折流板水車驅動生物轉盤水力流態及啟動掛膜試驗

胡成瓊，汪思宇，呂錫武

(1. 東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096；2. 東南大學無錫太湖水環境工程研究中心，江蘇無錫 214000)

農村生活污水高污染負荷和低處理率矛盾突出，是導致農村地區及其周邊水環境惡化的主要原因[1]。一方面，在已有的農村生活污水治理研究中，大多只是簡單套用城鎮污水處理工藝[2]，而農村經濟相對落后，專業技術人員極度缺乏[3]，導致污水治理不可持續；另一方面，農村生活污水中氮磷元素是錯放的資源，農業、種植業對氮磷營養鹽具有強大的需求及消納能力[4]。針對此種情況，課題組以“因地制宜、高技術、低投資與運行成本、易維護、資源化利用氮磷”為目標[5]，提出“缺氧調節池-水車驅動生物轉盤-人工濕地”生物生態組合工藝處理農村生活污水，生物單元重點關注有機物的去除和氮磷的無機化，生態單元作為系統的保障單元，進一步降解有機物以及利用氮磷營養鹽，以期達到排放標準，以此構建污染凈化型農業實現氮磷去除和資源化利用[6]，實現可持續發展的農村生活污水治理。

以往的組合工藝中好氧單元大多集中在人工曝氣裝置，普遍存在充氧效果與運行能耗之間的矛盾[7]。生物轉盤技術以其生物量大、抗沖擊負荷能力強、無需曝氣、維護管理方便等優點，目前已被廣泛研究和應用[8]。Li等[9]、施麗君等[7]和Zha等[10]提出的水車驅動生物轉盤(waterwheel driving rotating biological contactors，wdRBC)，利用自循環水驅動水車帶動盤片轉動，代替傳統電機驅動，實現污水跌落充氧、濺水分散充氧和轉盤盤面復氧的三重充氧效果[5]，大大降低運行能耗。

然而，張劍等[11]的研究表明，裝置內部結構及其形成的水力流態是水的物化處理性能的基礎，影響著物質的傳輸、微生物與底物的接觸程度、反應進行的程度和效率。雖然wdRBC具有較好的充氧效果和能耗低的特點，但在實際情況中，反應器的內部結構使其水力流態存在一定的短流、滯留、停留時間分布不均勻等問題，影響反應器處理效率。鑒于此，本研究通過在wdRBC的接觸反應槽內增設折流板改進反應器結構，開發出折流板水車驅動生物轉盤(waterwheel driving baffled rotating biological contactors，wdbRBC)，利用示蹤劑脈沖響應法[12]對改進前后反應器的水力流態進行探究，并采用快速排泥法，考察wdbRBC的掛膜啟動過程，評價改進后反應器掛膜期與穩定期的污染物去除特性，以期為農村生活污水組合處理工藝中好氧單元提供新選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1為wdRBC和wdbRBC的結構示意圖，反應器的長×寬×高為620 mm×350 mm×200 mm，其中水車驅動區長為140 mm，生物轉盤區長為480 mm，反應器有效容積為25 L，盤片直徑為280 mm，間隔為20 mm，浸沒率為45%，盤片表面貼附無紡布材料，wdbRBC的水車驅動區和生物轉盤區底部相通，從左到右用高低放置的折流板將反應器分割為6個隔室。

圖1 結構示意圖 (a) wdRBC；(b) wdbRBCFig.1 Schematic Structure (a) wdRBC; (b) wdbRBC

1.2 試驗用水和接種污泥

試驗模擬農村生活污水進行人工配水，采用乙酸鈉為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鉀為磷源，用碳酸氫鈉調節堿度，并添加氯化鈣、硫酸鎂和微量元素。CODCr質量濃度為101～150 mg/L，氨氮質量濃度為28.46～40.82 mg/L，TP質量濃度為1.89～2.46 mg/L，pH值為7.2～7.5，試驗水溫為12～18 ℃。接種污泥取自無錫市某污水廠AAO工藝好氧活性污泥。

1.3 試驗方法

流態試驗采用示蹤劑(NaCl)脈沖響應法進行清水流態試驗，通過測定反應器內液體的停留時間分布(RTD)曲線，研究反應器內的流態特性。首先在反應器出水口處連接電導率自動測定儀，注滿自來水后測定其電導率底值；然后在反應器進水口處瞬時注入質量濃度為150 mg/L的NaCl溶液50 mL，設定電導率儀每1 min自動讀數并記錄，整個讀數記錄時間為反應器的3倍理論水力停留時間(HRT)。最后扣除自來水的電導率本底值后換算成NaCl的濃度[13]。

反應器掛膜啟動采用快速排泥法[14]。將接種污泥與人工模擬配水以1∶2注入接觸反應槽內，盤片慢慢旋轉，使游離菌種附著于生物盤片上，48 h后排空接觸反應槽，之后反應器以有機模擬廢水連續進出水，以自循環水驅動水車帶動盤片轉動，維持盤片轉速為3 r/min，每日檢測進出水中COD和氨氮的濃度。

1.4 分析方法

電導率采用雷磁DDSJ-308F型電導率儀測定，COD采用哈?？焖傧夥?哈希消解器DRB200，哈?？梢姽夥止夤舛扔婦R3900)測定；氨氮采用鈉氏試劑比色法測定(HJ 535—2009)；生物相檢測采用顯微鏡觀察法。

2 結果與討論

2.1 反應器的水力特性

將流態試驗下的時間、電導率讀數和相對應的NaCl濃度依據式(1)～式(3)作歸一化處理，繪制反應器的RTD特性曲線(圖2)，并依據式(4)～式(13)計算主要參數值(表1)。

表1 HRT為0.5、2 h時wdRBC和wdbRBC的RTD數值分析結果Tab.1 Effect of Different Contactors on RTD Curve under HRT=0.5 h and HRT=2 h

圖2 wdRBC和wdbRBC的停留時間和累計液齡分布 函數曲線 (a) HRT=0.5 h; (b) HRT=2 hFig.2 Distribution Function Curve of Retention Time and Exit-Age of wdRBC and wdbRBC (a) HRT=0.5 h; (b) HRT=2 h

(1)

(2)

(3)

其中：θ——標準化時間；

t——示蹤劑流出反應器的時間，h；

HRT——理論水力停留時間，流量/反應器容積，h；

C(t)——t時刻反應器出水中示蹤劑的質量濃度，mg/L；

E(t)——停留時間分布函數；

F(t)——累計液齡分布函數。

(4)

(5)

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(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

η=1-vaμa

(12)

(13)

其中：MDI——Morrill分散指數；

tμ——觀察到示蹤劑峰值的時間，h;

t10、t50、t90——10%、50%、90%示蹤劑通過系統的時間，h；

σt2——停留時間分布的散度；

σθ2——標準化方差；

Pe——Peclet準數；

N——串聯級數；

η——反應器死區率;

νa——E(θ)-θ曲線的平均值；

μa——θ=2時示蹤劑流出量占注入總和的比例。

由圖2和表1可知，當HRT為0.5 h時，wdRBC和wdbRBC的E(θ)曲線都是向左傾斜，但是wdRBC波峰明顯靠前且曲線拖尾嚴重。wdRBC的峰值出現時間和10%示蹤劑流量時間都早于wdbRBC，但90%示蹤劑流量時間遠遠晚于wdbRBC，導致wdRBC的MDI值為10.06，是wdbRBC的近4倍，平推流反應器的MDI值是1，而完全混合系統的MDI值大約為22[15]，說明wdRBC的HRT兩極分化嚴重，大部分液體不能集中在較短時間內流出反應器，部分進水未經充分反應就流出反應器。由F(θ)曲線可知，在開始階段，wdRBC的斜率遠高于wdbRBC，但是θ到了1之后，其F曲線上升幅度遠低于wdbRBC。當HRT增大到2 h時，wdRBC出現波峰后移，但其MDI值仍為wdbRBC的2倍多。

串級模型參數N表示反應器的流態相當于N個體積相同的理想混合反應器串聯，N值提高表明反應器理論串聯完全混合槽數的增加。當N為1時，反應器流態為單級全混流；當N趨于無窮時，反應器流態為平推流[16]。添加折流板后，反應器的N值分別由2.03提高到7.77，2.78提高到5.78。反應器的軸向混合特性一般用畢克列準數Pe表示[17]。當Pe趨于0時，對流傳遞速率較擴散傳遞速率要慢得多，為完全混合狀態；當趨于無窮時，擴散傳遞速率相對于對流傳遞速率可以忽略，即為平推流。根據郭素紅等[18]研究，當Pe>50時，流動狀態偏離推流較??；當Pe<5時，流體在流動方向上具有極大程度的分散；當Pe為5～50時，位于中間，為過渡狀態。添加折流板后，反應器的Pe從2.64上升到14.47，4.27上升到10.45。由N值和Pe值的變化可知，在接觸氧化槽內添加折流板后，反應器整體流態從混流型向推流型轉變，局部屬于完全混合，反應器流態得到了優化。分析原因可能是增加折流板后，流體在各自隔室內趨于完全混合狀態，但在隔室與隔室間由于折流板限制了流體的不規則流動而呈現出推流狀態。

在HRT為0.5、2 h時，wdRBC的死區率分別為35.29%和28.83%，占反應器容積的1/3左右，增添折流板后反應器死區明顯減少，降低為3.10%和8.19%。該脈沖響應試驗是在自來水中進行的，反應器死區是指水力死區，主要是與反應器本身結構相關[19]，在相同HRT條件下，wdbRBC的死水區容積率明顯小于wdRBC，說明增加折流板優化了反應器流態，大大提高了反應器的容積利用率。

圖3為wdbRBC在不同HRT下的RTD曲線，反應器結構經過改進后，在4個不同HRT下wdbRBC的RTD曲線比較相似，說明當HRT為1、1.5、2.5、3 h時，反應器結構對RTD的影響一致。由表2可知，在不同HRT下wdbRBC標準化方差σ2小，平均HRT均接近理論水平，死水區容積率較低，4條曲線都沒有出現明顯的拖尾現象[20]，說明wdbRBC在HRT波動范圍內表現出良好的水力流態特性。對于某些折流板反應器，N和Pe隨著HRT的增大而增大，即反應器流態由完全混合流向平推流轉變[21]，而本試驗中N和Pe隨著HRT增大有減小的趨勢，分析原因可能是wdbRBC在各隔室間所呈現的推流狀態主要由水流的沖力作用所致，HRT增大意味著進水流量減小，即水流的沖力減小，故隨著HRT的增大整體流態推流特性變弱。

圖3 不同HRT下wdbRBC的停留時間和累計 液齡分布函數曲線Fig.3 Distribution Function Curve of Retention Time and Exit-Age of wdbRBC under Different HRTs

表2 不同HRT下wdbRBC的RTD數值分析結果Tab.2 Effect of wdbRBC on RTD Curve under Different HRTs

2.2 反應器的掛膜啟動

在wdbRBC啟動掛膜階段，研究了反應器對進水COD、氨氮去除率的變化，結果如圖4所示。在啟動掛膜階段，第1～10 d，COD和氨氮的去除率整體上隨時間的推移而增加，此后趨于穩定。在掛膜的第11 d和第14 d，進水CODCr和氨氮分別出現了較大的波動，但并未對出水水質產生較大的影響，說明反應器應對沖擊負荷能力較強。在平均進水CODCr為112.51 mg/L，氨氮為32.12 mg/L 條件下，出水CODCr<15 mg/L，氨氮<5 mg/L，COD和氨氮平均去除率均在90%左右，出水COD、氨氮達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，表明反應器掛膜啟動成功。根據研究成果[22-25]，本試驗掛膜啟動期間反應器水溫在12～18 ℃，屬于低溫區間，wdbRBC能在10 d內啟動成功達到穩定，說明反應器對水溫的具有較強的適應性，掛膜效率較高。

如圖5所示，沿進水流向方向，各隔室COD、氨氮的濃度呈遞減趨勢。COD進入反應器后迅速降低，wdbRBC第1隔室有機物去除率達59%，第1、2隔室對COD的去除起主要作用，總去除貢獻率為85.32%;而第1、2隔室對氨氮的去除貢獻率低，僅為9.30%，進水氨氮去除主要發生在第3、4、5隔室內，總去除貢獻率達81.88%。從外觀上看，第1、2隔室盤片上的生物膜較厚，而后面隔室里的盤片較薄，這主要因為添加折流板后，反應器流態整體呈現推流式，由于盤片轉動，在每個隔室內又趨于全混合，第1、2隔室的污水污染物濃度相對較高，污染物和微生物間的傳質效果好，好氧異養菌消耗大量有機物和溶解氧，得到快速繁殖，抑制了硝化細菌的增長，故此段以有機物去除為主，在鏡檢中也發現第1隔室內生物膜上長有很多絲狀菌[圖6 (a)]。而后面隔室污水中有機物含量低，氨氮含量高，異養菌生長受限，由于盤片轉動和空氣雙重復氧作用，使得后面隔室生物膜內溶解氧含量增加，自養硝化細菌成為優勢菌，故此段以氨氮去除為主。第6隔室能夠為反應器出水水質的穩定發揮重要作用，鏡檢發現此隔室生物膜上含有大量微生物鐘蟲[圖6 (b) ]，說明系統出水水質良好[26]。

圖5 wdbRBC各隔室濃度變化及去除貢獻率 (a) CODCr；(b)氨氮Fig.5 Concentration Change and Removal Contribution in Different Chambers of wdbRBC (a) CODCr; (b) Ammonia Nitrogen

圖6 wdbRBC鏡檢圖(40×) (a)第1隔室；(b)第6隔室Fig.6 Optical Microphotographs of wdbRBC's Biofilm (40×) (a) the 1th Chamber; (b) the 6th Chamber

3 結論

通過在接觸氧化槽內添加折流板對wdRBC內部結構進行改進，在HRT分別為0.5、2 h時，反應器改進后N值分別由2.03和2.78提高到7.77和5.78，Pe值分別由2.64和14.47提高到14.47和10.45，死區率分別由35.29%和28.83%下降到3.10%和8.19%，說明添加折流板大大改善了反應器流態，同時使反應器的水力死區減少。

采用快速排泥法啟動wdbRBC，有機物去除主要發生在第1、2隔室，氨氮去除主要發生在第3、4和5隔室內，wdbRBC反應器掛膜周期為10 d，在后期穩定運行階段，出水CODCr<15 mg/L，氨氮<5 mg/L，COD和氨氮平均去除率均在90%左右，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。