朱文亭，顏玲，閻海英，邢國平，孫寶盛
（天津大學 環境工程系，天津 300072）

　　摘要：文中提出的循環移動載體生物膜反應器，對傳統移動床生物膜反應器的運行方式和池型結構進行了改造，使水力流動特性進一步改善，提高了處理效果。在清水條件下研究了反應器的水力流動、接觸反應和曝氣充氧特征，并通過驗研究了該工藝處理有機廢水的性能和效果。
　　關鍵詞：移動床生物膜反應器；循環移動載體生物膜反應器；水力特性；載體
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)11-0051-04

　　移動床生物膜反應器是近年來在生物接觸氧化法和生物流化床的基礎上開發的一種新型高效生物膜法廢水處理裝置，它既具有傳統生物膜法耐沖擊負荷、泥齡長、剩余污泥量少的特點，又具有活性污泥法的高效性和運轉靈活性。國內外的研究也證明，移動床生物膜反應器處理生活污水、工業廢水及脫氮除磷都具有較好的效果^{［1、2、3］}。由于池型和曝氣裝置的限制，生物載體在移動床反應器內的移動狀態不均衡，池內不同程度地存在死區，混合傳質效果受到影響；為保證載體的循環移動，所需動力消耗較高，在水力流動特性及能耗方面尚有待于改善。鑒于以上問題，遂對一般移動床生物膜反應器的池型和內部結構進行改造，開發了循環移動載體生物膜反應器，并進行了循環移動載體生物膜反應器處理有機廢水的試驗研究，獲得了可行的結果。

　　1 試驗概況

　　生物載體采用天津市科林思有限公司生產的CLS —Ⅲ型聚丙烯填料，技術參數如表1所示。

表1 填料的技術參數

外觀	規格(mm)	單個填料質量(g)	填料密度(g/mL)	空隙率(%)	總表面積(mm2)	總比表面積(m2/m3)
	內徑25 H=25，δ=0.6 外齒L=2	1.6987	0.96	54	5820.75	410.20

　　試驗裝置見圖1。

　　在上升氣流的推動下，填料在反應器的反應區形成了良好的循環移動，混合液從隔板底部的圓孔流入到右側沉淀區，沉淀后的澄清水經上部的溢流孔溢流出水。反應器的導流板在此起了很好的導流作用，底角抹成斜面也是為了改善反應器的流動特性進行強制循環。試驗用人工配制的葡萄糖廢水作為進水，以標準分析方法測定CODCr，并通過鏡檢了解生物膜構成。試驗水力停留時間2～4h，進水COD濃度200～650mg/L，容積負荷1.54～5.36kg/(m³·d)，每周期通過調整進水濃度及進水量改變容積負荷與水力停留時間，以考察不同停留時間下反應器的特性。在保證整個反應器中的填料循環移動和滿足微生物呼吸需氧的前提下，氣水比保持在10∶1，每個周期穩定運行20d，以保證獲得穩態結果。

　　2 試驗結果分析與討論

　　2.1 反應器的工藝特征
　　2.1.1 水力流動特征
　　反應器的構造在很大程度上決定了它的水力特性，通過導流板的強制循環，使循環移動載體生物膜反應器的水力流動特性同一般移動床生物膜反應器相比得到明顯改善，載體在全池內的循環、混合傳質效果更好，池內幾乎不存在死角。結果表明，反應器的長深比為0.5左右時，有利于填料的完全移動。
　　填料的填充比和曝氣量也影響著反應器的水力流動特性。清水試驗發現，過大或過小的填充比都不利于填料轉動，當填充比在30%～65%時，填料轉動較為充分，本試驗采用了55%的填充比。確定填充比后，打開進氣閥門，并逐漸增大氣量(氣壓恒定在0.2 MPa)，記錄使得載體剛好在全池完全轉動或近似完全轉動的氣量值，然后觀察轉動情況，測定提升區內載體的運動速度。測定結果見表2。

　　2.1.2 接觸反應特征
　　生物處理中的有機物降解，除了取決于微生物總量的多少外，還取決于允許有機物滲透的微生物膜表面積的大小，以及由該表面積所包圍的微生物的活性厚度。對于循環移動載體生物膜反應器，在不同的進水流量下測定了反應器內各部分的COD濃度，發現提升區、回落接觸區、沉淀區和出水COD濃度相差不大(見表3)。

　　表3表明循環移動載體生物膜反應器大致符合完全混合流反應器的特征，這種完全混合流態有利于污染物、溶解氧和生物載體的軸向與橫向混合，從而提高滲透速率，所有載體在池內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；提升區內載體自身之間的摩擦碰撞，以及氣液對其產生的剪切力，加速了生物膜的更新換代，控制了載體表面生物膜的厚度，減小了內傳質阻力，有利于有機物的降解；由于載體與污水的循環速度不同，污水以較高的速度穿過載體間的空隙，并與載體表面的生物膜進行接觸反應，整個循環過程中，載體與污水始終處于良好的混合接觸狀態，強化了微生物與污水、氧氣間的三相傳質過程。
　　2.1.3 曝氣充氧特征
　　驗采用微孔管曝氣。當氣泡從空氣擴散裝置釋放后高速上升，在受到水流剪切力的同時，撞擊載體表面，使氣泡破裂，直徑減小，相應增大了接觸面積，另外也促進了載體空隙間的水流循環，得以接觸到更多的水流。因而，在循環移動載體生物膜反應器的運行過程中，可明顯壓縮氣膜和液膜的厚度，增大接觸比表面積，從而大大提高了氧氣的傳質速度。通過清水試驗測定了氧總傳遞效率系數KLa及氧利用率，結果見表4。

　　清水充氧試驗結果表明，提高供氣量，氧傳遞系數也隨之提高，說明空氣流速增大，氣液接觸比表面積增大，紊流劇烈，氣膜和液膜均被壓縮，氧的傳遞速率加快。但是，當供氣量大幅度提高時，形成的氣泡直徑增大，在液相中停留的時間短，氧的利用率反而有所下降。此外，由于曝氣量的不同，引起反應器內紊動程度及載體上生物膜所受剪切程度的不同，使反應器內的混合傳質特別是生物膜更新速率存在一定差別，因而曝氣量的變化就間接地影響到處理效果。所以在實際工程應用時，既要使曝氣池中溶氧在2 mg/L以上，又不宜曝氣量太高，否則不但會由于載體生物膜間剪切強度的增大，部分性能良好的生物膜被強制性脫落，影響生物降解，導致處理效果變差，而且會造成運行費用上不必要的浪費。
　　一般情況下，由于填料在反應器中不斷循環移動的需要，移動床反應器所需的空氣量應遠大于活性污泥法或固定床反應器，而本工藝采用的氣水比(10∶1)接近于其他工藝，其節能特點顯而易見。
　　2.2 反應器運行效果
　　2.2.1 水力停留時間對處理效率的影響
　　在循環載體生物膜反應器掛膜成功并達到穩定運行后，分三個運行階段來考察水力停留時間對處理效果的影響。在水力停留時間分別為4h、3h、2h，進水量分別為43L/h、57L/h、86L/h的條件下連續運行，測定的進、出水的COD值及COD去除率的變化情況見圖2、3、4
。

　　從圖中可以看出，在水力停留時間為4h、進水COD濃度為280～650mg/L時，COD去除率達87%以上，出水COD值＜70mg/L；當水力停留時間為3h，進水COD濃度為200～550 mg/L時，COD去除率達83%以上；即使水力停留時間為2h時，去除率仍在70%以上，說明了循環載體生物膜反應器具有較強的處理能力。
　　另外，試驗過程中，進水濃度由小到大，且有一定幅度波動，而出水濃度雖隨進水濃度的增大而有所增大，但變化幅度卻大大減小，這說明循環載體生物膜反應器具有在較高的負荷下出水穩定的優點。因此，循環載體生物膜反應器中的污染物去除量及去除率均隨進水COD濃度的提高而提高。
　　圖5給出了不同的水力停留時間下平均進、出水濃度以及COD去除率的變化。

　　由圖中可以看出，隨著停留時間的增加，COD去除率增大，且出水COD濃度也逐漸降低。可見停留時間對去除率有一定的影響。但停留時間較短時，生物有機負荷較高，生物活性較低，
　　部分生物膜脫落，出水中隨流量的增大而夾帶少量生物膜流出，出水效果相對較差。延長停留時間，雖然出水效果好，但降低了處理負荷，提高了單位處理量工程造價和運行管理費用，在經濟上是劃不來的。因此，綜合考慮去除效率、容積負荷與投資效率的關系，在實際運行中建議控制停留時間在3h左右。
　　2.2.2 容積負荷與COD去除率的關系

　　圖6N_V-η曲線圖反映了容積負荷發生變化時，COD去除率的變化情況，即去除率隨負荷升高呈上升趨勢。當負荷為4.26kg/(m³·d)時，COD去除率可達85.4%，這表明循環載體生物膜反應器具有較高的抗沖擊能力和良好的混合流態及較強的充氧能力，使高濃度有機物迅速得到充分的稀釋與降解。
　　圖7為不同停留時間下NV-η曲線。
　　圖7表明，隨著停留時間的縮短，即進水容積負荷的加大，整個試驗過程的COD去除率呈下降趨勢。但在相同的HRT下，COD去除率是隨著容積負荷的增大而增大的。從圖中還可以看出，在不同的HRT下，COD去除率上升的趨勢也不盡相同，隨著HRT的縮短，這種上升趨勢被減弱。
　　另外，在進水容積負荷都為2.6kg/(m³·d)時，可以看出不同的水力停留時間下，COD去除率也不相同。即在近似相同的負荷下，水力停留時間越長，COD去除率就越高。由此可見循環載體生物膜反應器中水力停留時間的重要性。
　　2.2.3 容積負荷與去除COD負荷的關系

　　由圖8可見，在試驗的容積負荷范圍內，COD去除負荷是隨著容積負荷的增大而增大的，Nr與Nv大致成一直線關系，且在容積負荷為4.26kg/(m³·d)時，去除COD負荷也沒有下降。
　　去除負荷Nr與容積負荷Nv之間的正比關系可表示為Nr＝0.86Nv，其主要原因是負荷增高時，微生物周圍的營養物質豐富，生物體的生長繁殖不受底物限制，因而細胞繁殖很快，活力也很強，故處理能力也必然提高。
　　2.2.4 污泥負荷與COD去除率的關系
　　如圖9所示，隨著污泥負荷的提高，COD去除率先是增加而后呈減少的趨勢。這是因為當污泥負荷在一定范圍內提高時，會引起生物濃度、生物膜厚的增大。同時，隨著水中營養物的增多，微生物的生長繁殖加快，處于較高的能量水平，具有較高的活力，代謝速度加快，因而降解有機物的速度也加快，去除率也隨之上升。但當污泥負荷繼續增加至超出這個范圍時，因為微生物已達到最大比增殖速度，所以增加有機物的濃度會引起去除率下降。

　　3 結論

　　① 循環移動載體生物膜反應器處理生活污水具有良好的效果。當進水COD為200～700mg/L，氣水比為10∶1，水力停留時間為4 h時，COD平均去除率可達88.8%。
　　② 循環移動載體生物膜反應器的充氧能力強，氧利用率達13%。因為載體循環移動的需要，一般移動床反應器能耗較高，但本試驗采用的氣水比為10∶1，接近于其他生物膜法，節能效果明顯。
　　③ 循環移動載體生物膜反應器內的流態接近完全混合流，良好的水力流動特征，在創造良好的傳質效果的同時，也控制了生物膜厚度，使微生物始終處于生長旺盛的階段，進而加快有機物的降解速率，而良好的接觸反應特性則使微生物充分發揮其活性。所以，循環載體生物膜反應器具有高效、出水穩定和抗沖擊負荷能力強的特點。
　　④ 水力停留時間是影響循環移動載體生物膜反應器運行性能的重要因素。在水力停留時間分別為4h、3h和2h時，反應器的COD平均去除率為88.8%、84.7%和72%。

　　參考文獻：
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　　［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).

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收稿日期：2000-03-18