移動床生物膜反應器填料流化影響因素研究

李邵博

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司,山東 青島 610065）

移動床生物膜反應器填料流化影響因素研究

李邵博

（青島市市政工程設計研究院有限責任公司,山東 青島 610065）

結合移動床生物膜反應器（MBBR）中影響填料堆積和填料不均勻流化問題的主要因素進行了試驗研究,討論了曝氣系統、填料投配比對填料流化狀態的影響。結果表明,穿孔曝氣管曝氣系統對填料均勻程度影響極大。填料流化程度在隨氣水比的變化會發生突變,隨著填料投配率增大,發生流化的氣水比也增大；在發生突變時,填料的流化比為60%～70%。當氣水比大于6∶1時,填料的流化程度較好。相同投配比下增大曝氣強度有助于緩解填料的堆積。

污水處理廠；曝氣系統；填料流化；堆積；投配比

1 概述

在深圳羅芳污水處理廠深度改造工程中采用移動床生物膜反應器（MBBR）工藝,在實際應用中,MBBR有許多問題并沒有解決[1]。如曝氣池經常出現由于整個池內進氣分布不均勻而導致的局部填料堆積現象。萬田英等[1]人提出通過池型做水力特性計算來改進進氣管路的布置和優化池內曝氣頭的分布的方法,以達到均勻曝氣的目的。H.Фdegaard[2]等人也指出合理地設計好氧池的尺寸和篩網的規格對MBBR工藝的最佳運行是非常重要的。反應器中亦可引入導流板來改善此問題,或者通過導流板的強制循環來解決池內死角的問題[3]。

填料投配比會影響填料的流化（指填料在水中運動,不漂浮不沉淀）狀態,當填料填充率過大時會影響其在水中的流化程度,降低氧的傳遞和利用,從而影響處理效果。劉騰[4]等人通過試驗研究,發現填充率30%和水力停留時間10 h為磁性球形填料MBBR處理污水的最優工藝參數組合。此外,曝氣量也會影響填料的運行,增大氣水比有利于減少填料在池底的堆積,提高反應池處理效率。針對上述問題,本文進行了一系列關于MBBR工藝的水力學特性試驗,以探討曝氣對填料流化等問題的影響。

2 試驗過程

2.1 試驗模型

本次試驗模型僅模擬MBBR反應池好氧區域。試驗模型按重力相似準則設計,長度比尺采用1∶20（λl=20）,試驗中填料采用ABS聚乙烯塑料顆粒來模擬掛膜后的懸浮填料（其密度在1.0 kg/m3左右）。ABS聚乙烯塑料顆粒平均密度為1.02 kg/m3,直徑為2～3 mm(該直徑是對原k3填料按模型長度比尺縮放后得到的)。

池內曝氣管采用穿孔曝氣管,管徑15 mm,曝氣孔直徑1.5 mm。曝氣管在整個曝氣池中均勻布置,池內空氣由ZB-0.25/8型空壓機供給,空氣量由空壓機排氣口的閥門調節,空氣量由玻璃轉子流量計測定。池內水由水泵通過高位水池循環供給,進水流量由三角堰堰上水頭控制。試驗模型平面尺寸如圖1所示。

圖1 試驗模型平面尺寸圖

2.2 模型設計水量Q模及流速V模確定

原型曝氣池總的進水量由上一級處理構筑物流入水量、混合液回流量和內回流水量組成?？偹縌原為

Q原=1.39÷2+0.35×2+0.52×2=2.435（m3/s）

根據重力相似準則,模型流量為

Q模=Q原/λ2.5=Q原/202.5=0.001 36（m3/s）

此設計流量下堰上水頭約為6.25cm。

模型平均流速為

式中:A為模型進水口面積。

2.3 試驗研究方法

本試驗通過觀察填料在不同的曝氣工況下的運動狀態,來確定曝氣系統對填料的影響。試驗中,根據曝氣強度、填料有無掛膜、是否攪拌分為以下幾個大工況,見表1。

表1 本試驗研究工況

此外,以上工況中凡是有曝氣的狀態下,再根據曝氣強度的不同分成幾個二級工況,即考察不同氣水比下填料的運動；在每種工況下,用可以連拍的高頻數碼相機（每秒可達120張）記錄填料的運動狀態,以便找到曝氣系統中影響填料運動的關鍵因素以及優化曝氣系統的方法。

試驗中使用秒表和數碼相機自帶系統時間進行時間記錄,在試驗水槽長度方向黏附一根鋼卷尺的方法來進行位置記錄。描述填料運動狀態的指標有以下幾種:懸浮、沉淀、運動。

3 曝氣系統優化試驗現象及討論

本試驗在不考慮曝氣系統對生化反應影響的前提下,著重確定曝氣系統對填料流化的影響,此次研究過程從以下幾個方面討論。

3.1 曝氣系統布置方式對填料流化的影響

在試驗中,當曝氣管布置較稀疏時（單個曝氣廊道只安置2條曝氣總管）,池內氣泡只在池內局部地方分布,曝氣不能影響到全池范圍內（見圖2）,填料基本懸浮不動,甚至會出現部分填料下沉的現象。這說明,曝氣管之間的距離對填料流化與曝氣有著直接的聯系。而在某種曝氣強度下,多大的曝氣管距離能夠使得填料不下沉,則需要后續的試驗研究來完成。

圖2 過大的曝氣管距離

此外,曝氣管布置的傾斜度對曝氣的均勻程度有明顯影響。在曝氣量較小的工況下尤其明顯。因此,在利用穿孔管曝氣的系統中應盡力維持曝氣管的水平；另外試驗證明縮短曝氣支管的長度是一種行之有效的方法。

3.2 曝氣強度對填料流化的影響

曝氣強度對填料流化的影響并不是一個簡單的線性關系。曝氣強度的變化對不同的填料投配比（填料體積和水的體積之比）有著不同的影響,而同一投配比下其對曝氣強度的敏感段是不同的。曝氣強度的增大使填料流化比例也隨之增加,不管填料的投配比是多少,都滿足這個趨勢（見表1）。這就說明,曝氣強度的增大對填料的均勻分布有著積極的影響。試驗結果顯示,較小的氣水比條件下（小于3∶1）,全池曝氣區的曝氣均勻程度不佳,池內會形成局部的曝氣強度強區和弱區,填料會滯留在相對曝氣弱區；另外從圖3可以直觀地看出,在投配率為30%而氣水比大于5.0時,大于70%的填料處于流化狀態；而氣水比在6.38時80%的填料處于流化狀態。試驗表明,MBBR工藝中氣水比不應小于5.0。深圳羅芳污水廠MBBR工藝中的設計氣水比為5.0,那么在此工藝中適當地增加水下推進器以增強填料流化是合適的。

從圖3還可以看出,不管是15%的投配比還是40%的投配比,其填料流化都有一個突躍段: 15%的投配率時發生突躍的氣水比段是3.19～4.21；30%時為4.97～5.64；40%時為5.64～6.38,如圖4所示。發生突躍說明在此曝氣強度內改變曝氣量會對填料的流化產生劇烈影響,而當曝氣強度高于突躍段的高端時曲線變化就會緩和,并且處于突躍段高端曝氣強度下填料的流化比都在60%～70%（見圖3）。因此在實際應用中,為使得填料流化均勻且流化比例較好,曝氣強度以越過突躍段為佳。中試試驗研究結果表明,在采用穿空管曝氣的情況下,過大的曝氣強度會引起強烈的攪拌,不利于生物的生長。中試測得氣水比在6∶1左右時取得了良好的出水效果。

3.3 曝氣對填料堵塞的影響

圖3 不同曝氣強度對填料流化的影響

李月等[5]研究表明高于或低于某個范圍的曝氣量均認為不合適。當曝氣量小于60 L/h時,填料在反應器內移動困難,無法形成正常流化狀態；當曝氣量大于240 L/h時,填料在反應器內運動十分劇烈,部分填料甚至被底部飛速的氣泡頂出反應器。這種現象在我們的試驗中也有所發現:投配比在15%時,試驗槽出口篩網上已經黏附很多填料；在投配比為30%時,填料的過分擁擠已經造成試驗段內水位上升很快并造成池內水溢流。為了說明這一現象,我們用試驗段水位與試驗段后輸水槽的水位差變化來表達這一過程。在圖4中,40%的投配率下的水位差曲線明顯高于30%的投配率下的水位差曲線,這就說明在相同的曝氣強度下,當增加投配率填料的流化速率降低,流化比例也降低,而篩網的堵塞現象更加嚴重。此外,在相同的投配比下,增加曝氣強度可以加強填料的流化效果,減輕填料的堵塞現象。這種現象在50%投配比下表現的也很明顯,在50%投配比下,氣水比在7.19時兩槽的水位差超過1.9 cm；當氣水比在6.13時,兩槽的水位差超過2.0 cm,此時由于大量的填料劇烈翻滾而溢出試驗水槽,使得試驗無法進行。這一現象在中試試驗研究中也成為妨礙曝氣池正常運行的瓶頸。運行中,在池末端增大曝氣強度確實有助于減輕填料的堆積,但并沒有起到決定性的作用,在中試中最終通過安裝機械隔柵有效解決。

圖4雖然表明,在增大投配比的條件下增大曝氣強度有利于填料的流化,但是應該注意到MBBR工藝中曝氣強度并不是越大越好。在圖2中我們也看到,在曝氣達到一定階段后,增大曝氣強度使填料流化狀態的變化并不明顯。而增大相應的曝氣強度所消耗的能耗卻是可觀的[6]。同時,從生物處理的角度出發,過大的曝氣強度并不利于生物處理的有效進行。因此,當MBBR工藝中出現填料堆積時,單純地增大曝氣強度并不是最優選擇。

圖4 不同頭配比下的試驗水槽前后水位差變化

4 結語

試驗中通過改變填料填充比以及曝氣強度,觀察不同工況下填料的流化狀態得到以下結論:

（1）在無曝氣無攪拌工況下,ABS以推流的形式向池末端運動,運動相當緩慢,但是在池末端沒有填料堆積的現象。

（2）曝氣量的大小對填料的流化程度影響很大,較小的氣水比條件下（小于3∶1）,全池曝氣區的曝氣均勻程度不佳,池內會形成局部的曝氣強度強區和弱區,填料會滯留在相對曝氣弱區,并且填料的流化率很?。辉囼灡砻鳟敋馑却笥?∶1時,填料的流化程度較好。中試測得氣水比在6∶1左右時能取得良好的出水效果。

（3）填料流化比在隨氣水比的變化會發生突躍,在填料投配率為15%、30%、40%時發生突躍的氣水比段分別是 3.19～4.21、4.97～5.64、5.64～6.38；在突躍段,填料的流化比在60%～70%。

（4）在氣水比大于6∶1時,投配率不大于50%范圍內的填料都能在池中流化；相同曝氣強度下,投配率越大,流化狀態越差。填料的投配率不宜大于70%,在50%時最為合適。

（5）相同投配比下增大曝氣強度有助于緩解填料的堆積。但是沒有根本解決,在中試中采用曝氣池安裝機械隔柵的方法最終解決此問題。

（6）氣池曝氣管的安裝情況會影響曝氣的均勻程度,尤其是穿孔管稍微傾斜都會造成氣泡的集聚。因此,在安裝過程中一定要保持穿孔管水平,增大氣壓也會增加曝氣的均勻程度。

[1]萬田英,李多松.MBBR工藝及其運行中易出現問題的探討[J].電力環境保護,2006,22（1）:35-36.

[2]ФDEEGAARD H．Advanced compact wastewater treatment based on coagulation and moving bed biofilm processes[J]． Water Science and Technology,2000,42（12）:33-48．

[3]樓菊青.新型移動床生物膜反應器水力特性的研究[J].環境科學與技術,2007,30（9）:31-35．

[4]劉騰.磁性球形填料MBBR處理城市生活污水的試驗研究[D].鎮江:江蘇大學,2014.

[5]李月,張宇雷,吳凡,等．移動床生物膜反應器處理低濃度氨氮養殖廢水試驗[J]．漁業現代化,2014,41(4):11-16.

[6]楊紅．A/A/MBBR工藝在污水處理廠改造中的應用研究[D]．北京:中國地質大學,2006.

X703

A

1009-7716（2017）07-0259-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.079

2016-03-30

李邵博（1983-）,男,河北石家莊人,工程師,從事市政給排水設計工作。