朱文亭，颜玲，阎海英，邢国平，孙宝盛
（天津大学 环境工程系，天津 300072） 摘要：文中提出的循环移动载体生物膜反应器，对传统移动床生物膜反应器的运行方式和池型结构进行了改造，使水力流动特性进一步改善，提高了处理效果。在清水条件下研究了反应器的水力流动、接触反应和曝气充氧特征，并通过验研究了该工艺处理有机废水的性能和效果。
关键词：移动床生物膜反应器；循环移动载体生物膜反应器；水力特性；载体
中图分类号：X505
文献标识码：C
文章编号：1000-4602(2000)11-0051-04 移动床生物膜反应器是近年来在生物接触氧化法和生物流化床的基础上开发的一种新型高效生物膜法废水处理装置，它既具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥量少的特点，又具有活性污泥法的高效性和运转灵活性。国内外的研究也证明，移动床生物膜反应器处理生活污水、工业废水及脱氮除磷都具有较好的效果［1、2、3］。由于池型和曝气装置的限制，生物载体在移动床反应器内的移动状态不均衡，池内不同程度地存在死区，混合传质效果受到影响；为保证载体的循环移动，所需动力消耗较高，在水力流动特性及能耗方面尚有待于改善。鉴于以上问题，遂对一般移动床生物膜反应器的池型和内部结构进行改造，开发了循环移动载体生物膜反应器，并进行了循环移动载体生物膜反应器处理有机废水的试验研究，获得了可行的结果。 1 试验概况 生物载体采用天津市科林思有限公司生产的CLS —Ⅲ型聚丙烯填料，技术参数如表1所示。 表1 填料的技术参数| 外观 | 规格(mm) | 单个填料质量(g) | 填料密度(g/mL) | 空隙率(%) | 总表面积(mm2) | 总比表面积(m2/m3) |  | 内径25
H=25，δ=0.6
外齿L=2 | 1.6987 | 0.96 | 54 | 5820.75 | 410.20 | 试验装置见图1。 
在上升气流的推动下，填料在反应器的反应区形成了良好的循环移动，混合液从隔板底部的圆孔流入到右侧沉淀区，沉淀后的澄清水经上部的溢流孔溢流出水。反应器的导流板在此起了很好的导流作用，底角抹成斜面也是为了改善反应器的流动特性进行强制循环。试验用人工配制的葡萄糖废水作为进水，以标准分析方法测定CODCr，并通过镜检了解生物膜构成。试验水力停留时间2～4h，进水COD浓度200～650mg/L，容积负荷1.54～5.36kg/(m3·d)，每周期通过调整进水浓度及进水量改变容积负荷与水力停留时间，以考察不同停留时间下反应器的特性。在保证整个反应器中的填料循环移动和满足微生物呼吸需氧的前提下，气水比保持在10∶1，每个周期稳定运行20d，以保证获得稳态结果。 2 试验结果分析与讨论 2.1 反应器的工艺特征
2.1.1 水力流动特征
反应器的构造在很大程度上决定了它的水力特性，通过导流板的强制循环，使循环移动载体生物膜反应器的水力流动特性同一般移动床生物膜反应器相比得到明显改善，载体在全池内的循环、混合传质效果更好，池内几乎不存在死角。结果表明，反应器的长深比为0.5左右时，有利于填料的完全移动。
填料的填充比和曝气量也影响着反应器的水力流动特性。清水试验发现，过大或过小的填充比都不利于填料转动，当填充比在30%～65%时，填料转动较为充分，本试验采用了55%的填充比。确定填充比后，打开进气阀门，并逐渐增大气量(气压恒定在0.2 MPa)，记录使得载体刚好在全池完全转动或近似完全转动的气量值，然后观察转动情况，测定提升区内载体的运动速度。测定结果见表2。 表2 水力流动特性测定结果| 填料填充比(%) | 32 | 35 | 39 | 44 | 48 | 53 | 60 | 65 | | 气量(m3/h) | 0.33 | 0.35 | 0.38 | 0.42 | 0.45 | 0.49 | 0.55 | 0.61 | | 载体运动速度(m/s) | 0.24 | 0.26 | 0.26 | 0.28 | 0.31 | 0.35 | 0.38 | 0.42 | 2.1.2 接触反应特征
生物处理中的有机物降解，除了取决于微生物总量的多少外，还取决于允许有机物渗透的微生物膜表面积的大小，以及由该表面积所包围的微生物的活性厚度。对于循环移动载体生物膜反应器，在不同的进水流量下测定了反应器内各部分的COD浓度，发现提升区、回落接触区、沉淀区和出水COD浓度相差不大(见表3)。 表3 反应器内COD浓度分布| 项目 | COD(mg/L) | | 流量(L/h) | 43 | 43 | 57 | 57 | 86 | 86 | | 进水 | 338 | 551 | 466 | 513 | 318 | 447 | | 提升区 | 35 | 65 | 67 | 79 | 85 | 109 | | 回落接触区 | 38 | 67 | 72 | 82 | 87 | 109 | | 沉淀区 | 30 | 63 | 67 | 77 | 84 | 106 | | 出水 | 32 | 62 | 67 | 78 | 84 | 107 | 表3表明循环移动载体生物膜反应器大致符合完全混合流反应器的特征，这种完全混合流态有利于污染物、溶解氧和生物载体的轴向与横向混合，从而提高渗透速率，所有载体在池内的地位和作用都是相同的，所有生物膜表面都是同一有效的；提升区内载体自身之间的摩擦碰撞，以及气液对其产生的剪切力，加速了生物膜的更新换代，控制了载体表面生物膜的厚度，减小了内传质阻力，有利于有机物的降解；由于载体与污水的循环速度不同，污水以较高的速度穿过载体间的空隙，并与载体表面的生物膜进行接触反应，整个循环过程中，载体与污水始终处于良好的混合接触状态，强化了微生物与污水、氧气间的三相传质过程。
2.1.3 曝气充氧特征
验采用微孔管曝气。当气泡从空气扩散装置释放后高速上升，在受到水流剪切力的同时，撞击载体表面，使气泡破裂，直径减小，相应增大了接触面积，另外也促进了载体空隙间的水流循环，得以接触到更多的水流。因而，在循环移动载体生物膜反应器的运行过程中，可明显压缩气膜和液膜的厚度，增大接触比表面积，从而大大提高了氧气的传质速度。通过清水试验测定了氧总传递效率系数KLa及氧利用率，结果见表4。 表4 清水条件下不同气量的充氧性能测试| 气量Q(m3/h) | 氧传递系数KLa(1/min) | 氧利用效率(%) | | 0.5 | 0.1916 | 11.6 | | 0.7 | 0.3164 | 13.65 | | 0.85 | 0.3403 | 12.09 | 清水充氧试验结果表明，提高供气量，氧传递系数也随之提高，说明空气流速增大，气液接触比表面积增大，紊流剧烈，气膜和液膜均被压缩，氧的传递速率加快。但是，当供气量大幅度提高时，形成的气泡直径增大，在液相中停留的时间短，氧的利用率反而有所下降。此外，由于曝气量的不同，引起反应器内紊动程度及载体上生物膜所受剪切程度的不同，使反应器内的混合传质特别是生物膜更新速率存在一定差别，因而曝气量的变化就间接地影响到处理效果。所以在实际工程应用时，既要使曝气池中溶氧在2 mg/L以上，又不宜曝气量太高，否则不但会由于载体生物膜间剪切强度的增大，部分性能良好的生物膜被强制性脱落，影响生物降解，导致处理效果变差，而且会造成运行费用上不必要的浪费。
一般情况下，由于填料在反应器中不断循环移动的需要，移动床反应器所需的空气量应远大于活性污泥法或固定床反应器，而本工艺采用的气水比(10∶1)接近于其他工艺，其节能特点显而易见。
2.2 反应器运行效果
2.2.1 水力停留时间对处理效率的影响
在循环载体生物膜反应器挂膜成功并达到稳定运行后，分三个运行阶段来考察水力停留时间对处理效果的影响。在水力停留时间分别为4h、3h、2h，进水量分别为43L/h、57L/h、86L/h的条件下连续运行，测定的进、出水的COD值及COD去除率的变化情况见图2、3、4
。  
从图中可以看出，在水力停留时间为4h、进水COD浓度为280～650mg/L时，COD去除率达87%以上，出水COD值＜70mg/L；当水力停留时间为3h，进水COD浓度为200～550 mg/L时，COD去除率达83%以上；即使水力停留时间为2h时，去除率仍在70%以上，说明了循环载体生物膜反应器具有较强的处理能力。
另外，试验过程中，进水浓度由小到大，且有一定幅度波动，而出水浓度虽随进水浓度的增大而有所增大，但变化幅度却大大减小，这说明循环载体生物膜反应器具有在较高的负荷下出水稳定的优点。因此，循环载体生物膜反应器中的污染物去除量及去除率均随进水COD浓度的提高而提高。
图5给出了不同的水力停留时间下平均进、出水浓度以及COD去除率的变化。 
由图中可以看出，随着停留时间的增加，COD去除率增大，且出水COD浓度也逐渐降低。可见停留时间对去除率有一定的影响。但停留时间较短时，生物有机负荷较高，生物活性较低，
部分生物膜脱落，出水中随流量的增大而夹带少量生物膜流出，出水效果相对较差。延长停留时间，虽然出水效果好，但降低了处理负荷，提高了单位处理量工程造价和运行管理费用，在经济上是划不来的。因此，综合考虑去除效率、容积负荷与投资效率的关系，在实际运行中建议控制停留时间在3h左右。
2.2.2 容积负荷与COD去除率的关系  
图6NV-η曲线图反映了容积负荷发生变化时，COD去除率的变化情况，即去除率随负荷升高呈上升趋势。当负荷为4.26kg/(m3·d)时，COD去除率可达85.4%，这表明循环载体生物膜反应器具有较高的抗冲击能力和良好的混合流态及较强的充氧能力，使高浓度有机物迅速得到充分的稀释与降解。
图7为不同停留时间下NV-η曲线。
图7表明，随着停留时间的缩短，即进水容积负荷的加大，整个试验过程的COD去除率呈下降趋势。但在相同的HRT下，COD去除率是随着容积负荷的增大而增大的。从图中还可以看出，在不同的HRT下，COD去除率上升的趋势也不尽相同，随着HRT的缩短，这种上升趋势被减弱。
另外，在进水容积负荷都为2.6kg/(m3·d)时，可以看出不同的水力停留时间下，COD去除率也不相同。即在近似相同的负荷下，水力停留时间越长，COD去除率就越高。由此可见循环载体生物膜反应器中水力停留时间的重要性。
2.2.3 容积负荷与去除COD负荷的关系 
由图8可见，在试验的容积负荷范围内，COD去除负荷是随着容积负荷的增大而增大的，Nr与Nv大致成一直线关系，且在容积负荷为4.26kg/(m3·d)时，去除COD负荷也没有下降。
去除负荷Nr与容积负荷Nv之间的正比关系可表示为Nr＝0.86Nv，其主要原因是负荷增高时，微生物周围的营养物质丰富，生物体的生长繁殖不受底物限制，因而细胞繁殖很快，活力也很强，故处理能力也必然提高。
2.2.4 污泥负荷与COD去除率的关系
如图9所示，随着污泥负荷的提高，COD去除率先是增加而后呈减少的趋势。这是因为当污泥负荷在一定范围内提高时，会引起生物浓度、生物膜厚的增大。同时，随着水中营养物的增多，微生物的生长繁殖加快，处于较高的能量水平，具有较高的活力，代谢速度加快，因而降解有机物的速度也加快，去除率也随之上升。但当污泥负荷继续增加至超出这个范围时，因为微生物已达到最大比增殖速度，所以增加有机物的浓度会引起去除率下降。 
3 结论 ① 循环移动载体生物膜反应器处理生活污水具有良好的效果。当进水COD为200～700mg/L，气水比为10∶1，水力停留时间为4 h时，COD平均去除率可达88.8%。
② 循环移动载体生物膜反应器的充氧能力强，氧利用率达13%。因为载体循环移动的需要，一般移动床反应器能耗较高，但本试验采用的气水比为10∶1，接近于其他生物膜法，节能效果明显。
③ 循环移动载体生物膜反应器内的流态接近完全混合流，良好的水力流动特征，在创造良好的传质效果的同时，也控制了生物膜厚度，使微生物始终处于生长旺盛的阶段，进而加快有机物的降解速率，而良好的接触反应特性则使微生物充分发挥其活性。所以，循环载体生物膜反应器具有高效、出水稳定和抗冲击负荷能力强的特点。
④ 水力停留时间是影响循环移动载体生物膜反应器运行性能的重要因素。在水力停留时间分别为4h、3h和2h时，反应器的COD平均去除率为88.8%、84.7%和72%。 参考文献：
［1］H Odegaard,B Rusten,T Westrum.A New Moving Bed Biofilm Reactor-Application and Results［J］.Wat.Sci.Tech.,1994，29(10-11).
［2］Minett and Steve.The Kaladnes Moving Bed Process for Wastewater Treatment at Pulp and Paper Mills［J］.Filtration & Separation,1995，32(5).
［3］L J Hem,B Rusten,H Odegaard.Nitification in a Moving Bed Biofilm Reactor［J］.Wat.Res.,1994，28(6).
电话：(022)2740644327404480
收稿日期：2000-03-18 | 
