除率的影響Fig.6 Influence of C OD/N- N on TN removal efficiency

2.2.4 工況優化對反應器脫氮效果的影響 從圖 5(b)及式(5)可以看出，在 Phase Ⅲ、Ⅳ階段出水N-N濃度平均值分別為10.50和13.27 mg·L-1，出水總氮濃度分別為 11.57和 13.99 mg·L-1，N-N成為出水總氮組分的主要貢獻者。這主要是由于隨著進入缺氧生物轉鼓反應器流量的增加，原水中所含的 N-N不能向硝態氮轉化，導致出水中N-N含量過高，從而影響反應器出水TN濃度。

圖7 缺氧生物轉鼓反應器不同DO對氮去除效果的影響Fig.7 Effect of DO on nitrogen removal in anoxic reactor

調整前缺氧生物轉鼓反應器 DO約為 0.4 mg·L-1，調整后出水 TN去除率在 DO為 1.0 mg·L-1時最高，相比調整前，出水N-N 濃度平均值由10.5 mg·L-1降低至2.4 mg·L-1，同時出水總氮濃度平均值由11.6 mg·L-1降低至7.3 mg·L-1，TN去除率由69.4%提高至80.9%。而出水N-N 濃度平均值僅上升3.6 mg·L-1，未受到明顯的影響。這說明較低濃度的DO由于受到擴散的限制，未對生物膜內部缺氧環境造成破壞，缺氧生物轉鼓反應器仍保存較高的反硝化活性，并增加了N-N 的去除能力。因此，適度調控反應器的運行狀態，如轉鼓浸沒比、轉速及生物膜厚度等，可以有效協調硝化和反硝化速率，有助于進一步提高TN去除率[23-24]。

2.3 生物量及生物活性

本研究在室溫條件下掛膜啟動。接種活性污泥初期，有少量活性污泥附著在塑料載體表面。5 d后，填料表面出現黏膜狀淺黃色的生物膜，之后顏色逐漸加深，呈現黃褐色或灰褐色，并且厚度逐漸加大。啟動后期，鏡檢顯示生物膜菌膠團結構緊密且數量較多，并先后發現累枝蟲、輪蟲等原生動物，掃描電鏡顯示微生物群體結構緊密、生物相豐富（圖8）。在試驗運行期內，缺氧生物轉鼓反應器出水SS濃度小于10 mg·L-1，填料攪動形成的水力剪切使過多的生物膜以細小懸浮物的形態排出反應器，未觀察到生物膜因過厚而導致大面積脫落造成出水懸浮物量升高的現象。

圖8 填料掛膜前后及生物膜SEM圖Fig.8 Photograph of fresh and used carriers and SEM image of biofilm

在Phase Ⅲ運行穩定期間，小試研究測定了好氧生物轉鼓填料生物膜的有機物降解活性和硝化活性。研究發現，常溫條件下生物膜有機物降解活性和硝化活性平均值分別為23.2 mg O2·(g VSS)-1·h-1和18.0 mg O2·(g VSS)-1·h-1，硝化反應底物降解速率為1.96 m g N- N·(g VSS)·h-1。這與Wang等[25]在多點進水生物流化床反應器同步硝化反硝化研究中得到的生物膜SOUR數據基本一致，表明生物轉鼓反應器生物膜活性滿足污水有機物降解及硝化需求。

3 結 論

（1）研制的生物轉鼓反應器內充MBBR填料，依靠水力攪拌，填料剪切空氣可進行充氧,氧總體積傳質系數KLa可達25.87 h-1，動力效率可達228.62 g·(kW·h)-1。在一定浸沒高度比條件下，轉鼓轉速越高，KLa越大。而轉速相同時，浸沒高度比與KLa呈負相關。通過控制轉鼓浸沒水深和轉鼓轉速，可使裝置在好氧、缺氧或厭氧條件下運行。

（2）采用生物轉鼓分段進水后置反硝化工藝處理模擬生活污水，在進水流量6 L·h-1，水力停留時間18 h，流量分配比3：1，好氧生物轉鼓反應器浸沒高度比 2/3、轉速 8 r·min-1、DO 3.0 mg·L-1，缺氧生物轉鼓反應器浸沒高度比5/6、轉速 4 r·min-1、DO 1.0 mg·L-1，進水COD、N-N和 TN濃度平均值分別為 385.0、38.0和 38.0 mg·L-1時，出水COD、N-N 和TN濃度平均值分別為36.9、2.4和7.3 mg·L-1，出水水質可滿足我國《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準要求。

（3）研制的生物轉鼓反應器具有操作簡便、氧轉移效率高、動力消耗低、生物膜更新速率快、處理效果穩定、污泥產生量少的特點，可為城鎮污水處理提供技術支持。

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