折流板水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤水力流態(tài)及啟動掛膜試驗

胡成瓊，汪思宇，呂錫武

(1. 東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096；2. 東南大學無錫太湖水環(huán)境工程研究中心，江蘇無錫 214000)

農(nóng)村生活污水高污染負荷和低處理率矛盾突出，是導致農(nóng)村地區(qū)及其周邊水環(huán)境惡化的主要原因[1]。一方面，在已有的農(nóng)村生活污水治理研究中，大多只是簡單套用城鎮(zhèn)污水處理工藝[2]，而農(nóng)村經(jīng)濟相對落后，專業(yè)技術(shù)人員極度缺乏[3]，導致污水治理不可持續(xù)；另一方面，農(nóng)村生活污水中氮磷元素是錯放的資源，農(nóng)業(yè)、種植業(yè)對氮磷營養(yǎng)鹽具有強大的需求及消納能力[4]。針對此種情況，課題組以“因地制宜、高技術(shù)、低投資與運行成本、易維護、資源化利用氮磷”為目標[5]，提出“缺氧調(diào)節(jié)池-水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤-人工濕地”生物生態(tài)組合工藝處理農(nóng)村生活污水，生物單元重點關(guān)注有機物的去除和氮磷的無機化，生態(tài)單元作為系統(tǒng)的保障單元，進一步降解有機物以及利用氮磷營養(yǎng)鹽，以期達到排放標準，以此構(gòu)建污染凈化型農(nóng)業(yè)實現(xiàn)氮磷去除和資源化利用[6]，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水治理。

以往的組合工藝中好氧單元大多集中在人工曝氣裝置，普遍存在充氧效果與運行能耗之間的矛盾[7]。生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)以其生物量大、抗沖擊負荷能力強、無需曝氣、維護管理方便等優(yōu)點，目前已被廣泛研究和應用[8]。Li等[9]、施麗君等[7]和Zha等[10]提出的水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤(waterwheel driving rotating biological contactors，wdRBC)，利用自循環(huán)水驅(qū)動水車帶動盤片轉(zhuǎn)動，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機驅(qū)動，實現(xiàn)污水跌落充氧、濺水分散充氧和轉(zhuǎn)盤盤面復氧的三重充氧效果[5]，大大降低運行能耗。

然而，張劍等[11]的研究表明，裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其形成的水力流態(tài)是水的物化處理性能的基礎(chǔ)，影響著物質(zhì)的傳輸、微生物與底物的接觸程度、反應進行的程度和效率。雖然wdRBC具有較好的充氧效果和能耗低的特點，但在實際情況中，反應器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其水力流態(tài)存在一定的短流、滯留、停留時間分布不均勻等問題，影響反應器處理效率。鑒于此，本研究通過在wdRBC的接觸反應槽內(nèi)增設(shè)折流板改進反應器結(jié)構(gòu)，開發(fā)出折流板水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤(waterwheel driving baffled rotating biological contactors，wdbRBC)，利用示蹤劑脈沖響應法[12]對改進前后反應器的水力流態(tài)進行探究，并采用快速排泥法，考察wdbRBC的掛膜啟動過程，評價改進后反應器掛膜期與穩(wěn)定期的污染物去除特性，以期為農(nóng)村生活污水組合處理工藝中好氧單元提供新選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1為wdRBC和wdbRBC的結(jié)構(gòu)示意圖，反應器的長×寬×高為620 mm×350 mm×200 mm，其中水車驅(qū)動區(qū)長為140 mm，生物轉(zhuǎn)盤區(qū)長為480 mm，反應器有效容積為25 L，盤片直徑為280 mm，間隔為20 mm，浸沒率為45%，盤片表面貼附無紡布材料，wdbRBC的水車驅(qū)動區(qū)和生物轉(zhuǎn)盤區(qū)底部相通，從左到右用高低放置的折流板將反應器分割為6個隔室。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖 (a) wdRBC；(b) wdbRBCFig.1 Schematic Structure (a) wdRBC; (b) wdbRBC

1.2 試驗用水和接種污泥

試驗模擬農(nóng)村生活污水進行人工配水，采用乙酸鈉為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鉀為磷源，用碳酸氫鈉調(diào)節(jié)堿度，并添加氯化鈣、硫酸鎂和微量元素。CODCr質(zhì)量濃度為101～150 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為28.46～40.82 mg/L，TP質(zhì)量濃度為1.89～2.46 mg/L，pH值為7.2～7.5，試驗水溫為12～18 ℃。接種污泥取自無錫市某污水廠AAO工藝好氧活性污泥。

1.3 試驗方法

流態(tài)試驗采用示蹤劑(NaCl)脈沖響應法進行清水流態(tài)試驗，通過測定反應器內(nèi)液體的停留時間分布(RTD)曲線，研究反應器內(nèi)的流態(tài)特性。首先在反應器出水口處連接電導率自動測定儀，注滿自來水后測定其電導率底值；然后在反應器進水口處瞬時注入質(zhì)量濃度為150 mg/L的NaCl溶液50 mL，設(shè)定電導率儀每1 min自動讀數(shù)并記錄，整個讀數(shù)記錄時間為反應器的3倍理論水力停留時間(HRT)。最后扣除自來水的電導率本底值后換算成NaCl的濃度[13]。

反應器掛膜啟動采用快速排泥法[14]。將接種污泥與人工模擬配水以1∶2注入接觸反應槽內(nèi)，盤片慢慢旋轉(zhuǎn)，使游離菌種附著于生物盤片上，48 h后排空接觸反應槽，之后反應器以有機模擬廢水連續(xù)進出水，以自循環(huán)水驅(qū)動水車帶動盤片轉(zhuǎn)動，維持盤片轉(zhuǎn)速為3 r/min，每日檢測進出水中COD和氨氮的濃度。

1.4 分析方法

電導率采用雷磁DDSJ-308F型電導率儀測定，COD采用哈希快速消解法(哈希消解器DRB200，哈希可見光分光光度計DR3900)測定；氨氮采用鈉氏試劑比色法測定(HJ 535—2009)；生物相檢測采用顯微鏡觀察法。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應器的水力特性

將流態(tài)試驗下的時間、電導率讀數(shù)和相對應的NaCl濃度依據(jù)式(1)～式(3)作歸一化處理，繪制反應器的RTD特性曲線(圖2)，并依據(jù)式(4)～式(13)計算主要參數(shù)值(表1)。

表1 HRT為0.5、2 h時wdRBC和wdbRBC的RTD數(shù)值分析結(jié)果Tab.1 Effect of Different Contactors on RTD Curve under HRT=0.5 h and HRT=2 h

圖2 wdRBC和wdbRBC的停留時間和累計液齡分布 函數(shù)曲線 (a) HRT=0.5 h; (b) HRT=2 hFig.2 Distribution Function Curve of Retention Time and Exit-Age of wdRBC and wdbRBC (a) HRT=0.5 h; (b) HRT=2 h

(1)

(2)

(3)

其中：θ——標準化時間；

t——示蹤劑流出反應器的時間，h；

HRT——理論水力停留時間，流量/反應器容積，h；

C(t)——t時刻反應器出水中示蹤劑的質(zhì)量濃度，mg/L；

E(t)——停留時間分布函數(shù)；

F(t)——累計液齡分布函數(shù)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

η=1-vaμa

(12)

(13)

其中：MDI——Morrill分散指數(shù)；

tμ——觀察到示蹤劑峰值的時間，h;

t10、t50、t90——10%、50%、90%示蹤劑通過系統(tǒng)的時間，h；

σt2——停留時間分布的散度；

σθ2——標準化方差；

Pe——Peclet準數(shù)；

N——串聯(lián)級數(shù)；

η——反應器死區(qū)率;

νa——E(θ)-θ曲線的平均值；

μa——θ=2時示蹤劑流出量占注入總和的比例。

由圖2和表1可知，當HRT為0.5 h時，wdRBC和wdbRBC的E(θ)曲線都是向左傾斜，但是wdRBC波峰明顯靠前且曲線拖尾嚴重。wdRBC的峰值出現(xiàn)時間和10%示蹤劑流量時間都早于wdbRBC，但90%示蹤劑流量時間遠遠晚于wdbRBC，導致wdRBC的MDI值為10.06，是wdbRBC的近4倍，平推流反應器的MDI值是1，而完全混合系統(tǒng)的MDI值大約為22[15]，說明wdRBC的HRT兩極分化嚴重，大部分液體不能集中在較短時間內(nèi)流出反應器，部分進水未經(jīng)充分反應就流出反應器。由F(θ)曲線可知，在開始階段，wdRBC的斜率遠高于wdbRBC，但是θ到了1之后，其F曲線上升幅度遠低于wdbRBC。當HRT增大到2 h時，wdRBC出現(xiàn)波峰后移，但其MDI值仍為wdbRBC的2倍多。

串級模型參數(shù)N表示反應器的流態(tài)相當于N個體積相同的理想混合反應器串聯(lián)，N值提高表明反應器理論串聯(lián)完全混合槽數(shù)的增加。當N為1時，反應器流態(tài)為單級全混流；當N趨于無窮時，反應器流態(tài)為平推流[16]。添加折流板后，反應器的N值分別由2.03提高到7.77，2.78提高到5.78。反應器的軸向混合特性一般用畢克列準數(shù)Pe表示[17]。當Pe趨于0時，對流傳遞速率較擴散傳遞速率要慢得多，為完全混合狀態(tài)；當趨于無窮時，擴散傳遞速率相對于對流傳遞速率可以忽略，即為平推流。根據(jù)郭素紅等[18]研究，當Pe>50時，流動狀態(tài)偏離推流較小；當Pe<5時，流體在流動方向上具有極大程度的分散；當Pe為5～50時，位于中間，為過渡狀態(tài)。添加折流板后，反應器的Pe從2.64上升到14.47，4.27上升到10.45。由N值和Pe值的變化可知，在接觸氧化槽內(nèi)添加折流板后，反應器整體流態(tài)從混流型向推流型轉(zhuǎn)變，局部屬于完全混合，反應器流態(tài)得到了優(yōu)化。分析原因可能是增加折流板后，流體在各自隔室內(nèi)趨于完全混合狀態(tài)，但在隔室與隔室間由于折流板限制了流體的不規(guī)則流動而呈現(xiàn)出推流狀態(tài)。

在HRT為0.5、2 h時，wdRBC的死區(qū)率分別為35.29%和28.83%，占反應器容積的1/3左右，增添折流板后反應器死區(qū)明顯減少，降低為3.10%和8.19%。該脈沖響應試驗是在自來水中進行的，反應器死區(qū)是指水力死區(qū)，主要是與反應器本身結(jié)構(gòu)相關(guān)[19]，在相同HRT條件下，wdbRBC的死水區(qū)容積率明顯小于wdRBC，說明增加折流板優(yōu)化了反應器流態(tài)，大大提高了反應器的容積利用率。

圖3為wdbRBC在不同HRT下的RTD曲線，反應器結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進后，在4個不同HRT下wdbRBC的RTD曲線比較相似，說明當HRT為1、1.5、2.5、3 h時，反應器結(jié)構(gòu)對RTD的影響一致。由表2可知，在不同HRT下wdbRBC標準化方差σ2小，平均HRT均接近理論水平，死水區(qū)容積率較低，4條曲線都沒有出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象[20]，說明wdbRBC在HRT波動范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的水力流態(tài)特性。對于某些折流板反應器，N和Pe隨著HRT的增大而增大，即反應器流態(tài)由完全混合流向平推流轉(zhuǎn)變[21]，而本試驗中N和Pe隨著HRT增大有減小的趨勢，分析原因可能是wdbRBC在各隔室間所呈現(xiàn)的推流狀態(tài)主要由水流的沖力作用所致，HRT增大意味著進水流量減小，即水流的沖力減小，故隨著HRT的增大整體流態(tài)推流特性變?nèi)酢?/p>

圖3 不同HRT下wdbRBC的停留時間和累計 液齡分布函數(shù)曲線Fig.3 Distribution Function Curve of Retention Time and Exit-Age of wdbRBC under Different HRTs

表2 不同HRT下wdbRBC的RTD數(shù)值分析結(jié)果Tab.2 Effect of wdbRBC on RTD Curve under Different HRTs

2.2 反應器的掛膜啟動

在wdbRBC啟動掛膜階段，研究了反應器對進水COD、氨氮去除率的變化，結(jié)果如圖4所示。在啟動掛膜階段，第1～10 d，COD和氨氮的去除率整體上隨時間的推移而增加，此后趨于穩(wěn)定。在掛膜的第11 d和第14 d，進水CODCr和氨氮分別出現(xiàn)了較大的波動，但并未對出水水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，說明反應器應對沖擊負荷能力較強。在平均進水CODCr為112.51 mg/L，氨氮為32.12 mg/L 條件下，出水CODCr<15 mg/L，氨氮<5 mg/L，COD和氨氮平均去除率均在90%左右，出水COD、氨氮達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，表明反應器掛膜啟動成功。根據(jù)研究成果[22-25]，本試驗掛膜啟動期間反應器水溫在12～18 ℃，屬于低溫區(qū)間，wdbRBC能在10 d內(nèi)啟動成功達到穩(wěn)定，說明反應器對水溫的具有較強的適應性，掛膜效率較高。

如圖5所示，沿進水流向方向，各隔室COD、氨氮的濃度呈遞減趨勢。COD進入反應器后迅速降低，wdbRBC第1隔室有機物去除率達59%，第1、2隔室對COD的去除起主要作用，總?cè)コ暙I率為85.32%;而第1、2隔室對氨氮的去除貢獻率低，僅為9.30%，進水氨氮去除主要發(fā)生在第3、4、5隔室內(nèi)，總?cè)コ暙I率達81.88%。從外觀上看，第1、2隔室盤片上的生物膜較厚，而后面隔室里的盤片較薄，這主要因為添加折流板后，反應器流態(tài)整體呈現(xiàn)推流式，由于盤片轉(zhuǎn)動，在每個隔室內(nèi)又趨于全混合，第1、2隔室的污水污染物濃度相對較高，污染物和微生物間的傳質(zhì)效果好，好氧異養(yǎng)菌消耗大量有機物和溶解氧，得到快速繁殖，抑制了硝化細菌的增長，故此段以有機物去除為主，在鏡檢中也發(fā)現(xiàn)第1隔室內(nèi)生物膜上長有很多絲狀菌[圖6 (a)]。而后面隔室污水中有機物含量低，氨氮含量高，異養(yǎng)菌生長受限，由于盤片轉(zhuǎn)動和空氣雙重復氧作用，使得后面隔室生物膜內(nèi)溶解氧含量增加，自養(yǎng)硝化細菌成為優(yōu)勢菌，故此段以氨氮去除為主。第6隔室能夠為反應器出水水質(zhì)的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用，鏡檢發(fā)現(xiàn)此隔室生物膜上含有大量微生物鐘蟲[圖6 (b) ]，說明系統(tǒng)出水水質(zhì)良好[26]。

圖5 wdbRBC各隔室濃度變化及去除貢獻率 (a) CODCr；(b)氨氮Fig.5 Concentration Change and Removal Contribution in Different Chambers of wdbRBC (a) CODCr; (b) Ammonia Nitrogen

圖6 wdbRBC鏡檢圖(40×) (a)第1隔室；(b)第6隔室Fig.6 Optical Microphotographs of wdbRBC's Biofilm (40×) (a) the 1th Chamber; (b) the 6th Chamber

3 結(jié)論

通過在接觸氧化槽內(nèi)添加折流板對wdRBC內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，在HRT分別為0.5、2 h時，反應器改進后N值分別由2.03和2.78提高到7.77和5.78，Pe值分別由2.64和14.47提高到14.47和10.45，死區(qū)率分別由35.29%和28.83%下降到3.10%和8.19%，說明添加折流板大大改善了反應器流態(tài)，同時使反應器的水力死區(qū)減少。

采用快速排泥法啟動wdbRBC，有機物去除主要發(fā)生在第1、2隔室，氨氮去除主要發(fā)生在第3、4和5隔室內(nèi)，wdbRBC反應器掛膜周期為10 d，在后期穩(wěn)定運行階段，出水CODCr<15 mg/L，氨氮<5 mg/L，COD和氨氮平均去除率均在90%左右，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。