彭黨聰 袁林江 張文英 王志盈
(西安建筑科技大學(xué)環(huán)境工程系)

　　摘　要 采用一種新型輕質(zhì)多孔性載體，研究了內(nèi)循環(huán)生物流化床的水力特性。結(jié)果表明，在降流區(qū)接近于推流式，而升流區(qū)接近于完全混合式，整個(gè)反應(yīng)器可以模擬為一個(gè)推流式和一個(gè)完全混合式的串聯(lián)。隨著下向流速增加，膨脹率和回流比呈正比增加。該系統(tǒng)對(duì)NH+₄-N去除率達(dá)90%以上，容積負(fù)荷最大為2kgN/(m³·d),出水穩(wěn)定，抗沖擊能力強(qiáng)。循環(huán)速度和通氣量對(duì)處理效果有較大影響。
　　關(guān)鍵詞 內(nèi)循環(huán)生物流化床 水力特性 硝化

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　生物流化床反應(yīng)器由兩根內(nèi)徑分別為60、29mm的有機(jī)玻璃管組成，內(nèi)、外兩區(qū)通水?dāng)嗝娣謩e為6.6、18.6cm²，內(nèi)、外筒的有效高度可通過空氣量及與出水槽液面高差來調(diào)節(jié)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)分別為0.95、0.9m，容積分別為0.63、1.68L，整個(gè)裝置置于25℃恒溫室內(nèi)(見圖1)。反應(yīng)器內(nèi)投置載體量為30g/L。

1.2 載體
　　載體 Perlite由法國(guó)國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究院贈(zèng)送，粒徑0.986mm，γ_真＝213kg/m³，γ_表＝154kg/m³，比表面積6980m²/m³，內(nèi)部小孔孔徑為10～100μm。
1.3 廢水成分
　　采用人工配水，主要成分為NH₄Cl和NaHCO₃，還含有少量NaH₂PO₄及微量元素。廢水中N∶P＝10∶1，pH=7.5。
1.4 分析測(cè)試與試驗(yàn)方法
　　水力動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)采用去離子水(電導(dǎo)＜2μS)清水試驗(yàn)，以NaCl為示蹤劑，脈沖輸入，一次注入0.3g/100mL，以電導(dǎo)儀測(cè)定出水中的電導(dǎo)率來代表示蹤劑濃度，以外加示蹤顏色物移動(dòng)速度測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)流速，用氣體流量計(jì)控制空氣量。
　　硝化特性試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)出水。納氏試劑比色法測(cè)定氨氮^［3］，重量法測(cè)VSS。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力特性試驗(yàn)
　　實(shí)際反應(yīng)器水力特性介于推流式反應(yīng)器(PFR)和完全混合式反應(yīng)器(CSTR)這兩種連續(xù)流反應(yīng)器的理想模式之間。對(duì)水力特性的判定可采用離散模型和完全混合反應(yīng)器串聯(lián)模型^［4、5］。離散模型中：

　　
　　式中　D--擴(kuò)散系數(shù)
　　　　　U--水流速度
　　　　　γ--反應(yīng)速率

　　對(duì)于清水試驗(yàn)γ＝0。C*＝C/C₀、_φ＝t/θ＝V_t/φ、Z*＝Z/L分別表示無量綱濃度、時(shí)間和長(zhǎng)度，代入式(1)后得到：

　　
　　式中D/UL——離散數(shù)，代表縱向混合的程度，當(dāng)其→0時(shí)為完全PFR，當(dāng)其→∞時(shí)為完全的CSTR。

　　對(duì)式（2）求解。當(dāng)返混很小時(shí)，方程的解近似于正態(tài)分布，由正態(tài)分布規(guī)律推知：

　　D/UL=1/2δ_φ^{2 　　　　　　　(3)}

　　當(dāng)返混較大時(shí)，隨機(jī)變量_φ的方差δ_φ²

　　δ_φ²=2D/UL-2(D/UL)2[1-exp(-UL/D)]　　　　　(4)

　　試解后得到δ_φ²＝δ2/t2，再由式(4)求D/UL。
　　在完全混合串聯(lián)模型中，第n個(gè)反應(yīng)器出口物料濃度為：

　　C(t)=C_n=1/(n-1)!·[C₀/θ]·(t/θ)^n-1·exp(-t/θ)

　　式中　θ——每個(gè)反應(yīng)器停留時(shí)間
　　　　　C0——初始濃度
　　該函數(shù)的隨機(jī)方差為：

　　δ_φ²=1/n　　　　　　　(5)
　　n=1時(shí)為完全CSTR；n→∞時(shí)則為PFR；可根據(jù)C(t)曲線的δ_φ²值確定串聯(lián)級(jí)數(shù)n。

　　為了排除干擾便于確定，通常采用上述清水試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砼袛喾磻?yīng)器水力特性，此特性不會(huì)隨水質(zhì)變化而變化。該反應(yīng)器在處理廢水時(shí)，載體上已掛上生物膜，載體顆粒性質(zhì)與清潔載體相比略有不同，但不影響反應(yīng)器水力特性，因此首先測(cè)定了清水條件下該反應(yīng)器水力特性。按不同膨脹率下清水示蹤劑試驗(yàn)結(jié)果分析：① C(t)曲線呈明顯的周期變化，這一點(diǎn)與反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)特性相吻合；②曲線的Ⅰ周期明顯與其他各個(gè)周期不同，其方差遠(yuǎn)小于其他各個(gè)周期。這是由于Ⅰ周期所顯示的是示蹤劑單純經(jīng)過降流區(qū)后的濃度變化情況，它代表了降流區(qū)內(nèi)流體的流動(dòng)特征；而其他各個(gè)周期代表了流體流經(jīng)降流區(qū)后的綜合結(jié)果。由此判斷，升流區(qū)和降流區(qū)的水力特性存在差異。
2.1.1 降流區(qū)的水力特征
　　對(duì)Ⅰ周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，根據(jù)式(3)～(5)，分別對(duì)各膨脹率下的C(t)曲線進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 不同膨脹率下降流區(qū)的離散數(shù)和串聯(lián)級(jí)數(shù)

E（%）	20	32	40	50	70	80
	0.132	0.056	0.137	0.092	0.081	0.091
D/UL	0.070	0.028	0.074	0.046	0.041	0.046
n	7.6	17.9	7.3	10.9	12.3	11.0

　　從計(jì)算可以看出，降流區(qū)的離散數(shù)均<0.1，串聯(lián)級(jí)數(shù)幾乎都>10，據(jù)此可以判斷降流區(qū)水力特性以推流式為主。
2.1.2 升流區(qū)的水力特征
　　從前面的分析可知，C(t)曲線從Ⅱ周期開始代表的是示蹤劑流經(jīng)升流區(qū)和降流區(qū)后的縱向離散，并且是以上一次降流區(qū)的流出信號(hào)作為輸入信號(hào)，因此很難對(duì)其作理論上的精確計(jì)算，但各個(gè)周期示蹤劑縱向擴(kuò)散逐次疊加的程度可以由各周期隨機(jī)變量方差的變化體現(xiàn)出來，由此可以作相對(duì)的比較。
　　仍采用前面的計(jì)算公式，以E＝80%為例，各周期隨機(jī)變量φ的方差計(jì)算結(jié)果如表2。

　　由表2可見，Ⅱ～Ⅴ各周期t和δ_φ²變化不大，說明此區(qū)水力特性近乎于完全CSTR，其余各個(gè)不同膨脹率下計(jì)算結(jié)果與此相同。
　　因此，整個(gè)反應(yīng)器可視為一個(gè)PFR與一個(gè)CSTR的串聯(lián)，這與文獻(xiàn)［2］推測(cè)的內(nèi)循環(huán)為兩個(gè)CSTR串聯(lián)而成的報(bào)道不同，其原因可能是由于所用載體及反應(yīng)器體積不同所致。在反應(yīng)器中，生化反應(yīng)在降流區(qū)中進(jìn)行，此區(qū)的推流式水力特性與CSTR在相同容積和HRT時(shí)相比效率更高，而升流區(qū)的完全混合式水力特性也對(duì)此區(qū)進(jìn)行的脫膜和充氧有利，因此該反應(yīng)器較一般反應(yīng)器更具優(yōu)點(diǎn)。
　　圖2、圖3是膨脹率與下向流流速和回流比的關(guān)系，可見下向流速增加，膨脹率呈正比增加，相應(yīng)回流比也同步增加。雖然下向流速過大或過小都使離散數(shù)增大(見表1)，但仍可通過膨脹率來調(diào)節(jié)流速和回流比。

2.2 反應(yīng)器硝化特性
2.2.1 進(jìn)出水氨氮?dú)v時(shí)變化
　　當(dāng)系統(tǒng)掛膜成功后，階梯式提高進(jìn)水NH⁺4-N濃度，測(cè)定系統(tǒng)出水氨氮濃度。從結(jié)果來看，進(jìn)水NH⁺4-N濃度在150mg/L以下，出水濃度為0～5mg/L；進(jìn)水濃度達(dá)第一沖擊平臺(tái)220mg/L時(shí)，出水仍可維持在25mg/L以下；進(jìn)一步增加進(jìn)水濃度達(dá)到第二平臺(tái)350～400mg/L時(shí)，出水NH⁺4-N為25～100mg/L，效果變差；進(jìn)水超過系統(tǒng)的處理極限(400mg/L)后，生物膜被完全破壞，出水濃度急劇增加?？梢娫摲磻?yīng)器對(duì)氨氮具有良好處理效果，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，出水穩(wěn)定。
2.2.2 投配負(fù)荷和進(jìn)水濃度對(duì)去除負(fù)荷和去除率的影響
　　從圖4、圖5可見，隨著投配負(fù)荷的增加，去除負(fù)荷呈直線增加，當(dāng)達(dá)到2kgN/(m³·d)時(shí)，去除負(fù)荷也增加到最大值1.9kgN/(m³·d)；再增加投配負(fù)荷，去除負(fù)荷則急劇下降。從去除率看，當(dāng)投配負(fù)荷增加到1.2kgN/(m³·d)時(shí),去除率由90%增到約98%，達(dá)到最大，之后隨投配負(fù)荷增加而下降，當(dāng)達(dá)到2.5kgN/(m³·d)時(shí)，去除率僅為40%左右。投配負(fù)荷維持在2kgN/(m³·d)以下時(shí)，可保持N去除率在90%以上。
　　在內(nèi)循環(huán)流化床中，循環(huán)流量遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量，廢水進(jìn)入反應(yīng)器后立即得到良好稀釋，因此，進(jìn)水濃度和投配負(fù)荷對(duì)去除負(fù)荷和去除率的影響相同，進(jìn)水濃度的提高歸結(jié)于進(jìn)水投配負(fù)荷的增加。本系統(tǒng)的適宜投配負(fù)荷為1～2kgN/(m³·d)，極限負(fù)荷為2.5 kgN/(m³·d)，相對(duì)于普通活性污泥法硝化段容積負(fù)荷0.1kgN/(m³·d)和普通流化床硝化段負(fù)荷0.3～0.4kgN/(m³·d)而言^［6］增加了數(shù)倍，具有較高的效率。

2.2.3 曝氣量對(duì)去除率的影響
　　不同曝氣量下投配負(fù)荷與去除率關(guān)系見圖6。當(dāng)曝氣量由40L/h增至60 L/h時(shí)，相同投配負(fù)荷下去除率沒有明顯差異，但當(dāng)曝氣量增至80L/h時(shí)，去除率降低。硝化過程是絕對(duì)好氧過程，在本系統(tǒng)中，曝氣一方面是為了向水中載體增氧，另一方面是為了使載體流化，產(chǎn)生內(nèi)外循環(huán)和脫膜。經(jīng)測(cè)定在反應(yīng)器內(nèi)DO分別為2.9、3.5、4.3mg/L時(shí)，均可滿足好氧硝化需要。但供氣量低于40 L/h時(shí)，載體不能完全流化，去除率低；達(dá)到80L/h時(shí)，水力剪切作用強(qiáng)，造成生物膜大量脫落和膜變薄，降低了反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度，致使去除率下降；40～60L/h的曝氣量均可滿足反應(yīng)器正常要求，最小維持在40L/h。
2.2.4生物膜厚度對(duì)反應(yīng)器效率的影響
　　載體上生物膜厚度不但影響到反應(yīng)器內(nèi)生物量的多少，同時(shí)也影響到O₂的傳遞和污染物吸附與降解過程，生物膜過薄和過厚都會(huì)降低去除率。通過該系統(tǒng)中載體的電鏡掃描照片可見，最佳負(fù)荷下載體的部分微孔內(nèi)生長(zhǎng)有生物膜，但仍有很多孔隙未長(zhǎng)明顯的膜；高負(fù)荷下［2kgN/(m³·d)］載體的生物量略多于前者。在載體Perlite上的生物膜是非連續(xù)的，且為很薄的微膜，這與一般載體上生物膜的厚度概念有一定差異^［7］。經(jīng)110℃和650℃下烘干減重表明，載體生物量可達(dá)10～14g/L。

2.2.5 膨脹率和回流比對(duì)系統(tǒng)硝化的影響
　　從水力特性試驗(yàn)中可知，該反應(yīng)器下向流速、回流比均與膨脹率呈正相關(guān)。而流速大小又會(huì)影響到膜的脫落與厚度，所以可通過控制膨脹率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硝化能力，結(jié)果見圖7。膨脹率增加，系統(tǒng)的投配負(fù)荷和去除率增加，但過大的膨脹率易使載體破碎，因此本系統(tǒng)可采用的最大膨脹率為100%。

3 結(jié)論

　?、?采用輕質(zhì)載體的內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器，升流區(qū)水力特性接近于完全混合式，降流區(qū)水力特性接近于推流式，整個(gè)反應(yīng)器可以模擬為一個(gè)CSTR與一個(gè)PFR的串聯(lián)。生化反應(yīng)區(qū)(外筒降流區(qū))和充氧脫膜區(qū)(內(nèi)筒升流區(qū))水力特性的不同有利于提高反應(yīng)器性能。
　?、?該反應(yīng)器下向流速、回流比與膨脹率呈正相關(guān)，因此可以通過控制膨脹率簡(jiǎn)便地調(diào)節(jié)流速及回流比。
　　③ 該反應(yīng)器對(duì)氨氮有較高的去除率，容積負(fù)荷高，抗沖擊能力強(qiáng)、出水穩(wěn)定，效率高。
　?、?該反應(yīng)器最大膨脹率為100%，通氣量最小可取40L/h，投配負(fù)荷最大可達(dá)2kgN/(m³·d)。

參考文獻(xiàn)

　　1 周平等.內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器的理論分析.環(huán)境科學(xué)，1995；16(2)：88～90
　　2 王世和等.三相生物流化床去除有機(jī)物的混合與傳遞過程分析.城市環(huán)境與城市生態(tài)，1991；4(4)：14～18
　　3 國(guó)家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1988
　　4 許保玖.當(dāng)代給水與廢水處理原理.北京：高等教育出版社，1990
　　5 王乃忠等.水處理理論基礎(chǔ).成都：西南交通大學(xué)出版社，1988
　　6 章非娟.生物脫氮技術(shù).北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1992
　　7 王世和等. 生物流化床水處理基本特性研究.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1991；11(4)：290～295

　　作者簡(jiǎn)介：彭黨聰 男 41歲 副教授 主要從事水污染控制工程教學(xué)與研究工作
　　通訊處：710055 西安市雁塔路13號(hào) 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境工程系
　　電　話：(029)2202727
　　(收稿日期 1998-12-01)