龍?zhí)煊? 杜夢楠

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400045)

振動格柵反應(yīng)器處理污水的效果研究*

龍?zhí)煊? 杜夢楠

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400045)

為研究反應(yīng)器內(nèi)紊流脈動的水力環(huán)境對污水處理效果的影響，探討反應(yīng)器內(nèi)的填料在振動條件下對污水傳質(zhì)效果的影響，試驗采用自行設(shè)計、改進(jìn)的振動格柵反應(yīng)器對處理出水指標(biāo)進(jìn)行檢測，經(jīng)過一系列對比試驗，結(jié)果表明:在水溫環(huán)境為26 ℃、合適溶解氧值的試驗條件下，反應(yīng)器達(dá)到最優(yōu)處理效率的最佳振動周期為4 s， COD、TN和TP的去除效率分別可達(dá)72.9%、82.7%和54.55%。

紊流脈動;振動格柵;振動周期;傳質(zhì)

生物膜法是污水生物處理的主要技術(shù)之一[1-3]，填料作為反應(yīng)器重要的結(jié)構(gòu)，對生物膜處理效果影響重大，而目前生物膜工藝中填料僅作為微生物的載體，是反應(yīng)器提高更高的微生物量和反應(yīng)的場所之外，功能較為單一[4-5]，且反應(yīng)器內(nèi)污水的流態(tài)單一，加之曝氣利用率低，使得傳統(tǒng)生物膜處理工藝受到限制[5-7]，因此設(shè)計了一種可以隨格柵板上下振動的彈性填料[8]，格柵板上的彈性填料呈輻射狀態(tài)分布，其輻射分布絲條和帶孔格柵在振動的過程中可在反應(yīng)器中創(chuàng)造紊流的水力環(huán)境，同時有效切割氧氣氣泡，使得氣泡的上升路徑變得相對復(fù)雜，增加溶解氧在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，并在此過程中主動接觸內(nèi)污水，有效地促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)氣-液、液-固(生物膜)的傳質(zhì)環(huán)境[9-11]。

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗裝置

圖1 振動格柵裝置示意圖Fig.1 Vibrating grid device diagram

實驗裝置見圖1。反應(yīng)器主體尺寸為31 cm×31 cm×45 cm，注水高度約為33 cm，有效容積約為32 L[12]。

反應(yīng)器底部海綿層區(qū)域布置有溫控管，保持水溫為26 ℃，填料分別固定于溫控管和格柵之上，填料裝填效果見圖2、圖3。

圖2 頂部填料安裝效果Fig.2 Bio packaging on the top

圖3 底部填料安裝效果Fig.3 Bio packaging at the bottom

安裝完成的反應(yīng)器特征：

在反應(yīng)器水力環(huán)境方面，格柵在水中豎直往復(fù)運動，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的無平均速度的剪切力紊流流態(tài)，格柵板上呈輻射狀態(tài)分布的填料也可以有效地切割氧氣氣泡，使氧氣氣泡尺寸變小，同時使氣泡的上升路徑變得復(fù)雜，從而可以增加氧氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，間接提高了曝氣裝置的利用率。外格柵邊界距箱體內(nèi)壁越0.5 cm，較小的距離能有效地減少箱體內(nèi)壁的邊界影響，同時底部擁有較致密的彈性填料，可有效地防止水波經(jīng)箱體底部反射而產(chǎn)生疊加。

在反應(yīng)器內(nèi)微生物方面，格柵的振動直接促進(jìn)了水中營養(yǎng)物質(zhì)的擴散，同時紊流的水力條件也間接的為擴散傳質(zhì)提供了較好的條件，近似于完全混流。格柵運動過程中能夠在孔口處形成射流，格柵條后形成尾流，填料的位置恰好處于射流，尾流的區(qū)域，從而產(chǎn)生足夠的往復(fù)的剪切力，有利于生物膜的形成[12]。

1.2 實驗用水

結(jié)合實驗室條件，實驗污水采用雀巢某品牌奶粉進(jìn)行人工配水。由申玉春[13]等人撰寫的相關(guān)研究當(dāng)中有公式：

①E(J/g)=14.52×COD(mg/L)-929.1 (n=17,r=0.626 5,P<0.01)

②E(J/g)=12.34×COD(mg/L)+329.9 (n=22,r=0.957 7,P<0.01)

將COD取400 mg/L，代入式①可得E1=4 878.9 J，帶入公式②可得E2=5 265.9 J，由廠商提供的營養(yǎng)價值表可以分別估算出，投加量T1=0.303 g，T2=0.327 g，之后取0.3 g/L，即0.06 g奶粉溶解于200 mL純水中進(jìn)行驗證，得出COD=385.29 mg/L，考慮到操作與測試誤差，結(jié)果符合研究。根據(jù)反應(yīng)器水體積32 L，可得投加量為32×0.3=9.6 g，為方便取用，這里品牌奶粉每個反應(yīng)器投加量定為10 g。

1.3 實驗方案

初步擬定10.00 g/箱的營養(yǎng)物質(zhì)投加量，采用26 ℃水溫，一定曝氣量，不同振動周期：0、1、2、4、6、8 s， 進(jìn)行重復(fù)對比實驗，隔日檢測分析COD、TP、TN的濃度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同振動周期下反應(yīng)器出水COD濃度的變化

實驗中對不同周期下反應(yīng)器水體中的化學(xué)需氧量進(jìn)行了隔日測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，結(jié)果見圖4。

圖4 COD隔日去除率Fig.4 The removal rates of COD in the next day

從圖4中可以看出，COD隔日去除率由靜止對照組的62.02%，上升到振動周期為4 s組的72.89%，然后下降至振動周期為8 s組的70.31%。

可以得出，振動組對COD的去除效果與振動頻率正相關(guān)，表明振動有利于微生物去除水體中的有機物。

究其原因，振動格柵反應(yīng)器特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的水流特性，可以使水體當(dāng)中的有機物充分?jǐn)U散，接近于理想的均化間歇反應(yīng)器。同時可調(diào)節(jié)的周期的設(shè)計為填料提供了充沛而合適的剪切力，為微生物轉(zhuǎn)化為生物膜和后期生物膜的新陳代謝創(chuàng)造了良好環(huán)境。傳統(tǒng)處理方法在填料固定，水體流動的模式下，微生物活動范圍窄，捕獲水體污染物能力有限，而振動格柵反應(yīng)器可以改變這種被動的處理方式，提高微生物的活動范圍，使生物膜動態(tài)運行，大幅度提高了微生物對污水的去除效率。

2.2 不同振動周期下反應(yīng)器水體中TN濃度的變化

實驗中對不同周期下反應(yīng)器水體中的TN進(jìn)行了隔日測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，結(jié)果見圖5。

圖5 TN隔日去除率Fig.5 The removal rates of TN in the next day

從圖5中可以得出，次日TN去除效率由靜止對照組的57.70%上升到振動周期為1 s、2 s、4 s組的80%左右，之后降低到振動周期為6 s、8 s組的60%左右。振動周期1 s、2 s、4 s組之間差異不明顯，考慮到實驗誤差，三者無顯著差異。

反應(yīng)器中的振動格柵全程擾流，一方面增強了氮元素溶質(zhì)的擴散，使微生物的生化反應(yīng)產(chǎn)物能夠快速的傳遞，提高了傳質(zhì)效率。另一方面，特殊的水力條件大大加強了曝氣對N2的吹脫作用，使NH3、N2能非?？焖俚貜姆磻?yīng)器水體逃逸離去[14-16]。

綜合上述兩種作用，反應(yīng)器提供了一個良好的脫氮環(huán)境。相比較靜止組，高出20%左右的去除效率也證明了這種優(yōu)勢體現(xiàn)的非常明顯。而比較不同振動周期的實驗組，發(fā)現(xiàn)從4 s組之后，去除效率大幅降低。結(jié)合脫氮原理，由于脫氮是好氧微生物和厭氧微生物共同作用的結(jié)果，存在反應(yīng)產(chǎn)物的傳遞，對傳質(zhì)效率依賴度極高，而作為間接反映傳質(zhì)效率高低為反應(yīng)器的振動周期，因此理論上說，無限大的傳質(zhì)效率是最佳的條件，但提供這種條件意味需要極短的振動周期。而極端的振動周期會導(dǎo)致反應(yīng)器產(chǎn)生過強的剪切力，微生物無法良好生長。這也就解釋了初期振動周期變大脫氮效率卻上升的原因，即脫氮需要兼顧微生物的長勢和傳質(zhì)效率，在不同振動條件下，兩者交替主導(dǎo)影響了脫氮效率。相對于各組，4 s的振動周期提供了適宜微生物生長的剪切力，同時保持了良好的傳質(zhì)條件。

2.3 不同振動周期下反應(yīng)器水體中TP濃度的變化

實驗中對不同周期下反應(yīng)器水體中的TP進(jìn)行了隔日測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，結(jié)果見圖6。

圖6 TP隔日去除率Fig.6 The removal rates of TN in the next day

從圖6中可以得出，除去靜止對照組，TP的去除效率與振動周期呈負(fù)相關(guān)，隨振動周期的增大而降低，TP的去除效率并沒有出現(xiàn)于類似TN或COD相同的峰值，由于磷元素的特殊性，它不能經(jīng)過氧化還原等反應(yīng)從水體中向大氣逃逸，只能從固體形態(tài)或者溶解的形式相互循環(huán)轉(zhuǎn)化。而實驗均未投加任何藥劑，全部為微生物為主體的生化反應(yīng)。因此，磷元素的吸收只能是以溶解的形態(tài)被微生物所汲取。聚磷菌在好氧條件下吸收遠(yuǎn)超過其生理需要的磷元素，將其以聚合型態(tài)貯藏在細(xì)菌體內(nèi)。根據(jù)成熟工藝的研究結(jié)果，生物除磷的關(guān)鍵條件之一是溶解氧的含量，因此溶解氧成為了決定性的影響因素，而由雙膜理論[17]可得：

其中KLa表示氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，表示在曝氣時氧的總傳遞性，與傳遞阻力的大小成反比，即阻力大數(shù)值低，阻力小，數(shù)值大。除去反應(yīng)器固定的污水水質(zhì)，恒定的溫度，恒定的氧分壓等，影響KLa的因素只剩下水體中氧濃度梯度，氣泡大小，水體的紊流程度等。

實驗所用的反應(yīng)器在振動格柵的運動下，劇烈攪動水面，產(chǎn)生水躍，大大降低了相界面由于兩相層流導(dǎo)致的傳質(zhì)阻力，使得液相與氣相彼此的接觸面不斷更新，加速了氧的傳質(zhì)，填料的格柵能夠切割氣泡，這些都增加了KLa，提高了氧轉(zhuǎn)移效率。從而反應(yīng)器的振動周期就間接和KLa成正比。為了方便分析，將靜止對照組放在圖表的右邊，按照紊流強弱的順序排列，可得到圖7。

圖7 TP隔日去處率Fig.7 The removal rates of TN in the next day

將數(shù)據(jù)匯總擬合，得到擬合曲線：

y = -0.137 6x + 0.902 1

相關(guān)系數(shù)R2=0.966 1，根據(jù)模擬曲線得到節(jié)距0.902 1，預(yù)期可以將除磷效率提高到90%。但過短的周期會影響反應(yīng)器的其他微生物的生長，限制去除有機物和脫氮的效果，可通過適當(dāng)增加曝氣量提高磷元素的去除率。因此，綜合考慮COD、TN的去除影響，最佳振動周期為4 s/周。

3 結(jié) 論

通過靜止對照組和振動組的對比試驗結(jié)果得出，振動組的處理效果明顯優(yōu)于靜止對照組，究其原因，振動組填料在振動過程中可將水中的氣泡剪切成更加微小的氣泡，增大了氣液傳質(zhì)接觸表面，使物相接觸表面不斷更新，從而提高了反應(yīng)器內(nèi)的有機質(zhì)向微生物膜、氧氣向污水中的傳質(zhì)速度。

COD、TN在振動周期為4 s時達(dá)到最佳處理效率，而TP在振動周期為1 s時達(dá)到最佳處理效率，綜合考慮分析后，認(rèn)為TP可通過適當(dāng)增加曝氣優(yōu)化去除率，確定最佳振動周期為4 s，此時COD、TN、TP的隔日去除率分別為 72.9%、82.69%、54.55%。

[1] 蒙曉斌.生物膜法凈化污水機理及其工藝特點探析[J].科技視界,2012,27:358-359

MENG X B Analysis on the Mechanism of Purifying Wastewater by Biofilm Process and its Technological Characteristics[J].Science & Technology Vision,2012,27:358-359

[2] 李文英，花吉鋒，荊潔穎，等.移動床生物膜反應(yīng)器中兩種填料氧傳質(zhì)性能的比較[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2010，41(5):487-491

LI W Y，HUA J Y，JING J Y.Oxygen Mass Transfer Coefficients Comparison of Two Different Carriers in the Moving Bed Biofilm Reactor[J].Journal of Taiyuan University of Technology,2010，41(5):487-491

[3] 彭永臻，劉瑩，王淑瑩，等.序批式生物膜反應(yīng)器不同填料掛膜及短程硝化特性研究[J].環(huán)境污染與防治,2009，31(12):22-26

PENG Y Z,LIU Y,WANG S Y.Startup and Partial Nitrif Ication Characteristics in Sequencing Batch Biofilm Reactor(Sbbr) with Two Kinds of Media[J].Environmental Pollution and Control,2009，31(12):22-26

[4] 楊偉.金屬板波紋規(guī)整填料在二氧化碳吸收塔中流體力學(xué)與傳質(zhì)性能研究[D].北京:北京化工大學(xué)，2014

YANG W.Study on Hydrodynamic and Mass Transfer Performance of Metal Sheet Structured Packing in a CO2Absorption Tower[D].Beijing:Beijing University of Chem-ical Technology,2014

[5] 馬艷華.含載體曝氣池的氧傳質(zhì)效能研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2012

MA Y H.Study on Oxygen Transfer Efficiency of Aeration Basin with Carrier[D].Harbin:Harbin University of Science and Technology,2012

[6] 張闖，陶濤，李爾，等.兩種曝氣設(shè)備的清水曝氣充氧實驗研究[J].環(huán)境污染與防治,2006，28(1):25-27

ZHANG C，TAO T，LI E，Evaluation of Two Aerators Based on Results of Clean Water Oxygenation Experiment[J].Environmental Pollution and Control,2006，28(1):25-27

[7] 王鶴立，王紹文，呂炳南.均勻受限曝氣機理及清水充氧試驗研究[J].中國給水排水,2001，17(1):15-18

WANG H L，WANG S W，LV B N，Research on Mechanism of Well Distributed Limited -Aeration by the Oxygenated Clean Water Test[J].China Water & Wastewater,2001,17(1):15-18

[8] 汪曉軍，李兆宗，何翠萍，等.彈性填料表面親水性對厭氧生化過程的影響研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003，25(12):62-63

WANG X J，LI Z Z，HE C P.Study of Hydrophilicity of Elasticity Plastic Filler in Anaerobic Process[J].Chongqing Environmental Science,2003，25(12):62-63[9] ANBALAGAN A，SCHWEDE S，LINDBERG C F，et al.Influe-nce of Hydraulic Retention Time on Indigenous Microalgae and Activated Sludge Process.[J].Water Research,2016，91(1):277

[10] 王藝，陳雷.水力自旋傳質(zhì)填料生物膜反應(yīng)器處理城市污水[J].環(huán)境工程學(xué)報,2007，1(4):78-81

WANG Y，CHEN L.Study on Transfer Mechanism and Media in Biological Treatment Process for Municipal WasteWater[J].Chinese Journal of Environmental Enginee-ring,2007，1(4):78-81

[11] 王紹文.慣性效應(yīng)在絮凝中的動力學(xué)作用[J].中國給水排水，1998(2):13-16

WANG S W.Kinetic Inertia Effect in Coa-gulation Proc-ess[J].China Water & Wastewater,1998(2):13-16

[12] 雷雨.紊流脈動對藻類生長及水環(huán)境的影響研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2013

LEI Y，Effects of Turbulent Fluctuation on the Growth of Algae and Water Environment[D].Chongqing:Chongqing Unive-rsity,2013

[13] 申玉春，郭慧，吳灶和，等.池塘懸浮物COD值與灼燒減重燃燒熱值的定量關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010，33(1):16-18

SHEN Y C，GUO H，WU Z H.Quantitive Relationship Between COD of Ssuspended Matters Weight Loss after Ignition and Calorific Values in Fishpond Water[J].Environmental Science& Technology,2010，33(1):16-18[14] ZINATIZADEH A A L，GHAYTOOLI E.Simultaneous Nitro-gen and Carbon Removal from Wastewater at Different Operating Conditions in a Moving Bed Biofilm Reactor(MBBR):Process Modeling and Optimiza-tion[J].Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers,2015，53:98-111

[15] LEYVA-DíAZ J C，GONZáLEZ-MARTíNEZ A,.Kinetic Mod-eling and Microbiological Sstudy of Two-step Nitrifica-tion in a Membrane Bioreactor and Hybrid Moving Bed Biofilm Reactor-membrane Bioreactor for Wastewater Treat-ment[J].Chemical Engineering Journal,2015,23:692-702

[16] BULPIN A，MASSON S.Total Nitrogen Removal in Two-step Biofiltration[J].Water Science & Technology,2000，41(4):65-68

[17] 劉德華，胡華.雙膜傳質(zhì)模型在應(yīng)用中的某些問題及修正方法[J].石油學(xué)報石油加工,1994(4):86-91

LIU D H，HU H.Some problems and Modified Method in the Application of Two Film Mass Transfer Model[J].Petroleum Processing Section,1994(4):86-91

責(zé)任編輯：田 靜

A Study on the Effect of Wastewater Treatment Using Vibration Grid Reactor

LONG Tian-yu, DU Meng-nan

(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China )

In order to study the effect of turbulence flow on the sewage treatment, to explore the impact of vibration conditions of the filler on the mass transfer of sewage treatment, this paper analyzed the influence of the vibration period on the effluent. Through the comparison experiments, the results show: at 26 ℃, water tempe-rature was suitable for the environment of dissolved oxygen, comprehensive consideration of economic, removal efficiency and other factors. The best vibration period is 4s, on this condition，the reactor can obtain satisfactory treatment effect. The removal efficiencies of chemical oxygen demand, total nitrogen and total phosphorus were72.9%, 82.7%, 54.55%, respectively.

turbulence flow; vibration grid; vibration period; mass transfer

2017-03-13；

2017-03-28.

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(2011BAD31B03).

龍?zhí)煊?1960-)，女，重慶市人，教授，從事水污染控制與水環(huán)境模擬研究．

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0004.017

X829

A

1672-058X(2017)04-0084-05