三相生物流化床中生物膜厚度研究
摘要：通過 工業(yè) 規(guī)模的三相生物流化床試驗(yàn),，探討了載體表面生物膜厚度與有機(jī)物去除速率、容積負(fù)荷及污泥濃度等傳統(tǒng)參數(shù)之間的必然聯(lián)系,，證實(shí)了生物膜厚度是描述反應(yīng)器行為的關(guān)鍵參數(shù),，揭示了三相生物流化床高處理效率的實(shí)質(zhì)是微生物濃度高，并得出最佳膜厚為90～110μm,。
關(guān)鍵詞：污水處理 三相生物流化床 生物膜厚度 去除效率
三相生物流化床是70年代才開始 發(fā)展 起來的一種新興污水好氧處理工藝,。與其他生化處理工藝相比，高處理效率是其最具競爭力的特點(diǎn),。
本文在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,，通過考察生物膜厚度(指濕生物膜厚度，下同)與處理效率之間的必然關(guān)系,，揭示了生物流化床高處理效率的本質(zhì),。
1 試驗(yàn)原理和 方法
當(dāng)載體的材質(zhì)和粒徑確定以后，載體表面生物膜的厚度決定了載體顆粒在水中的沉降特性,，從而決定了床層的膨脹高度[1],。另一方面，當(dāng)載體的粒徑和數(shù)量確定以后,，生物膜的厚度決定了反應(yīng)器中微生物的濃度,，而微生物濃度與處理效率密切相關(guān)。因此,，生物膜厚度是聯(lián)系生物流化床流體力學(xué)特性和生化反應(yīng)動力學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù),。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)已知污水的水質(zhì)水量時(shí),，需要確定一個(gè)合適的生物膜厚度,，使其能滿足處理效率上的要求，由此再確定床層的膨脹高度,。
載體表面所生長的生物膜一般由兩部分組成：靠近載體表面的部分稱為惰性生物層,，這部分微生物由于難以獲得食料，活性差，基本不參與生化反應(yīng);包裹于惰性層外面的叫活性生物層,，有機(jī)污染物的去除主要依靠這一層中的微生物,。液相主體中的基質(zhì)通過水膜進(jìn)入活性生物層并在該層內(nèi)擴(kuò)散的速率直接 影響 著生化反應(yīng)的速率，也就影響了流化床的處理效率,。Andrews認(rèn)為[2],，在穩(wěn)定狀態(tài)下生物膜中不存在基質(zhì)的累積，他假設(shè)生物膜為一平面薄膜并忽略液相傳質(zhì)阻力,，這樣
D(d2S/dω2)-r'=0 (1)
式中 D——基質(zhì)在生物膜中的擴(kuò)散系數(shù)
S——膜中基質(zhì)的濃度
ω——距載體表面的距離
r'——單位體積生物膜消耗基質(zhì)的速率
由此導(dǎo)出了生物膜中基質(zhì)濃度分布的數(shù)學(xué)模型并得到如下結(jié)論：單位體積生物膜吸收基質(zhì)的速率隨生物膜厚度的增加,，先增大后減小，其間存在最大值,，最大吸收速率對應(yīng)的生物膜厚為最佳膜厚,。
直觀上，當(dāng)生物膜厚較小時(shí),，所有的生物膜都是活性的，這時(shí)生物膜量的增加當(dāng)然會使處理效率增大,。當(dāng)膜厚增大到大于最佳膜厚時(shí),，盡管生物膜的總量仍在增大，但活性卻降低很快,，造成處理效率下降,。由此可見，生物膜厚度并不是越大越好,。在兩相生物流化床中,，一般是通過專門的脫膜設(shè)備來控制生物膜厚。由于膜厚決定了床層膨脹高度,，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中,，控制床層高度就達(dá)到了控制膜厚的目的。在三相床中,，由于反應(yīng)器內(nèi)氣泡的攪動,，水力紊動劇烈，生物膜表面更新快,，在進(jìn)水濃度不是很高時(shí),，一般不需專門的脫膜設(shè)備，而是在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置沉淀區(qū)以去除剩余污泥,。在這種情況下,，床內(nèi)穩(wěn)定生物膜厚通常不會大于最佳膜厚。所謂穩(wěn)定生物膜厚,，是指生物膜的增長速率與內(nèi)源呼吸,、水力沖刷等因素造成的生物膜減少速率相等時(shí)的膜厚。
在試驗(yàn)中，用不同水質(zhì)水量的原水得到不同的穩(wěn)定膜厚,，以考察處理效率與膜厚的關(guān)系,。試驗(yàn)在直徑為1.4 m、高6.5 m的工業(yè)裝置上進(jìn)行,，采用射流曝氣(圖1),。載體為直徑0.3～0.5 mm、體積質(zhì)量2.63 g/cm3的石英砂,，裝填高度為0.6 m,。床內(nèi)表觀液速0.954 cm/s，表觀氣速0.42 cm/s,，回流水量為14.7 L/s,。進(jìn)水水量水質(zhì)的改變是通過調(diào)節(jié)清水和污水的配比來實(shí)現(xiàn)的，水質(zhì)變化由低濃度到高濃度,。
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),，當(dāng)進(jìn)水的水量水質(zhì)改變以后(約需10 d)，床層的膨脹高度便穩(wěn)定在固定值,，說明這時(shí)生物膜的厚度也達(dá)到了穩(wěn)定,，所以選擇各次試驗(yàn)的時(shí)間間隔為15 d左右。
生物膜厚度是通過帶刻度的顯微鏡測量顆粒的直徑而得到的[3],。從樣品中隨機(jī)選取50粒包裹了生物膜的載體,，用顯微鏡測得每一粒的直徑di，則平均粒徑由下式 計(jì)算 ：
d=Σdi3/Σdi2 (2)
而生物膜厚度為：
δw=(dp-dm)/2 (3)
式中 dp——包裹了生物膜的載體的平均粒徑
dm——石英砂載體的平均粒徑
dp,dm用同樣方法測定,。
2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
試驗(yàn)結(jié)果見表1,。需要說明的是，在計(jì)算表中各參數(shù)時(shí),，反應(yīng)器的有效容積是指床層膨脹高度HB乘以床層截面積,。表中微生物濃度X根據(jù)干生物膜的厚度和體積質(zhì)量計(jì)算，而干生物膜是濕生物膜經(jīng)濾紙吸干后 自然 風(fēng)干2h得到的,。
|
日期
|
1995-11-05
|
1995-11-23
|
1995-12-07
|
1995-12-20
|
|
濕生物膜厚δw(μm）
|
52
|
80
|
115
|
137
|
|
進(jìn)水流量Q（L/s）
|
4.23
|
6.35
|
6.29
|
5.08
|
|
BOD5進(jìn)水濃度（mg/L）
|
47.6
|
63.9
|
70.0
|
77.2
|
|
BOD5出水濃度（mg/L）
|
12.5
|
18.6
|
17.6
|
7.5
|
|
BOD5去除率（%）
|
74
|
71
|
75
|
90
|
|
COD進(jìn)水濃度（mg/L）
|
102
|
130
|
140
|
152
|
|
COD出水濃度（mg/L）
|
29.3
|
29.3
|
52.3
|
38.1
|
|
COD去除率（%）
|
71
|
77
|
63
|
75
|
|
干生物膜厚度δd(μm）
|
4.50
|
7.50
|
10.5
|
11.5
|
|
干生物膜密度ρfd(g/cm3)
|
1.44
|
1.41
|
1.46
|
1.34
|
|
床層膨脹高度HB（m）
|
1.85
|
2.59
|
3.86
|
4.80
|
|
微生物濃度X（g/L）
|
11.4
|
16.2
|
17.1
|
14.1
|
|
BOD5去除速率r(kg/d）
|
12.8
|
24.8
|
28.5
|
30.6
|
|
容積負(fù)荷Fv[kg/m3.d)
|
4.50
|
6.25
|
4.80
|
4.14
|
|
污泥負(fù)荷Fs[kg/(kg.d)]
|
0.395
|
0.386
|
0.281
|
0.294
|
|
回流比R（%）
|
348
|
231
|
234
|
289
|
|
停留時(shí)間HRT（min）
|
11
|
10
|
16
|
24
|
3 結(jié)論
① 三相生物流化床是一種高效的污水處理工藝
本試驗(yàn)中,，污水流量為4.23～5.08 L/s，濃度為47.6～77.2 mgBOD5/L時(shí),，去除率達(dá)71%～90%,，體積負(fù)荷4.14～6.25 kgBOD5/(m3·d)，且停留時(shí)間僅10～24 min,。
② 污染物去除速率與膜厚的關(guān)系
從圖2中看到,，當(dāng)膜厚δW增大時(shí)，反應(yīng)速率r也增大,，但當(dāng)膜厚增大到140 μm左右時(shí),，反應(yīng)速率不再增大,，最高反應(yīng)速率出現(xiàn)在膜厚為120～140 μm時(shí)。
③ 容積負(fù)荷與膜厚的關(guān)系
當(dāng)膜厚δW<140 μm時(shí),，δW的增大導(dǎo)致了r和HB同時(shí)增大,，但從圖2可以清楚地看出，r和HB的增長率正好有相反的趨勢,，即r曲線是凸向的而HB曲線是凹向的,，因此FV必然存在峰值，峰值出現(xiàn)在δW=90 μm時(shí),。當(dāng)δW>90 μm時(shí),，F(xiàn)V開始急劇下降，盡管這時(shí)去除速率r仍在增大,，但是顯然其增大是以更大地增加反應(yīng)器容積為代價(jià)的,。因此，相對于去除速率而言膜厚達(dá)到最佳時(shí)(δW=130～150 μm),，從投資的角度講卻并不是最佳,。綜合這兩方面，我們認(rèn)為在本試驗(yàn)所用載體情況下,，δW以90～110 μm為宜,，對應(yīng)的r不應(yīng)超過30 kg/d。
事實(shí)上,，限制膜厚也就限制了進(jìn)水的水量水質(zhì)。當(dāng)進(jìn)水水量較大,、濃度較高時(shí),，應(yīng)增大載體的粒徑以減小床高，從而節(jié)省投資,。對0.3～0.5 mm的石英砂載體,，適用的進(jìn)水水量不超過6.3 L/s(544 m3/d)，進(jìn)水BOD5不超過75 mg/L,，水量較小時(shí)可適當(dāng)增大濃度,，但應(yīng)使r<30 kg/d為宜。
④ 微生物濃度和污泥負(fù)荷與膜厚的關(guān)系
當(dāng)生物膜厚小于最佳膜厚時(shí),，生物膜的活性較高,，這時(shí)用反應(yīng)器中干生物膜的量來反映活性微生物的濃度是合理的。盡管隨膜厚的增大床層中微生物的總量有所增加,，但是同時(shí)床層的體積也因床高的增大而增大,，因此在圖3中，當(dāng)生物膜厚增大到一定數(shù)值(100 μm左右)后,，再繼續(xù)增大δW則X反而下降,。這里也可以看到膜厚宜選擇在100μm左右。
與普通活性污泥法相比，三相生物流化床的容積負(fù)荷與污泥濃度均有較大提高,，但換算成污泥負(fù)荷以后,，卻未見明顯增大。這說明三相生物流化床中單位生物量分解有機(jī)物的能力并沒有明顯提高,?？梢哉f，三相生物流化床處理污水的高效性主要是由于反應(yīng)器內(nèi)具有較高的生物濃度所致,，而流態(tài)化操作方式所創(chuàng)造的良好傳質(zhì)效果則是維持反應(yīng)器內(nèi)較高生化反應(yīng)速率的必要條件,。
參考 文獻(xiàn)
1 潘濤等.三相生物流化床膨脹特性方程的 研究 .環(huán)境 科學(xué) ，1997;18(3)
2 Andrews G,Trapasso R. The optimal design of fluidized bed bioreactors.Journal WPCF,1985;57(2)
3 Mulcahy T,Shieh K.Fluidization and reactor biomass characteristics of the denitrification fluidized bed biofilm reactor.Wat Res.1987;21(4)
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
