查 曉,馬 駿,呂錫武

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇蘇州 215000;2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210096;3.蘇州市相城城市建設(shè)發(fā)展有限公司,江蘇蘇州 215000)

生物轉(zhuǎn)盤(pán)是從生物濾池基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種生物膜技術(shù),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)且運(yùn)行成本較低,在生活污水、工業(yè)廢水等多個(gè)方面的應(yīng)用取得了良好的處理效果[1]。但由于機(jī)械裝置的限制,生物轉(zhuǎn)盤(pán)通常只能應(yīng)用于小型的污水處理。為擴(kuò)大生物轉(zhuǎn)盤(pán)的應(yīng)用,各國(guó)學(xué)者在傳統(tǒng)的生物轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)型基礎(chǔ)上提出了一批改進(jìn)構(gòu)型的生物轉(zhuǎn)盤(pán)以適應(yīng)不同的水質(zhì)情況和處理需求,例如生物轉(zhuǎn)籠[2]、加裝生物填料的轉(zhuǎn)動(dòng)水車[3]、增加了膜模塊的生物轉(zhuǎn)盤(pán)[4]等。跌水接觸氧化技術(shù)源自接觸氧化技術(shù),因無(wú)需曝氣、能耗低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)分散式農(nóng)村污水處理中得到廣泛應(yīng)用[5]。但跌水接觸氧化技術(shù)的處理效果受到溫度、跌水充氧能力等方面的限制,仍有待提高。

本課題組將跌水接觸氧化技術(shù)與生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)相結(jié)合,并受到傳統(tǒng)水車啟發(fā),采取水車跌水驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)方式,以期提高充氧能力并降低能耗。水車驅(qū)動(dòng)式跌水生物轉(zhuǎn)盤(pán)(multi-stage waterwheel driving rotating biological contactors,Ms-wdRBCs)在分散式生物污水處理方面取得了良好的污染物去除效果,其中充氧能力是裝置運(yùn)行的關(guān)鍵之一[6-7]。為Ms-wdRBCs建立氧傳質(zhì)模型有助于進(jìn)一步了解其充氧能力,從而對(duì)其設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理起到指導(dǎo)作用,并為其他改進(jìn)構(gòu)型的生物轉(zhuǎn)盤(pán)氧傳質(zhì)模型建立提供參考。

Ms-wdRBCs可設(shè)多級(jí),一般為3～4級(jí),單級(jí)水車生物轉(zhuǎn)盤(pán)(wdRBC)的構(gòu)型如圖1所示[6-7]。Ms-wdRBCs運(yùn)行過(guò)程中氧傳質(zhì)過(guò)程為:污水提升后依靠重力自由跌落至wdRBCs主體接水池,污水跌落時(shí),受氧濃度差推動(dòng),空氣中的氧氣由氣相經(jīng)兩相界面轉(zhuǎn)移至液相(即跌落污水);跌落污水與接水池液面接觸時(shí),接觸面及附近水體發(fā)生攪動(dòng),增加氣相至液相的氧傳遞;驅(qū)動(dòng)水車轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)一步增加接水池水體被攪動(dòng)程度?？珊?jiǎn)化為跌水下落過(guò)程的充氧和盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的充氧兩部分。現(xiàn)從這兩部分充氧過(guò)程分別考慮,建立氧傳質(zhì)模型。

圖1 wdRBC構(gòu)型及氧傳質(zhì)試驗(yàn)裝置示意圖

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)用水

本試驗(yàn)針對(duì)wdRBC的充氧能力展開(kāi)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。氧傳質(zhì)試驗(yàn)裝置包括一級(jí)wdRBC、零氧進(jìn)水水箱、驅(qū)動(dòng)水箱、進(jìn)水布水管及支架、驅(qū)動(dòng)水布水管及支架、兩個(gè)蠕動(dòng)泵。wdRBC中間設(shè)驅(qū)動(dòng)水車,水車直徑為20 cm,寬為5 cm;兩側(cè)分別分布一個(gè)盤(pán)片區(qū),單個(gè)盤(pán)片區(qū)長(zhǎng)為14 cm,寬為28 cm,盤(pán)片直徑為20 cm,間隔2 cm,盤(pán)片浸沒(méi)度為45%。

前期對(duì)Ms-wdRBCs的運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化,利用充氧效率和氧總傳質(zhì)系數(shù)作為衡量,對(duì)不同跌水高度(0.1～0.9 m)、跌水流量(3～15 mL/s)和盤(pán)片轉(zhuǎn)速(6～15 r/min)時(shí)的wdRBC充氧能力進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明,跌水高度高于0.5 m時(shí)充氧能力較好,跌水流量為7.5 mL/s時(shí)充氧能力最佳,而盤(pán)片轉(zhuǎn)速的持續(xù)增加可以一定程度地增加充氧能力。因此,此充氧模型基于以上較優(yōu)的條件建立。

試驗(yàn)用水車驅(qū)動(dòng)水采用自來(lái)水,貯存在驅(qū)動(dòng)水箱中;轉(zhuǎn)盤(pán)區(qū)進(jìn)水,即本模型考察主體,采用自來(lái)水進(jìn)行脫氧處理,貯存在零氧水箱中。零氧水箱帶蓋密封,使用前采用脫氧劑(無(wú)水硫酸鈉)和催化劑(氯化鈷)脫除水中溶解氧,脫氧劑和催化劑投加量和投加方法參照相關(guān)文獻(xiàn)[8]。使用前檢測(cè)溶解氧質(zhì)量濃度,應(yīng)小于0.2 mg/L。溶解氧濃度監(jiān)測(cè)由YSI550A便攜式溶解氧測(cè)量?jī)x(YSI Co.,Yellow Springs,OH,USA)測(cè)定。

2 跌水充氧過(guò)程氧傳質(zhì)模型

李發(fā)站等[9]針對(duì)跌水接觸氧化技術(shù)的充氧過(guò)程,以雙膜理論為基礎(chǔ),依據(jù)物料平衡建立了跌水曝氣充氧的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。參考該模型,對(duì)Ms-wdRBCs跌水充氧過(guò)程進(jìn)行模型的建立與校正。模型假設(shè)氧傳質(zhì)單向進(jìn)行,即氧氣進(jìn)入液體后不再逸出;液體跌落過(guò)程中氧氣不被消耗;液體下落呈連續(xù)狀態(tài),即下落過(guò)程液體形成一柱體,如圖2所示。圖2中柱體為水柱節(jié)段,傳質(zhì)微元為紅色部分。該模型以速度為主要過(guò)程變量。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,跌落過(guò)程某一瞬間的水柱微元物料衡算關(guān)系如式(1)。

圖2 跌水過(guò)程水柱傳質(zhì)微元示意圖

mo=Vtdρ

(1)

其中:mo——氧向水柱微元傳質(zhì)質(zhì)量,kg;

Vt——t時(shí)微元體積,m3;

dρ——微元內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度變化量,kg/m3。

根據(jù)雙膜理論,水柱微元物料衡算關(guān)系如式(2)和式(3)。

m0=k(ρs-ρ)At

(2)

Vt=πD2dh/4

(3)

其中:k——傳質(zhì)系數(shù);

ρs——飽和溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L;

ρ——微元內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L;

At——傳質(zhì)時(shí)間為t時(shí)的微元傳質(zhì)面積,m2;

D——跌水水柱微元的傳質(zhì)直徑,m;

dh——微元內(nèi)跌水高度變化量,m。

Ms-wdRBC經(jīng)布水箱跌落出水,初速度較小,因而在校正模型中忽略不計(jì),帶入式(4)～式(6)可得式(7)。

vt=(2ght)0.5

(4)

At=πDdh

(5)

t=dh/vt

(6)

(7)

其中:vt——t時(shí)傳質(zhì)微元跌水下落速度,m/s;

t——跌水下落時(shí)間,s;

g——重力加速度,m2/s,通常取9.8 m2/s;

ht——t時(shí)傳質(zhì)微元跌水下落高度,m。

令K=kD,利用邊界條件ht=0、ρ=ρ0;ht=h,ρ=ρt積分,可得式(8)。

(8)

其中:ρt——跌水后溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L;

ρ0——跌水前溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L;

h——跌水高度,m。

圖3 h0.5和試驗(yàn)值擬合關(guān)系

(9)

即經(jīng)一定高度跌水后,進(jìn)入生物轉(zhuǎn)盤(pán)的液體溶解氧質(zhì)量濃度計(jì)算如式(10)。

ρ=1-e-1.207 8h0.5ρs-e-1.207 8h0.5ρ0

(10)

3 生物轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程氧傳質(zhì)模型

生物轉(zhuǎn)盤(pán)多作為污水處理過(guò)程中的好氧生物反應(yīng)器,溶解氧濃度是其運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù),一些學(xué)者從不同角度對(duì)生物轉(zhuǎn)盤(pán)的氧傳質(zhì)建立了不同的氧傳質(zhì)模型。已提出的生物轉(zhuǎn)盤(pán)的氧傳質(zhì)模型主要包括物理傳遞模型和生物膜附著傳遞模型兩種。不考慮生物膜附著的物理傳遞模型具有更強(qiáng)的普適性,應(yīng)用也更加簡(jiǎn)便。Zeevalkink等[10]依據(jù)理論分析,推導(dǎo)出氧傳質(zhì)系數(shù)與盤(pán)片轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型。Ouano[11]則采用量綱分析,引入了體積修正系數(shù),而后Kim等[12]利用體積修正系數(shù)提出了Kim &Molof模型[式(11)～式(12)]。Kubsad等[13]主要針對(duì)體積修正系數(shù)對(duì)Kim &Molof模型進(jìn)行了修正[式(11)、式(13)]。不同于體積修正模型,Sant′Anna[14]綜合考慮浸沒(méi)度、盤(pán)片直徑、轉(zhuǎn)速對(duì)氧傳質(zhì)的影響,引入雷諾系數(shù)、弗羅德系數(shù)、浸沒(méi)系數(shù)建立了模型。

KLa=0.001 1(KNV)0.732

(11)

NV=ω1.5φ0.5S-1

(12)

其中:KLa——氧傳質(zhì)系數(shù),min-1;

NV——體積修正系數(shù);

ω——盤(pán)片轉(zhuǎn)速,r/min;

φ——盤(pán)片直徑,m;

S——1/2盤(pán)片間距,m。

NV=1.697Anω1.5φ0.5/V

(13)

其中:A——單片盤(pán)片暴露于空氣中的面積,m2;

n——盤(pán)片數(shù);

V——擾動(dòng)水體積,m3。

綜合考慮實(shí)用性與簡(jiǎn)便性,本文以Kim &Molof模型(1982)及修正的Kim &Molof模型(2004)為基礎(chǔ),針對(duì)本試驗(yàn)裝置運(yùn)行進(jìn)行校正。利用本試驗(yàn)裝置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算?；贙im &Molof模型(1982)的體積修正系數(shù)如式(14),基于修正的Kim &Molof模型(2004)的體系修正系數(shù)如式(15)。

NV-1=ω1.5φ0.5S-1=ω1.5×0.10.5×0.02-1= 44.721 4ω1.5

(14)

NV-2=1.697Anω1.5φ0.5/V=1.697×(2×168.52°/360°×π×0.12)×14×ω1.5×0.20.5÷(0.28×0.28×0.13)≈30.646ω1.5

(15)

對(duì)wdRBC不同工況時(shí)的充氧情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),利用兩種體積修正系數(shù)計(jì)算所得的KLa值與試驗(yàn)所得KLa值呈線性關(guān)系,如圖4所示。盡管本試驗(yàn)所得KLa值與利用兩種Kim &Molof模型計(jì)算所得的KLa值出入較大,但呈良好的線性關(guān)系(R2=0.972 2)。影響試驗(yàn)值與模擬值差異性的因素包括裝置構(gòu)型、盤(pán)片材料等,但引入體積修正系數(shù)仍可以得到一個(gè)較好的適用模型。

圖4 基于Kim &Molof模型(1982)和Kim &Molof模型(2004)的KLa模擬值與試驗(yàn)值擬合關(guān)系

生物轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)行過(guò)程中,氧傳質(zhì)主要發(fā)生水槽液體表面氣液界面和盤(pán)片兩側(cè)附著液膜上。Kim &Molof模型(1982)假定氧傳質(zhì)只發(fā)生在盤(pán)片兩側(cè)附著的液膜上,且生物轉(zhuǎn)盤(pán)裝置的物理變量都?xì)w納包括在體積更新系數(shù)中。體積更新系數(shù)被定義為液膜流量與反應(yīng)器有效體積之比。此時(shí),反應(yīng)器有效體積僅考慮盤(pán)片區(qū)域液體體積,而盤(pán)片與水槽壁之間的液體體積被忽略不計(jì)。且Kim &Molof模型(1982)提出的體積更新系數(shù)計(jì)算具有一定局限性,如盤(pán)片邊緣距水槽底部距離/盤(pán)片半徑為0.042,盤(pán)片中心到液體自由表面距離/每輪旋轉(zhuǎn)盤(pán)片的接觸時(shí)間為0.15等。而修正的Kim &Molof模型(2004)則從液膜厚度角度對(duì)體積更新系數(shù)進(jìn)行了修正,利用Zeevalkink等[10]提出的液膜厚度公式,使體積更新系數(shù)最終取決于盤(pán)片暴露空氣面積、盤(pán)片數(shù)、盤(pán)片直徑、液體體積及盤(pán)片轉(zhuǎn)速。液膜厚度公式是理論結(jié)合試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式,受到生物轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)型材質(zhì)影響。

因此,針對(duì)Ms-wdRBC的KLa,利用Kim &Molof模型(1982)和Kim &Molof模型(2004)提出的兩種體積更新系數(shù)計(jì)算方式進(jìn)行校正。KLa與體積更新系數(shù)的關(guān)系符合式(16),即二者的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。

KLa=αNVβ

(16)

利用試驗(yàn)所得KLa值與兩種計(jì)算方式所得的體積更新系數(shù)分別去對(duì)數(shù)作圖,結(jié)果如圖5所示,R2均為0.981 9。引入KLa與溫度的關(guān)系[式(17)],由此可得基于體積更新系數(shù)的兩個(gè)Ms-wsRBC轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)氧傳質(zhì)模型。

KLa(20)=KLa(t)×θ20-T

(17)

其中:KLa(20)——20 ℃時(shí)的氧傳質(zhì)系數(shù),min-1;

KLa(t)——試驗(yàn)得氧傳質(zhì)系數(shù),min-1;

θ——溫度修正系數(shù),取值為1.024;

T——實(shí)際水溫,℃。

模型 Ⅰ 如式(18),體積更新系數(shù)計(jì)算如式(12);模型 Ⅱ 如式(19),體積更新系數(shù)計(jì)算如式(13)。

KLa(T)=0.000 765NV0.858 5/θ20-T

(18)

KLa(T)=0.001 06NV0.858 5θ20-T

(19)

其中:KLa(T)——氧傳質(zhì)系數(shù),h-1。

已知ln(Cs-C)=ln(Cs-C0)-KLa·t,結(jié)合以上跌水充氧和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)充氧兩部分的模型討論,則wdRBC的出水溶解氧濃度可以簡(jiǎn)化為式(20)～式(22)。

(20)

C1=(1-e-1.207 8h0.5)Cs-e-1.207 8h0.5c0

(21)

KLa=0.001 06NV0.858 5θ20-T

(22)

其中:C0——初始溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L;

C1——跌水后溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L;

Cs——飽和溶解氧質(zhì)量濃度,mg/L。

4 氧傳質(zhì)模型校驗(yàn)擬合

對(duì)提出的簡(jiǎn)化模型,選擇不同運(yùn)行條件,利用試驗(yàn)值進(jìn)行驗(yàn)證,兩種體積更新系數(shù)計(jì)算方式所得的模擬值與試驗(yàn)值的擬合關(guān)系如圖6所示。

圖6 基于Kim &Molof模型(1982)和Kim &Molof模型(2004)的溶解氧模擬值與試驗(yàn)值擬合關(guān)系

基于Kim &Molof模型(1982)和(2004)的兩種簡(jiǎn)化模型與試驗(yàn)值的擬合R2分別為0.904 5和0.892 8,兩種模型模擬溶解氧值均略大于試驗(yàn)值,分別是試驗(yàn)值的1.062 1倍和1.026 8倍。因而,推薦采用更接近試驗(yàn)值的基于Kim &Molof模型(2004)的簡(jiǎn)化模型,即NV值由式(13)確定。則最終模型公式確定為式(13)、式(20)～式(22)。

5 結(jié)論

Ms-wdRBCs結(jié)合了生物轉(zhuǎn)盤(pán)與跌水充氧技術(shù),強(qiáng)化了充氧能力。本文將理論推導(dǎo)與試驗(yàn)相結(jié)合,建立了Ms-wdRBCs的氧傳質(zhì)過(guò)程模型。結(jié)果表明,Ms-wdRBCs具有良好的充氧能力,能滿足作為好氧反應(yīng)器時(shí)的充氧需求。該模型為Ms-wdRBCs后續(xù)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ),也為相關(guān)的充氧裝置提供了氧傳質(zhì)模型建立的參考。