高分散、高传质好氧生化反应器的处理效果

范潇梦1，王绍文1，王鹤立2，赫俊国1，赵锰1，赵立功1，李文杰3，潘志锋4
(1.哈尔滨工业大学多相工艺研究中心，黑龙江哈尔滨150090；2.吉林建筑工程学院城市建设系，吉林长春130021；3.长春市市政工程设计研究院，吉林长春130021；4.广东省佛山市政设计院，广东佛山528000)

　　摘　要：采用高分散系高传质好氧生化反应器对中高浓度废水进行了直接好氧曝气处理，结果表明该工艺曝气均匀，能够避免曝气死区，曝气池中的污水、活性污泥、气泡在强烈的湍动下处于高分散状态，大大提高了传质速率，从而缩短了曝气池的 停留时间，节约了气量，并且出水完全能够达到行业标准，具有良好的应用前景。
　　关键词：中高浓度废水；受限曝气；湍流剪切；传质
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)02-0046-03

　　污水好氧处理工艺是污水生物处理领域的主要技术之一，但目前该处理系统还存在着某些问题，如活性污泥反应器—曝气池池体占地面积大，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60%～70%，而能量利用率只有百分之几^［1］。因而高效节能型曝气设备的研制是当前污水生物处理领域面临的一个重要课题。?
　　目前曝气池存在着两大问题：其一是曝气头之间存在着曝气死区或曝气不足的地方，这些区域的氧与有机底物向活性污泥及生物膜转移的速率远低于主流区，故生化效果很差，为此需要大大加长混合液在曝气池中的停留时间，同时也就需要增大曝气池的体积，另外由于主流区气流相当集中，不利于氧向水体中转移，使得氧的利用率很低；其二是氧与有机底物向活性污泥菌胶团、生物膜的传质速率很低，生化反应生成物从活性污泥、生物膜移走的速率也很低，这一细部传质称为亚微观传质，由于其传质速率低(远低于生化反应速率)，传质阻力比宏观传质阻力高几个数量级^［2］。高分散系高传质好氧生化反应系统正是基于以上两方面的考虑，在原有曝气系统的基础上加以改进，大大加强了三相传质，提高了氧的利用率，节约了能耗，降低了运行成本。

1　系统组成及机理

1.1　系统组成
　　如图1所示，高分散系高传质好氧生化反应系统由生物反应器和曝气受限器组成，即将作为生物膜附着载体和气泡上升通道的固定式填料分层置于曝气池内，每层填料之间间隔300mm，曝气池底铺设大型微孔曝气头，池内及填料表面靠曝气维持一定浓度的生物量，从而去除原水中的有机物。

1.2　系统机理
　　高分散、高传质好氧生化反应是通过受限曝气实现的。均匀受限曝气的基本原理如下：①气泡在浮力作用下自动上升，经由曝气受限器的小尺寸竖向通道时在水流中造成强烈的湍流剪切，并形成高比例、高强度的微涡旋，这些涡旋的离心惯性效应大大增加了亚微观传质速率，使得活性污泥菌胶团及生物膜的生化反应生成物尽快从其周围移走，生化所消耗的氧与有机底物也尽快得到补充；②在小尺寸竖向通道中产生强烈的湍流剪切抑制了活性污泥絮体与气泡的合并长大，使其处于高比表面积和有利的传质状态，从而形成了曝气池内高分散、高传质的好氧生化反应环境；③曝气受限器的表面也是生物膜的附着面，由于受限器竖向通道中水流的强湍流剪切作用而使生物膜薄、活性好、传质效率高，因此均匀受限曝气是高效活性污泥法与高效生物膜法的结合，并且在活性污泥曝气池内投加填料是降低污泥负荷、防止污泥膨胀和实现硝化的有效措施。

2　试验部分

2.1　废水水质
　　中高浓度废水由玉米深加工淀粉废水与生活污水按一定比例配制而成，水质情况如表1所示。

表1试验用混合污水水质 项目 浓度范围 经常值 pH值 6.3～7.0 6.8 COD(mg/L) 1300～2000 1500 BOD₅(mg/L) 700～1100 850 SS(mg/L) 92.5～165 118 NH₃-N(mg/L) 82.5～115 96.5 TP(mg/L) 21.0～55.8 34.2

2.2 试验装置
　　试验工艺流程如图2所示。

　　曝气池内填充填料作为受限器，使气、水、泥的流动受其通道壁面的限制而形成受限曝气，强化亚微观三相传质。底部铺设大型微孔曝气头，形成均匀曝气。试验用反应器的有效容积为9.8m³，处理水量为2.45m³/h，受限器的内径为35mm，材料为聚丙烯。污泥回流比为60%，进水与回流污泥采用自动控制连续运行。供气量通过气体流量计控制。
2.3　污泥驯化
　　以邻近现有曝气池内的活性污泥为菌种，配加一定量的生活污水，以小气量曝气1d，同时将生活污水以小流量连续进入反应器，二沉池连续出水。3d后填料上开始有稀薄的菌胶团和大量的游离细菌，无填料处的污泥颜色呈黄褐色，污泥浓度逐渐增加，沉淀性能较好。之后逐渐加大高浓度废水的流量，以提高配制混合污水的浓度。10d后进水COD浓度提高到1500～2000mg/L，二沉池出水COD浓度基本稳定在60mg/L左右，填料上的生物膜也变得致密，且具有了一定的厚度，这表明驯化成功，即投入正常运行。?

3　试验结果与分析

　　在水温为25～29℃、曝气池停留时间为4h、气水比为10∶1的典型运行参数下，对高分散、高传质好氧生化反应器处理中高浓度废水进行了30d的连续监测。?
3.1　COD的去除效果
　　图3是反应器进、出水的COD浓度随时间的变化。

　　由图3可见，进水COD浓度随时间在1300～2000mg/L之间变化，出水COD浓度可稳定在50～60mg/L，其去除率为90%～95%。可见对有机物的去除效果很好。?
3.2　BOD₅的去除效果
　　试验中每2d取样1次检测进、出水BOD₅，结果见图4。?

　　由图4可见，当进水BOD₅为700～1100mg/L时，试验系统的出水BOD₅为18～30mg/L，去除率在97%左右。?
3.3　其他污染物的去除
　　试验中对SS、NH₃-N、TP、硫化物、挥发酚等指标也进行了定期监测，进、出水情况见表2。

表2　其他污染物进、出水指标mg/L? 项目 进水 出水 SS 92.5～165 25～70 NH₃-N 82.5～115 20～32 TP 21.0～55.8 1.8～2.6 硫化物 4.1～8.4 0.6～0.9 挥发酚 0.25～0.42 0.001～0.01

　　由表2可见，出水中的SS、硫化物、挥发酚等指标令人较为满意，对N、P的去除率虽然较高，但出水浓度仍高于排放标准。试验后期在原工艺的前端添加了厌氧段以脱N除P，结果表明，出水N、P指标完全能够达到行业标准。?

4　活性污泥性能

　　高分散系高传质好氧生化反应器对污染物的去除是由活性污泥与生物膜共同作用的结果，其中活性污泥要经二沉池沉淀后回流到曝气池，因此其沉淀性能直接影响出水水质。研究发现，此种中高浓度废水曝气池中活性污泥的SVI值较高(180～220左右)，但生物相 镜检过程中未发现大量丝状菌，同时二沉池运行正常，未发现污泥流失现象，污泥的颜[LL] 色也较正常，故认为此种活性污泥的性能良好，可满足工艺要求，对有机污染物有较高的去除率。

5　结论

　　①试验表明，采用均匀受限曝气法处理中高浓度玉米废水是可行的。在未经酸化的情况下，当进水COD介于1300～2000mg/L、BOD₅介于700～1100mg/L时，经4h曝气 处理后可获得COD＜60mg/L、BOD₅＜30mg/L的稳定出水，达到行业排放标准。
　　②高分散系高传质好氧生化反应器强化了三相传质，形成了良好的好氧生化环境，并可维持很高的生物量，保证了对此类废水处理有较高的容积负荷［可达9 kgCOD/(m³·d)］，大大缩小了池体体积。
　　③试验系统大大提高了氧的利用率，节省了气量，气水比只需10∶1即可使BOD₅去除率达97%以上。
　　④实际运行效果显示，对此类中高浓度废水的处理，该工艺明显优于传统处理方法，不仅曝气池体积可缩减30%～50%，曝气能耗也可降低50%，而且系统具有运行灵活、启动迅速、抗冲击负荷能力较强的特点。

参考文献：

　　［1］王绍文，王鹤立，徐立群等.高分散系高传质均匀受限曝气处理制革废水的研究［J］.中国给水排水，1999，15(8)：1-5.
　　［2］王绍文，姜安玺，孙喆.混凝动力学的涡旋理论探讨［J］.中国给水排水，1991，7(1)：4-7.

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　　收稿日期：2001-07-17