王 銳,韋 兵,朱 健,趙旭東,喻國良,*

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240;2.廣西泰能工程咨詢有限公司,廣西南寧 530000)

隨著污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能減碳的日趨嚴(yán)格,新的處理工藝不斷涌現(xiàn)。生物膜法由于其運(yùn)行管理簡單、占地面積小、出水水質(zhì)好,在污水處理中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。作為生物膜法中核心部分的微生物載體,經(jīng)過了近20年的研究和實(shí)踐,在材料[3]、空間結(jié)構(gòu)[4-5]、表面性能[6-7]等方面取得了良好的進(jìn)展。目前,填充在生物膜反應(yīng)器內(nèi)的微生物載體多為圓柱狀的19孔和36孔結(jié)構(gòu),其比表面積多為400～600 m2/m3[8],均相對較低,因而給予微生物附著生長的空間較少,污水處理效果有待提升。此外,傳統(tǒng)微生物載體常由單一材料[如高密度聚乙烯(HDPE)]構(gòu)成,密度較低,多為0.95～0.96 g/cm3,且親水能力差,應(yīng)用于好氧情況能夠滿足要求,但在一些非曝氣情況,則不能實(shí)現(xiàn)微生物載體的流化[9]。且材料密度偏低會(huì)導(dǎo)致部分微生物載體漂浮在水面,和水體接觸偏少,增大掛膜難度[10]。Zhong等[11]采用改性尼龍絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)膜曝氣生物反應(yīng)器(MABR)中的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纖維膜,可降低成本,提高機(jī)械強(qiáng)度和親水性,不易堵塞。然而,對于這種新結(jié)構(gòu)、新材料的微生物載體在反應(yīng)器中的水動(dòng)力特性尚不清楚,其應(yīng)用效果也待深入研究。

本研究研制了一種褶皺型大比表面積的微生物親和性生物載體,并基于多相流耦合動(dòng)態(tài)網(wǎng)格模型,采用Flow 3D軟件對其水動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,著重從速度、軌跡和氣含率等關(guān)鍵因素分析微生物載體結(jié)構(gòu)對流場的影響,并對微生物載體的掛膜性能和污水處理效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為微生物載體設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 微生物載體的制備

從水動(dòng)力分析可知,微生物載體的理想密度接近于水,且略大于水,須保證其能充分地浸入水中,又能在水流作用下能夠充分地流化。微生物載體的理想結(jié)構(gòu)須具有最大比表面積,且親水性好,易于微生物掛膜。因此,本研究從材料、結(jié)構(gòu)兩方面入手,研制新型微生物載體。

1.1 制備材料

選用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺樹脂(PA)、高密度聚乙烯(HDPE)等不同材料,利用3D打印技術(shù)制備了多種材質(zhì)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)微生物載體,其密度和體積如表1所示。通過對比分析可知,PA材料的耐磨性、吸濕性及耐化學(xué)品性(耐酸堿腐蝕)相比于HDPE、ABS和PC材料較好,并且成型后的密度滿足制備要求,因此,設(shè)計(jì)過程中選用PA材料與HDPE材料混合,制備新型微生物載體。

表1 各材料微生物載體樣品的密度和體積

1.2 結(jié)構(gòu)比選

對微生物載體結(jié)構(gòu)的探索在于如何增大單個(gè)微生物載體的比表面積。傳統(tǒng)的微生物載體多為19孔和36孔,雖然64孔微生物載體具有更大的比表面積,但傳統(tǒng)工藝制作的64孔微生物載體其直徑與19孔/36孔微生物載體的直徑相近,而高度減小,并且孔數(shù)增加導(dǎo)致孔隙減小,微生物生存的空間仍然相對有限,故在高污染物濃度的污水處理過程中64孔微生物載體反而應(yīng)用較少。因此,本研究主要對如何增大36孔微生物載體的比表面積進(jìn)行探索,制作如圖1所示的褶皺型結(jié)構(gòu)的微生物載體,相比于傳統(tǒng)微生物載體結(jié)構(gòu),其內(nèi)部各個(gè)支撐邊框也做了褶皺處理。利用3D打印技術(shù)制作成型后,通過比表面積分析儀分析,褶皺型微生物載體的比表面積相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同孔數(shù)和材質(zhì)的微生物載體提升了約5.1%。

圖1 褶皺型微生物載體

1.3 制造方法

褶皺型微生物載體的大量制備仍采用注塑工藝,首先向某公司定制生產(chǎn)出用于制備褶皺型微生物載體的磨具,然后將PA和HDPE原材料在注塑機(jī)前部裝置中按比例投料溶解,之后將定制生產(chǎn)的磨具與注塑機(jī)器配合使用進(jìn)行微生物載體的鑄型,鑄型完成后進(jìn)行冷卻、牽引切割,形成一個(gè)個(gè)微生物載體。為使微生物載體的密度達(dá)到接近于水、略大于1 g/cm3的要求,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和計(jì)算,最終在前部投料溶解過程中將PA和HDPE材料按質(zhì)量比為1∶3進(jìn)行投料溶解,制備出PA和HDPE混合材質(zhì)的微生物載體。

1.4 參數(shù)對比

分別對19、36孔不同結(jié)構(gòu)的微生物載體的質(zhì)量、堆積密度、填料密度及比表面積進(jìn)行了測試,測試的結(jié)果如表2所示。PA-HDPE型褶皺結(jié)構(gòu)微生物載體相比于傳統(tǒng)微生物載體在密度和比表面積方面均有了顯著提升。

表2 不同孔數(shù)和結(jié)構(gòu)的微生物載體樣品的主要參數(shù)

2 水動(dòng)力特性研究

2.1 物理試驗(yàn)

為分析褶皺型微生物載體的水動(dòng)力特性,在1 L/min曝氣流量下進(jìn)行了單個(gè)微生物載體的曝氣試驗(yàn),分別觀測36孔的傳統(tǒng)微生物載體和褶皺型微生物載體的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)軌跡,對比分析兩種微生物載體的運(yùn)動(dòng)情況,其中傳統(tǒng)微生物載體為HDPE材質(zhì),褶皺型微生物載體為PA-HDPE材質(zhì)。試驗(yàn)布置如圖2所示,曝氣試驗(yàn)桶使用透明亞克力制作,高為160 mm,直徑為120 mm,底部安裝了直徑為68 mm的曝氣裝置。

圖2 水動(dòng)力特性試驗(yàn)布置

試驗(yàn)開始時(shí),微生物載體布置在曝氣盤的中央,通過逐步增加曝氣盤出氣速率,使微生物載體在氣流和水流的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過程中,曝氣盤的出氣速率使用氣流量計(jì)測量,曝氣筒的邊壁上附有刻度尺,便于觀測和計(jì)算微生物載體的運(yùn)動(dòng)速度、翻滾速度和運(yùn)動(dòng)軌跡。使用高幀率攝影機(jī)記錄曝氣筒內(nèi)流場的變化和微生物載體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。截取微生物載體從剛開始運(yùn)動(dòng)起15 s內(nèi)的觀測錄像,使用Free Video將記錄微生物載體運(yùn)動(dòng)過程的錄像轉(zhuǎn)換成一幀一幀的圖片(24幀/s),進(jìn)而捕捉載體運(yùn)動(dòng)過程中每12幀(0.5 s)的運(yùn)動(dòng)距離,獲得載體的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)周期,以此獲得載體運(yùn)動(dòng)速度。

36孔傳統(tǒng)微生物載體在1 L/min氣流作用下的運(yùn)動(dòng)如圖3所示。由圖3(a)可知,36孔傳統(tǒng)微生物載體在氣射流的作用下迅速升到水面,而后一直漂浮在水面附近運(yùn)動(dòng)。而36孔褶皺型微生物載體在到達(dá)水面后會(huì)沿邊壁向下繼續(xù)移動(dòng),隨后又在氣射流作用下向水面方向運(yùn)動(dòng),如此形成了上下交替往復(fù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng),如圖3(b)所示。

圖3 試驗(yàn)中微生物載體的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4和圖5分別展示了36孔傳統(tǒng)微生物載體和褶皺型載體在相同試驗(yàn)條件下的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡變化。由圖4可知,傳統(tǒng)微生物載體在上升到水面后,垂向速度幾乎趨近于0,水平向速度的變化亦較小,試驗(yàn)表現(xiàn)為傳統(tǒng)微生物載體長時(shí)間處于邊壁周圍,橫向流化效果亦較差;而褶皺型微生物載體上升到水面后,一直處于較大幅度的循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),載體時(shí)而下沉,時(shí)而上浮,垂向和水平向流化效果較好,如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)微生物載體速度和位移隨時(shí)間的變化

圖5 褶皺型微生物載體速度和位移隨時(shí)間的變化

2.2 數(shù)值模擬

進(jìn)一步地,基于Flow 3D軟件對微生物載體的水動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用Flow 3D中的GMO(general moving objects)流固耦合模型模擬流體和固體的相互作用。在GMO模型中,微生物載體被設(shè)置為在流場作用下做動(dòng)態(tài)耦合運(yùn)動(dòng),這對微生物載體的水動(dòng)力特性模擬更具有準(zhǔn)確性。為精確模擬筒體內(nèi)摻氣情況,采用漂移通量(Drift-Flux)模塊來模擬多相流運(yùn)動(dòng),設(shè)置液體密度為1 000 kg/m3,氣體密度為1.225 kg/m3,設(shè)置阻力系數(shù)為0.5,平均液滴直徑設(shè)置為0.000 5 m。

根據(jù)物理試驗(yàn)的水流、氣流條件設(shè)置邊界條件,如圖6所示,設(shè)置底面邊界為速度邊界,并設(shè)置氣流速度為0.212 m/s,所對應(yīng)的氣流流量為1 L/min;設(shè)置左面邊界為速度邊界,以模擬左下通道的水流進(jìn)口,流速為0.006 4 m/s,對應(yīng)水力停留時(shí)間(HRT)為1 h;設(shè)置右面邊界為自由出流邊界;設(shè)置頂面為壓力邊界,壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓強(qiáng),并設(shè)置流體分?jǐn)?shù)為0;前后邊界設(shè)置為對稱邊界。

圖6 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域全部采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格,由于載體相對于筒體很小,為反映每個(gè)載體小孔中的流體運(yùn)動(dòng)情況,單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.6 mm×0.6 mm×0.6 mm,計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為1 300余萬。數(shù)值計(jì)算方法和過程相似,詳見文獻(xiàn)[12],在初始條件中,壓力條件設(shè)為靜水壓力,水位為0.12 m,模型的表面粗糙度設(shè)置為 0.000 3 m,起始時(shí)間步長定為0.01 s,為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性,最小時(shí)間步長定為0.1 μs。對于筒體內(nèi)流體的能量交換與耗散,選用 RNGk-ε模型來計(jì)算。載體選定為GMO碰撞模型,因載體為PA-HDPE材質(zhì)且筒體由有機(jī)玻璃材料制成,設(shè)置碰撞恢復(fù)系數(shù)為 0.5,摩擦系數(shù)為0.3。計(jì)算得到的速度分布如圖7所示、壓力分布如圖8所示、含氣濃度分布如圖9所示。

圖8 壓力的分布

圖9 含氣濃度分布

由圖7可知,容器中水體在底部氣射流的作用下向上流動(dòng),并推動(dòng)微生物載體向上運(yùn)動(dòng),同時(shí)水流碰到微生物載體后沿中線向四周運(yùn)動(dòng)形成三維環(huán)形流。由于本階段模擬的網(wǎng)格數(shù)量巨大,耗時(shí)長,此處僅展示了0～0.6 s的數(shù)據(jù)。同樣地,由圖8可知,氣射流的存在改變了容器內(nèi)水流的初始壓強(qiáng),使底部壓強(qiáng)變大,與頂部形成壓強(qiáng)差,推動(dòng)微生物載體向上運(yùn)動(dòng)。在Y軸方向沿模型中點(diǎn)做橫切面,得到含氣濃度二維分布(圖9),氣射流的存在顯著增大了容器內(nèi)水體的氣含率,并呈向四周擴(kuò)散的趨勢,有利于微生物載體上的微生物與氣體交換。

3 污水處理效果對比

3.1 試驗(yàn)裝置

在對褶皺型微生物載體水動(dòng)力特性研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬試驗(yàn)裝置(圖10),以開展褶皺型微生物載體的污水處理效果研究。該裝置主要由曝氣實(shí)驗(yàn)桶、氣泵、水泵、循環(huán)水箱、氣流量計(jì)、水流量計(jì)及高清攝像機(jī)構(gòu)成。其中,曝氣桶的高度為60 cm,直徑為60 cm;曝氣桶的底部布置一個(gè)圓形的曝氣盤,其直徑為18 cm;氣泵與曝氣盤通過軟管連接,用以模擬實(shí)際曝氣條件,曝氣速率可以通過閥門控制在0～30 L/min;水泵用以輸送污水和控制水流速度,使待處理的污水在曝氣桶和循環(huán)水槽之間形成循環(huán)回路;同時(shí)利用水流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)裝置的入流速度,利用氣流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測氣泵的曝氣流量,利用高幀率攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)裝置內(nèi)生物載體的運(yùn)動(dòng)情況。

圖10 處理效果試驗(yàn)裝置布置

3.2 運(yùn)動(dòng)情況

為方便觀測大量微生物載體在試驗(yàn)裝置中的運(yùn)動(dòng)情況,在曝氣桶內(nèi)裝有清水,水深為40 cm,并投入體積分?jǐn)?shù)為40%的微生物載體,曝氣速率控制在10 L/min。俯視視角觀測微生物載體的運(yùn)動(dòng)情況如圖11所示。曝氣盤產(chǎn)生的氣泡上升到水面后,由中心位置向四周擴(kuò)散,曝氣氣流帶動(dòng)水流向邊壁運(yùn)動(dòng),水流帶動(dòng)生物載體從桶體上升到水面以后繼續(xù)向四周擴(kuò)散,而又在水流的帶動(dòng)下向桶底運(yùn)動(dòng),形成循環(huán)運(yùn)動(dòng),并且微生物載體碰壁次數(shù)較少,流化效果較好。

圖11 新型微生物載體的運(yùn)動(dòng)情況(試驗(yàn))

利用Flow 3D軟件對試驗(yàn)裝置中微生物載體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬。模擬中桶體尺寸與試驗(yàn)裝置尺寸相同;微生物載體和清水的相互作用采用Flow 3D中的粒子(particles)模塊和質(zhì)量(mass)粒子模型模擬,設(shè)置粒子密度和半徑為微生物載體的密度和半徑,粒子數(shù)為10 000;設(shè)置擴(kuò)散系數(shù)(diffusion coefficient)為0,碰撞恢復(fù)系數(shù)為 0.5,并設(shè)定微生物載體在流場作用下做動(dòng)態(tài)耦合運(yùn)動(dòng);采用漂移通量模型(drift flux)模塊模擬桶體內(nèi)摻氣情況,具體參數(shù)設(shè)置與2.2小節(jié)相同;利用表面張力(surface tension)模塊,模擬水面處載體的水動(dòng)力特性,設(shè)置表面張力系數(shù)為0.073 kg/s2,接觸角為90°,并選擇基于壓力的顯式求解模式對桶體內(nèi)流體的能量交換與耗散,選用 RNGk-ε模型來計(jì)算。根據(jù)物理試驗(yàn)的水流、氣流條件設(shè)置邊界條件,設(shè)置底面邊界為流量邊界,氣流流量為0.000 166 7 m3/s;設(shè)置左面邊界為流量邊界,以模擬左下通道的水流進(jìn)口,水流流量為0.000 046 8 m3/s,對應(yīng)HRT為10 h;設(shè)置右面及頂面邊界為壓力邊界,壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓強(qiáng),并設(shè)置流體分?jǐn)?shù)為0;前后邊界設(shè)置為對稱邊界。計(jì)算域全部采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格,單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為12 mm×12 mm×12 mm,計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為35萬。試驗(yàn)裝置中微生物載體運(yùn)動(dòng)情況的模擬結(jié)果如圖12所示。試驗(yàn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行27 s后,曝氣桶的流線和微生物載體的分布均勻,微生物載體在摻氣水流作用下從底部快速到達(dá)水面,隨后向四周擴(kuò)散,并沿桶壁向下運(yùn)動(dòng),形成循環(huán)運(yùn)動(dòng),數(shù)值模擬的結(jié)果與物理試驗(yàn)的觀測結(jié)果一致。

圖12 褶皺型微生物載體的運(yùn)動(dòng)情況(數(shù)值模擬)(27.001 s)

3.3 掛膜性能

采用人工接種的方法進(jìn)行生物膜培養(yǎng),將預(yù)培養(yǎng)的活性污泥加入試驗(yàn)反應(yīng)器中。首先,培養(yǎng)液中CODCr控制在300 mg/L左右,按CODCr∶N∶P=100∶5∶1添加15 mg/L氮鹽(NH4NO3)和3 mg/L磷鹽(KH2PO4),持續(xù)曝氣24 h后,移除上層清液,加入等量的新鮮培養(yǎng)液后再繼續(xù)曝氣24 h;然后,使用試驗(yàn)裝置開始連續(xù)試驗(yàn),起初進(jìn)水速率設(shè)置為6 L/min,每3 d增加2 L/min,到第6 d后進(jìn)水速率達(dá)到10 L/min,之后并保持進(jìn)水速率不變。在此期間,連續(xù)測定進(jìn)水和出水的CODCr和氨氮,生物膜培養(yǎng)過程中CODCr和氨氮的去除率如圖13所示。褶皺型微生物載體的成膜速度較快,反應(yīng)器運(yùn)行14 d后,CODCr和氨氮的去除率穩(wěn)定在80%～90%?？箾_擊性能良好,每次提高進(jìn)水率后,反應(yīng)器受到的沖擊較小,可在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。

圖13 生物膜培養(yǎng)過程中CODCr和氨氮的去除率

以氨氮的填料負(fù)荷為重要指標(biāo)評價(jià)微生物載體的掛膜性能。氨氮的填料負(fù)荷是指單位體積的微生物載體在單位時(shí)間內(nèi)接納的氨氮污染物含量,其計(jì)算方法如式(1)。

(1)

其中:Ns——氨氮填料負(fù)荷,g/(m2·d);

Q——出水量,m3/d;

S1——進(jìn)水中氨氮質(zhì)量濃度,mg/L;

S2——出水中氨氮質(zhì)量濃度,mg/L;

n——微生物載體的體積,m3;

s——微生物載體的比表面積,m2/m3。

褶皺型微生物載體與傳統(tǒng)微生物載體生物膜培養(yǎng)過程中氨氮的填料負(fù)荷如圖14所示。褶皺型微生物載體的氨氮填料負(fù)荷從生物膜培養(yǎng)第1 d起逐步增大,第8 d后氨氮填料負(fù)荷逐漸趨于穩(wěn)定,并在隨后幾天保持在0.4～0.5 g 氨氮/(m2·d)。傳統(tǒng)微生物載體的氨氮填料負(fù)荷從生物膜培養(yǎng)第1 d起也在逐步增大,在第5 d出現(xiàn)較大波動(dòng),直到第11 d才趨于穩(wěn)定,保持在0.41～0.46 g/(m2·d)。試驗(yàn)結(jié)果表明,PA-HDPE材料制備成的褶皺型微生物載體的掛膜速度優(yōu)于HDPE材料的傳統(tǒng)微生物載體,并且穩(wěn)定后褶皺型微生物載體的氨氮填料負(fù)荷略高。

圖14 生物膜培養(yǎng)過程中氨氮填料負(fù)荷的變化

3.4 去除效果

待試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后,曝氣速率為10 L/min情況下,HRT分別控制在2～6 h連續(xù)運(yùn)行 25 d后測得的CODCr和氨氮去除效果如圖15所示。在相同的工作條件下,將褶皺型微生物載體與傳統(tǒng)微生物載體的處理效果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),HRT為4 h時(shí),褶皺型微生物載體的平均CODCr去除率達(dá)到87.75%,對氨氮平均去除率達(dá)到95.00%;HRT為5 h時(shí),傳統(tǒng)微生物載體對CODCr和氨氮的平均去除率最高達(dá)到86.00%和85.62%。顯然,褶皺型微生物載體對CODCr和氨氮的處理能力比傳統(tǒng)微生物載體強(qiáng)。

圖15 褶皺型微生物載體和傳統(tǒng)微生物載體對CODCr和氨氮去除效率對比

4 結(jié)論

本文研制了一種可用于移動(dòng)床生物膜處理方法的褶皺型微生物親和性生物載體,并對其水動(dòng)力特性及在污水處理中的應(yīng)用效果進(jìn)行了對比研究。主要研究結(jié)論如下。

(1)采用褶皺型圓柱體結(jié)構(gòu)、PA-HDPE混合材質(zhì)的褶皺型微生物載體相較于常規(guī)的HDPE材料生物載體具有更大的比表面積和更大的密度。

(2)在相同曝氣條件(10 L/min)下,添加褶皺型微生物載體的反應(yīng)器具有更好的充氧能力。

(3)新型微生物載體對CODCr的平均去除率達(dá)87.75%,對氨氮的平均去除率達(dá)95.00%,褶皺型微生物載體對CODCr和氨氮的處理能力比傳統(tǒng)微生物載體強(qiáng)。