填料传质性能对污水生物反应处理工艺的影响研究

填料传质性能对污水生物反应处理工艺的影响研究陈雷1王艺2（1.吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，吉林长春东北师范大学城市与环境科学学院，吉林长春130024）应器内物系间的传质条件对氧传递效率有较大影响；CMT型自旋传质填料良好的传质性能，能够创造理想的传质条件，使生物反应器内DO基本保持一致；使用SCMT型自旋传质填料生物反应器处理城市污水，可以在较短的停留时间（1.00h）或较小的气水比（体积比，4：1）的情况下，出水水质达到城镇污水处理厂污染物排放标准KGB第一作者：陈雷，男，1971年生，教授，研究方向为污水处理技术。长春市科技计划项目（No.06GG05）东北师范大学自然科学青年基金资助项目生物反应技术已广泛应用于各种环境污染的净化治理工艺，生物反应填料是生物反应器的关键部位，目前应用中的填料作用却较为单一，仅作为生物的载体提供反应场所，并为生物反应器提供较高的微生物量，但不能为生物反应创造良好的传质扩散条件11.由于结构形式不合理，现有的生物反应填料为混合液提供的流道无规律可循，对生物反应过程中流体的流态控制不符合多相流体力学的物系传质机理，使得多相物系之间，即生物细胞与有机底物间的传质扩散效率不高，从而导致生物对底物利用率低、生物反应时间长、能耗大、效率低等现象出现1231.针对上述情况，笔者根据生物反应器的物系传质机理与传质效率的影响因素，开发出一种在形状、结构等方面能够创造和满足反应器内理想传质条件的SCMT型自旋传质生物载体填料，并对其传质反应性能进行了对比试验研究。1试验材料与方法试验装置见。生物反应器内径500mm，填料填充高度1200mm，有效容积0.33m3.通过液体或气体阀门控制液体或气体流量。在反应器的顶1一水泵；2―液体流量计；3―阀门；4一曝气头；5―生物反应器；6―污泥区；7―气体流量计；8―气泵部、中部和底部各设1处监测点，其位置分别相对于反应器总高的95%、50%和5%.试验选用自行设计、自行制作的SCMT型自旋传质填料（见）。填料材质为聚丙烯塑料，外环直径110mm内环直径15mm，内、外环之间为20片叶片，叶片宽15.0，厚0.8mm.叶片与内环成竖直状连接，与外环成水平状连接，每一叶片从内环一端到外环一端向相同方向旋转90°类似风扇叶片形状。安装时将填料竖直叠放，中心穿过一轴使填料适当固定。填料的叶片方向可以同向，也可以异向，视需要而定。由于叶片始终处于旋转运动状态，与混合液形成剪切，因此叶片间不会产生污泥於积。SCMT型自旋传质填料示意图对比填料选取江西某填料厂生产的常规散装填料聚丙烯阶梯环，其直径25.0mm，高17.5mm，厚mm，填装后比表面积为阶梯环填料比表面积和生物量均与SCMT型自旋传质填料相近。试验主要考察两种不同填料在生物反应过程中的传质性能。分析方法：COD采用重铬酸钾法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法，UV-2401PC型紫外分光光度计；DO采用YSI-55型溶解氧仪。2结果与讨论清水充氧试验至分别为曝气量0.5、1.0、2.0m3/h时空白反应器与填装SCMT型自旋传质填料反应器的清水充氧试验曲线。从至可以看出，3种情况下填料反应器内DO的增长速度均高于空白反应器。分析认为，填料在气流的作用下促进了反应器内紊流程度的提高，使气泡变小，布气趋于均匀，并使气液传质界面面积增大，更新加快，氧气从气相转移到液相的速度要高于空白反应器。相比之下，空白反应器中气液传质界面小，更新慢，布气不均匀，气泡在水中停留时间短。对于固定静止于反应器内的常规填料，由于不能有效地提高反应器内紊流程度，不利于气泡的变小和布气的均匀，因此其充氧效果与空白反应器相似。3种情况下填料反应器内DO饱和值也均高于空白反应器，这是因为在气液相氧浓度差相同的情况下，填料的旋转运动极大地改善了反应器中的传质条件，提高了氧传质的速率与效率，使水中的DO达到一种过饱和状态；曝气量越大，填料对氧传质的促进作用越显著，水中饱和DO也就越大。当然，这种过饱和状态是不稳定的，但在持续曝气的情况下可以维持一种动态平衡，足够于微生物对氧的利用。曝气量为0. 5m3/h的清水充氧试验Fig.曝气量为1. 0m3/h的清水充氧试验Fig.污水充氧试验生物反应器填装SCMT型自旋传质填料，在生物膜驯化培养30d后，生物膜厚度达到1~2mm，并且在水流和气流的冲刷下附着牢固，反应器内污泥质量浓度（M，启动完成，开始正式进行氧转移效率试验。控制进水流量分别为/h）情况下，分别测定反应器内顶部、中部和底部3个监测点的DO.从试验数据（见表1）可以看出，在同一进水流量、同一曝气量条件下，反应器内3个位置测得的DO基本相同。传统填料生物反应器内，DO通常沿水流方向呈下降趋势。而在本试验装置运行过程中，SCMT型自旋传质填料表现出良好的传质性能，生物反应器内氧传递效率高，这意味着影响氧传质效率的因素不仅仅是气液间的氧浓度梯度，生物反应器内物溆涵3：亦钸淤羊迓鲠亦瞄谗埘狭爵。屮SCMT陛皿豚亦Ml些酿喵3：亦辣索-I dm渖商雏3-K钭菊滕I搏，-ssmit姊旰p 2.3SCMT陴胜漆崧章涔令陪鹑10=1，丨涔浮）铈邙索羊邡滕铈邙8 ~20d.雒M邻，涔浮）s龈铈邙索羊邡1~2d，铒龈黹wSBXtaMltM's7Kmtts龈犁-，浮）一涔铈邙羊胼铈邙8 mSCMT册渌亦钸碱14渖商雏菩琴塍诗雏谗迓tts龈尹伞些湛搭兴敦一：浮滑敦，伞些迓商3连诗5->晒迓P->布晒迓'四搭邙5->回泔斗MlT266d铒龈-C0D菩鲰P1S搭兴钸一：豸闲菩阱藤湔。驾40冲搭兴潲SCMT皑皿渫沛痱袁-回间-锕苹骂淳描绺钿s驶- SCMT皿渌亦M）ft！4s淳猫谗湘M弈屮甬迪琴塍f碱4.甬7Ktt索羊T，刭5zm瞄3：￥晒迓涵饨埋±陕黑球郭。回铈邙索羊屮甬迪到俏碱43：兴郭BLa，甬迪琴塍埘沐浮布兴斗置饨埋黑球m讳；到甬a孕31凇此琛邱29眯8盗2007柙8加潲SCMT睹皿渫痱袁3->￡！1莳3渐砗达0OD淳瞄容钿聊私21私9私琪丑琪乔琪一一琪1 SCMT皑皿渫沛痱袁旰渖爵鄱s髹魂筠痍葙，MT自旋传质填料可以在较短的停留时间（1.或较小的气水比（4：1）下达到排放要求。在运行条件相同的情况下，使用SCMT型自旋传质填料相比使用阶梯环填料，COD去除率平均提高10%氨氮去除率平均提高20%.表2SCMT型自旋传质填料与阶梯环填料生物反应器的出水水质对比1）停留时间气水比注：I：“表示两种情况均不能达标：”表示两种情况均能达标：“八”表示使用SCMT型自旋传质填料情况下可以达标；X SCMT型自旋传质填料在气流作用下，进行无规则旋转，每一个填料都有自己的旋转方式，使整个反应器内的水流、气流的紊流程度非常高型自旋传质填料一方面将水中的氧剪切成更加微小的气泡，增大了传质接触表面，使气-液、液-生物相接触表面不断更新，增大了传质机会；另一方面复杂、高速的水流和气流使传质接触表面的气膜、液膜厚度减小，从而提高了传质速度。应用SCMT型自旋传质填料生物工艺，相比使用阶梯环填料，在保证处理水质达标情况下，可减少曝气池容积50%，节约动力费30%以上。3结论影响氧传质效率的因素不仅仅是气液相间的氧浓度梯度，生物反应器内物系间的传质条件对氧传递效率有较大影响。SCMT型自旋传质填料具有良好的传质性能，能够创造理想的传质条件，使生物反应器内DO基本保持一致，不沿高度发生变化型自旋传质填料的旋转运动显著改善了反应器中的传质条件，提高了氧传质的速率与效率，可以使清水中的DO达到一种过饱和状态。SCMT自旋传质填料在气流作用下的无规则旋转，增大了生物反应器内各物系间的传质接触表面，减小了传质接触表面的界膜厚度，从而提高了传质速度。