外循環(huán)生物流化床掛膜啟動研究

王澤波 嚴建華 王 飛

(能源清潔利用國家重點實驗室(浙江大學)，浙江 杭州 310027)

外循環(huán)生物流化床掛膜啟動研究

王澤波 嚴建華 王 飛

(能源清潔利用國家重點實驗室(浙江大學)，浙江 杭州 310027)

自行設計了一臺小型外循環(huán)生物流化床，并研究了該流化床處理垃圾滲濾液啟動過程中，載體填充率、曝氣量、水力停留時間(HRT)和進水碳、氮質(zhì)量比(C/N)對椰殼活性炭載體表面生物膜形成的影響。結(jié)果表明，掛膜啟動過程中較合適的條件為載體填充率5%(體積分數(shù))、曝氣量80L/h、HRT8h、進水C/N8～10。

外循環(huán)生物流化床 掛膜啟動 曝氣量 水力停留時間

流化床技術應用到污水處理方面起始于1973年JOHUS等開發(fā)出厭氧生物流化床，之后國內(nèi)外諸多學者在生物流化床領域做了大量的實驗研究，并針對不同污水水質(zhì)開發(fā)出多種不同工藝的流化床[1-3]。外循環(huán)生物流化床因其生物量大、微生物活性強、處理能力高、抗沖擊負荷能力強[4]、床內(nèi)各相混合均勻、傳質(zhì)效果好、能耗低、占地面積小等優(yōu)點成為生物膜法處理污水的一種重要工藝。與內(nèi)循環(huán)生物流化床相比，外循環(huán)生物流化床最明顯的特征是在流化床不同空間形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，無需額外安裝三相分離器就可達到較好的氣液分離效果。但其同時也存在一大缺點，即流化床掛膜啟動較困難，因為在載體循環(huán)流化過程中，會受到較大的氣、水剪切力的影響，不利于微生物固定附著，而流化床要具備較高的污水降解效果就必須保持床內(nèi)具有穩(wěn)定的高濃度生物量。針對此問題，本研究自行設計了一臺小型外循環(huán)生物流化床，對其在垃圾滲濾液處理過程中的掛膜啟動進行了研究，以確定最佳掛膜工藝操作參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實驗系統(tǒng)

自行設計的小型外循環(huán)生物流化床見圖1。主體采用有機玻璃加工而成，主床內(nèi)徑40 mm、高度1 800 mm，副床內(nèi)徑180 mm、高度為1 000 mm，旋轉(zhuǎn)分離器內(nèi)徑160 mm、高度300 mm，主床和副床由上部連接管、下部導流管連接?？?cè)莘e50 L，有效容積40 L。工作原理：廢水和曝氣分別由蠕動泵和ACO電磁式空氣壓縮機從主床底部進水口和進氣口進入，主床內(nèi)形成好氧環(huán)境，由于主床內(nèi)流體的密度小于副床內(nèi)，廢水將在主、副床間作循環(huán)流動。循環(huán)流動的液相帶動載體運動，從而使得載體也在主、副床間循環(huán)運動。雖然副床內(nèi)未曝氣，但由于液相的循環(huán)運動，流體將夾帶一小部分未從旋轉(zhuǎn)分離器溢出的氣體循環(huán)到副床，形成副床內(nèi)的缺氧環(huán)境。

圖1 外循環(huán)生物流化床示意圖Fig.1 Schematic diagram of external biological circulating fluidized bed

1.2 實驗材料

外循環(huán)生物流化床啟動階段所用廢水取自杭州某垃圾填埋場滲濾液，經(jīng)稀釋后作為培養(yǎng)基質(zhì)，主要水質(zhì)指標見表1。實驗選用椰殼活性炭顆粒作為載體，其相關物性參數(shù)見表2。接種污泥取自杭州某污水處理廠二沉池活性污泥，污泥質(zhì)量濃度約為4 000 mg/L。

表1 垃圾滲濾液主要水質(zhì)指標

表2 椰殼活性炭顆粒物性參數(shù)

1.3 實驗方法

向外循環(huán)生物流化床內(nèi)投加不同量的椰殼活性炭顆粒作為生物膜附著的載體，同時投入10 L接種污泥，使兩者充分混合，垃圾滲濾液經(jīng)稀釋后由蠕動泵控制以不同流量泵入，啟動空氣壓縮機，控制不同曝氣量進行連續(xù)曝氣，使外循環(huán)生物流化床中的載體呈流化狀態(tài)。實驗中，定時從出水孔取樣測定出水COD，并計算COD去除率。當COD去除率維持穩(wěn)定后，分別從主、副床取樣孔取得固液混合液、泥水混合液，測定相應的附著、懸浮生物量，并計算生物膜厚度。

1.4 分析方法

COD采用重鉻酸鉀氧化法，溶解氧采用JPB-607便攜式溶氧儀測定。

附著生物量及生物膜厚度[5]：取單位體積固液混合液置于干燥的坩堝(凈質(zhì)量為m3)中，于105 ℃下烘干至恒定質(zhì)量m1；然后加入1%(質(zhì)量分數(shù))NaOH溶液，邊攪拌邊加熱，使生物膜完全脫落，用蒸餾水洗滌載體數(shù)次；將此清潔載體及坩堝于105 ℃烘干至恒定質(zhì)量m2，由此得：

X=m1-m2

(1)

V=(m1-m2)/(5%×ρ水)

(2)

(3)

(4)

式中：X為單位體積固液混合液的附著生物量，g；V為濕生物量(濕生物膜含水率按95%計算)，mL；ρ水為常溫下水密度，g/mL，ρ水=1 g/mL；n為載體數(shù)量；ρs為載體顆粒真密度，g/cm3；ds為載體顆粒平均粒徑，cm；δ為生物膜厚度，cm。

懸浮生物量：取一定體積泥水混合液，用濾紙過濾，再將濾紙放在105 ℃下烘干至恒定質(zhì)量，減去濾紙質(zhì)量即為混合液中懸浮生物量。

污泥體積指數(shù)(SVI)采用體積質(zhì)量法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 載體填充率

載體在流化床中的作用是為微生物固定附著提供場所，大量微生物在載體表面聚集形成穩(wěn)定的生物膜，可明顯提高流化床內(nèi)生物量，促進廢水生物降解。流化床中投入的載體量將直接影響附著生物量，載體量大，雖然能提供更多的附著表面積，但在循環(huán)流動過程中載體顆粒間的碰撞頻率將增加，致使部分表面附著生物膜脫落，不利于流化床掛膜啟動。實驗中，設置1%(體積分數(shù)，下同)～10%的載體填充率，采用連續(xù)曝氣方式，曝氣量為80 L/h，水力停留時間(HRT)為8 h，進水碳、氮質(zhì)量比(C/N)為8左右，COD去除率隨時間的變化見圖2。連續(xù)運行2.5 d后，COD去除率均基本維持穩(wěn)定。運行4.0 d時，取樣測定附著、懸浮生物量，并計算生物膜厚度，結(jié)果見表3。

圖2 不同載體填充率下COD去除率隨時間的變化Fig.2 COD removal rate during the experiment under different carrier fill rate

當載體填充率為1%時，懸浮生物量占絕對優(yōu)勢，附著生物量只有0.3 g/L，生物膜厚度為106 μm，說明在此條件下啟動外循環(huán)生物流化床，限制附著生物量增加的主要因素是載體數(shù)量，其未能提供足夠的微生物附著所需表面積，另外，懸浮生物量較高導致出水水質(zhì)較混濁，COD去除率較低，不利于啟動；當載體填充率增加到5%時，附著生物量增加到0.8 g/L，懸浮生物量下降到0.8 g/L，此時生物膜厚度相應增加至138 μm，出水水質(zhì)較清，COD去除率達82.3%，達到啟動要求；當載體填充率增加至8%后，附著生物量雖有小幅增加，但懸浮生物量開始回升，COD去除率略有下降；繼續(xù)增加載體填充率至10%時，附著生物量反而下降至0.6 g/L，懸浮生物量增至1.2 g/L，出水COD濃度升高，此時由于外循環(huán)生物流化床內(nèi)固含率高，少部分載體顆粒堆積在主床底部未能參與循環(huán)，實驗中通過調(diào)節(jié)流量計增大曝氣量促進循環(huán)，其結(jié)果使得氣固液三相紊流加劇，載體受到氣體的剪切力增大，固體顆粒間碰撞頻率也明顯增加，致使顆粒表面生物膜開始脫落，生物膜厚度下降至121 μm，不利于生物掛膜。因此，掛膜啟動過程中較合適的載體填充率為5%。

表3 載體填充率對生物掛膜和COD去除率的影響

2.2 曝氣量

曝氣不僅提供流化床循環(huán)流動的主要動力，也為主床內(nèi)有機物的好氧生物降解和氨氮的硝化作用提供溶解氧。實驗中，載體填充率維持5%，通過流量計調(diào)節(jié)曝氣量，采用連續(xù)曝氣方式，HRT=8 h，C/N為8左右，為保證載體能完全循環(huán)流化，初始曝氣量設置為50 L/h，進水COD負荷維持在6.0 kg/(m3·d)左右。由圖3可見，5種不同曝氣量下，連續(xù)運行12 h后COD去除率基本趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定運行后，在50 L/h曝氣量下，主床內(nèi)溶解氧低至0.6 mg/L(見表4)，從而導致溶解氧因傳質(zhì)阻力不能完全穿透生物膜，造成生物膜結(jié)構松散，表層生物膜在氣、水剪切力的共同作用下開始脫落，使生物膜厚度降低，而懸浮生物由于自身結(jié)構不緊湊、流動性大，容易從環(huán)境中獲得足夠的溶解氧而大量繁殖，致使出水水質(zhì)渾濁，COD去除率較低；曝氣量從50 L/h依次增加到80 L/h的過程中，溶解氧逐漸升高，促進部分氧分子向附著在載體表面的生物膜內(nèi)層擴散，從而使得整個生物膜處于好氧環(huán)境，促進膜內(nèi)微生物生長繁殖，增加附著生物量，生物膜厚度從78 μm增加到135 μm，COD去除率也相應增加至81.3%，基本達到啟動要求；當曝氣量進一步增加到90 L/h時，雖然溶解氧再次提高，但是進水COD負荷基本維持不變，此時限制生物膜生長增厚的因素是環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的供給不足，造成膜內(nèi)微生物活性降低，結(jié)構松散，另外過量的空氣流量引起流體的劇烈擾動，對生物膜產(chǎn)生強烈的沖擊，使得生物膜厚度減小，不利于掛膜啟動。因此，在保證載體循環(huán)流化、一定生物膜厚度和COD去除率的情況下，最佳曝氣量控制在80 L/h。

圖3 不同曝氣量下COD去除率隨時間的變化Fig.3 COD removal rate during the experiment under different aeration rate

曝氣量/(L·h-1)溶解氧/(mg·L-1)生物膜厚度/μmCOD去除率/%500.67871.2601.19474.6701.511678.8802.013581.3902.612378.9

2.3 HRT

HRT延長，進水流量減小，有機負荷降低；HRT縮短，進水流量增大，需要更多動能，反應時間縮短。實驗中，載體填充率為5%，曝氣量為80 L/h，C/N為8左右，采用連續(xù)曝氣方式，通過流量計調(diào)節(jié)進水流量，從而改變HRT。由圖4可見，HRT為5、8、10 h下連續(xù)運行18 h后，COD去除率均基本趨于穩(wěn)定。當HRT為10 h時，進水有機負荷較低，此時附著生物量非常低，僅0.3 g/L(見表5)，流化床內(nèi)懸浮生物量占絕大多數(shù)，說明懸浮生物生長的競爭優(yōu)勢較大，其原因是附著生物由于受到生物膜內(nèi)傳質(zhì)阻力和底物擴散限制的影響，底物首先經(jīng)表層生物膜吸收，之后剩余部分有機物才進一步滲透到內(nèi)層生物膜，因此存在底物擴散限制的問題，而懸浮生物在流化床內(nèi)多以絮狀形式存在，體積小，結(jié)構較松散，在流動過程中可自由地與底物頻繁接觸，易于從環(huán)境中攝取有機物，因此懸浮生物的生長速率大于附著生物，但懸浮生物量的增加將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，不利于流化床連續(xù)運行；當HRT縮短至8 h，附著生物量從0.3 g/L增加到1.1 g/L，而懸浮生物量從1.5 g/L下降到0.8 g/L，載體的掛膜情況得到明顯的改善，從COD去除率來看基本滿足啟動要求；當HRT繼續(xù)縮短至5 h時，附著生物量反而下降至0.7 g/L，流化床內(nèi)懸浮生物量回升至1.2 g/L，這是由于HRT過短，使得單位時間內(nèi)進入流化床的有機物濃度過高，高濃度的有機負荷將抑制生物膜的生長，易導致生物膜脫落，造成懸浮生物量增加。由此可見，較合適的HRT應控制在8 h。

圖4 不同HRT下出水COD去除率隨時間的變化Fig.4 COD removal rate during the experiment under different HRT

HRT/h附著生物量/(g·L-1)懸浮生物量/(g·L-1)COD去除率/%100.31.576.581.10.880.250.71.277.4

2.4 進水C/N

污泥絮體是由絲狀菌和菌膠團組合而成，對于性狀良好的活性污泥而言，這兩者間有一個適當?shù)谋壤P系，如果絲狀菌生長速率遠超過菌膠團，將會導致絮體結(jié)構松散，沉淀性能下降，繼而發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象[6]。引起污泥膨脹的原因包括廢水水質(zhì)、水溫、pH、溶解氧、有機負荷等[7]。通常，判斷污泥膨脹的指標是SVI，SVI超過300 mL/g，即可認為發(fā)生污泥膨脹。本實驗采用稀釋后的垃圾滲濾液作為啟動用水，初始氨氮較高，C/N為8左右，實驗中通過投加葡萄糖和氯化銨來調(diào)節(jié)C/N，實驗中載體填充率為5%，曝氣量為80 L/h，HRT=8 h。由圖5可見，當C/N=12時，SVI最高達到321 mL/g。此時，已發(fā)生明顯的污泥膨脹現(xiàn)象，顯微觀察發(fā)現(xiàn)，生物膜表面和懸浮污泥絮體表面均纏繞有大量的絲狀菌(見圖6(a))，其原因可能是在碳源和溶解氧充足的條件下，氮源不足，導致抑制絲狀菌生長的選擇器缺乏[8]，絲狀菌的生長得不到有效抑制，大量繁殖，從而出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象。當C/N=8、10時，SVI基本穩(wěn)定在180～220 mL/g，顯微觀察發(fā)現(xiàn)，當C/N=8時生物膜表面較光滑，懸浮污泥絮體結(jié)構穩(wěn)定(見圖6(b))。當C/N=6時，環(huán)境中碳源相對較少，有機負荷較低，大部分微生物生長受到抑制，但絲狀菌

圖5 C/N對SVI的影響Fig.5 Influence of C/N on SVI

圖6 不同C/N下污泥顯微觀察(放大400倍)Fig.6 Microphotograph of sludge by different C/N (magnification of 400 times)

因其自身具有較大的比表面積，菌絲能從菌膠團中伸展出來，增加攝取營養(yǎng)的表面積(見圖6(c))，因此絲狀菌在對有機物的競爭中占有優(yōu)勢，使其數(shù)量增多，導致污泥沉降性能下降，SVI升高。由此得出，進水C/N應控制在8～10。

3 結(jié) 論

外循環(huán)生物流化床掛膜啟動過程中較合適的條件：載體填充率為5%，曝氣量為80 L/h，HRT為8 h，進水C/N為8～10。

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Researchonthebiofilmformationduringthestartofexternalbiologicalcirculatingfluidizedbed

WANGZebo，YANJianhua，WANGFei.

(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization，ZhejiangUniversity，HangzhouZhejiang310027)

An experimental external biological circulating fluidized bed was designed. The effects of carrier fill rate,aeration rate,hydraulic retention time (HRT),C/N (mass fraction) on the formation of biofilm on coconut shell active carbons during the start of the reactor were studied. The results showed the suitable condition of the start was 5% (volume fraction) carrier fill rate,80 L/h aeration rate,8 h HRT and 8-10 C/N of the influent.

external biological circulating fluidized bed; biofilm formation; aeration rate; hydraulic retention time

王澤波，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為高濃度有機廢水的生物處理。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.018

2016-01-20)