移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器填料流化影響因素研究

李邵博

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,山東 青島 610065）

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器填料流化影響因素研究

李邵博

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,山東 青島 610065）

結(jié)合移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）中影響填料堆積和填料不均勻流化問題的主要因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究,討論了曝氣系統(tǒng)、填料投配比對(duì)填料流化狀態(tài)的影響。結(jié)果表明,穿孔曝氣管曝氣系統(tǒng)對(duì)填料均勻程度影響極大。填料流化程度在隨氣水比的變化會(huì)發(fā)生突變,隨著填料投配率增大,發(fā)生流化的氣水比也增大；在發(fā)生突變時(shí),填料的流化比為60%～70%。當(dāng)氣水比大于6∶1時(shí),填料的流化程度較好。相同投配比下增大曝氣強(qiáng)度有助于緩解填料的堆積。

污水處理廠；曝氣系統(tǒng)；填料流化；堆積；投配比

1 概述

在深圳羅芳污水處理廠深度改造工程中采用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）工藝,在實(shí)際應(yīng)用中,MBBR有許多問題并沒有解決[1]。如曝氣池經(jīng)常出現(xiàn)由于整個(gè)池內(nèi)進(jìn)氣分布不均勻而導(dǎo)致的局部填料堆積現(xiàn)象。萬(wàn)田英等[1]人提出通過池型做水力特性計(jì)算來改進(jìn)進(jìn)氣管路的布置和優(yōu)化池內(nèi)曝氣頭的分布的方法,以達(dá)到均勻曝氣的目的。H.Фdegaard[2]等人也指出合理地設(shè)計(jì)好氧池的尺寸和篩網(wǎng)的規(guī)格對(duì)MBBR工藝的最佳運(yùn)行是非常重要的。反應(yīng)器中亦可引入導(dǎo)流板來改善此問題,或者通過導(dǎo)流板的強(qiáng)制循環(huán)來解決池內(nèi)死角的問題[3]。

填料投配比會(huì)影響填料的流化（指填料在水中運(yùn)動(dòng),不漂浮不沉淀）狀態(tài),當(dāng)填料填充率過大時(shí)會(huì)影響其在水中的流化程度,降低氧的傳遞和利用,從而影響處理效果。劉騰[4]等人通過試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)填充率30%和水力停留時(shí)間10 h為磁性球形填料MBBR處理污水的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。此外,曝氣量也會(huì)影響填料的運(yùn)行,增大氣水比有利于減少填料在池底的堆積,提高反應(yīng)池處理效率。針對(duì)上述問題,本文進(jìn)行了一系列關(guān)于MBBR工藝的水力學(xué)特性試驗(yàn),以探討曝氣對(duì)填料流化等問題的影響。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H模擬MBBR反應(yīng)池好氧區(qū)域。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì),長(zhǎng)度比尺采用1∶20（λl=20）,試驗(yàn)中填料采用ABS聚乙烯塑料顆粒來模擬掛膜后的懸浮填料（其密度在1.0 kg/m3左右）。ABS聚乙烯塑料顆粒平均密度為1.02 kg/m3,直徑為2～3 mm(該直徑是對(duì)原k3填料按模型長(zhǎng)度比尺縮放后得到的)。

池內(nèi)曝氣管采用穿孔曝氣管,管徑15 mm,曝氣孔直徑1.5 mm。曝氣管在整個(gè)曝氣池中均勻布置,池內(nèi)空氣由ZB-0.25/8型空壓機(jī)供給,空氣量由空壓機(jī)排氣口的閥門調(diào)節(jié),空氣量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定。池內(nèi)水由水泵通過高位水池循環(huán)供給,進(jìn)水流量由三角堰堰上水頭控制。試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娉叽缛鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫娉叽鐖D

2.2 模型設(shè)計(jì)水量Q模及流速V模確定

原型曝氣池總的進(jìn)水量由上一級(jí)處理構(gòu)筑物流入水量、混合液回流量和內(nèi)回流水量組成。總水量Q原為

Q原=1.39÷2+0.35×2+0.52×2=2.435（m3/s）

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則,模型流量為

Q模=Q原/λ2.5=Q原/202.5=0.001 36（m3/s）

此設(shè)計(jì)流量下堰上水頭約為6.25cm。

模型平均流速為

式中:A為模型進(jìn)水口面積。

2.3 試驗(yàn)研究方法

本試驗(yàn)通過觀察填料在不同的曝氣工況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),來確定曝氣系統(tǒng)對(duì)填料的影響。試驗(yàn)中,根據(jù)曝氣強(qiáng)度、填料有無掛膜、是否攪拌分為以下幾個(gè)大工況,見表1。

表1 本試驗(yàn)研究工況

此外,以上工況中凡是有曝氣的狀態(tài)下,再根據(jù)曝氣強(qiáng)度的不同分成幾個(gè)二級(jí)工況,即考察不同氣水比下填料的運(yùn)動(dòng)；在每種工況下,用可以連拍的高頻數(shù)碼相機(jī)（每秒可達(dá)120張）記錄填料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),以便找到曝氣系統(tǒng)中影響填料運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素以及優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的方法。

試驗(yàn)中使用秒表和數(shù)碼相機(jī)自帶系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行時(shí)間記錄,在試驗(yàn)水槽長(zhǎng)度方向黏附一根鋼卷尺的方法來進(jìn)行位置記錄。描述填料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的指標(biāo)有以下幾種:懸浮、沉淀、運(yùn)動(dòng)。

3 曝氣系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)現(xiàn)象及討論

本試驗(yàn)在不考慮曝氣系統(tǒng)對(duì)生化反應(yīng)影響的前提下,著重確定曝氣系統(tǒng)對(duì)填料流化的影響,此次研究過程從以下幾個(gè)方面討論。

3.1 曝氣系統(tǒng)布置方式對(duì)填料流化的影響

在試驗(yàn)中,當(dāng)曝氣管布置較稀疏時(shí)（單個(gè)曝氣廊道只安置2條曝氣總管）,池內(nèi)氣泡只在池內(nèi)局部地方分布,曝氣不能影響到全池范圍內(nèi)（見圖2）,填料基本懸浮不動(dòng),甚至?xí)霈F(xiàn)部分填料下沉的現(xiàn)象。這說明,曝氣管之間的距離對(duì)填料流化與曝氣有著直接的聯(lián)系。而在某種曝氣強(qiáng)度下,多大的曝氣管距離能夠使得填料不下沉,則需要后續(xù)的試驗(yàn)研究來完成。

圖2 過大的曝氣管距離

此外,曝氣管布置的傾斜度對(duì)曝氣的均勻程度有明顯影響。在曝氣量較小的工況下尤其明顯。因此,在利用穿孔管曝氣的系統(tǒng)中應(yīng)盡力維持曝氣管的水平；另外試驗(yàn)證明縮短曝氣支管的長(zhǎng)度是一種行之有效的方法。

3.2 曝氣強(qiáng)度對(duì)填料流化的影響

曝氣強(qiáng)度對(duì)填料流化的影響并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。曝氣強(qiáng)度的變化對(duì)不同的填料投配比（填料體積和水的體積之比）有著不同的影響,而同一投配比下其對(duì)曝氣強(qiáng)度的敏感段是不同的。曝氣強(qiáng)度的增大使填料流化比例也隨之增加,不管填料的投配比是多少,都滿足這個(gè)趨勢(shì)（見表1）。這就說明,曝氣強(qiáng)度的增大對(duì)填料的均勻分布有著積極的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示,較小的氣水比條件下（小于3∶1）,全池曝氣區(qū)的曝氣均勻程度不佳,池內(nèi)會(huì)形成局部的曝氣強(qiáng)度強(qiáng)區(qū)和弱區(qū),填料會(huì)滯留在相對(duì)曝氣弱區(qū)；另外從圖3可以直觀地看出,在投配率為30%而氣水比大于5.0時(shí),大于70%的填料處于流化狀態(tài)；而氣水比在6.38時(shí)80%的填料處于流化狀態(tài)。試驗(yàn)表明,MBBR工藝中氣水比不應(yīng)小于5.0。深圳羅芳污水廠MBBR工藝中的設(shè)計(jì)氣水比為5.0,那么在此工藝中適當(dāng)?shù)卦黾铀峦七M(jìn)器以增強(qiáng)填料流化是合適的。

從圖3還可以看出,不管是15%的投配比還是40%的投配比,其填料流化都有一個(gè)突躍段: 15%的投配率時(shí)發(fā)生突躍的氣水比段是3.19～4.21；30%時(shí)為4.97～5.64；40%時(shí)為5.64～6.38,如圖4所示。發(fā)生突躍說明在此曝氣強(qiáng)度內(nèi)改變曝氣量會(huì)對(duì)填料的流化產(chǎn)生劇烈影響,而當(dāng)曝氣強(qiáng)度高于突躍段的高端時(shí)曲線變化就會(huì)緩和,并且處于突躍段高端曝氣強(qiáng)度下填料的流化比都在60%～70%（見圖3）。因此在實(shí)際應(yīng)用中,為使得填料流化均勻且流化比例較好,曝氣強(qiáng)度以越過突躍段為佳。中試試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在采用穿空管曝氣的情況下,過大的曝氣強(qiáng)度會(huì)引起強(qiáng)烈的攪拌,不利于生物的生長(zhǎng)。中試測(cè)得氣水比在6∶1左右時(shí)取得了良好的出水效果。

3.3 曝氣對(duì)填料堵塞的影響

圖3 不同曝氣強(qiáng)度對(duì)填料流化的影響

李月等[5]研究表明高于或低于某個(gè)范圍的曝氣量均認(rèn)為不合適。當(dāng)曝氣量小于60 L/h時(shí),填料在反應(yīng)器內(nèi)移動(dòng)困難,無法形成正常流化狀態(tài)；當(dāng)曝氣量大于240 L/h時(shí),填料在反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)動(dòng)十分劇烈,部分填料甚至被底部飛速的氣泡頂出反應(yīng)器。這種現(xiàn)象在我們的試驗(yàn)中也有所發(fā)現(xiàn):投配比在15%時(shí),試驗(yàn)槽出口篩網(wǎng)上已經(jīng)黏附很多填料；在投配比為30%時(shí),填料的過分擁擠已經(jīng)造成試驗(yàn)段內(nèi)水位上升很快并造成池內(nèi)水溢流。為了說明這一現(xiàn)象,我們用試驗(yàn)段水位與試驗(yàn)段后輸水槽的水位差變化來表達(dá)這一過程。在圖4中,40%的投配率下的水位差曲線明顯高于30%的投配率下的水位差曲線,這就說明在相同的曝氣強(qiáng)度下,當(dāng)增加投配率填料的流化速率降低,流化比例也降低,而篩網(wǎng)的堵塞現(xiàn)象更加嚴(yán)重。此外,在相同的投配比下,增加曝氣強(qiáng)度可以加強(qiáng)填料的流化效果,減輕填料的堵塞現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在50%投配比下表現(xiàn)的也很明顯,在50%投配比下,氣水比在7.19時(shí)兩槽的水位差超過1.9 cm；當(dāng)氣水比在6.13時(shí),兩槽的水位差超過2.0 cm,此時(shí)由于大量的填料劇烈翻滾而溢出試驗(yàn)水槽,使得試驗(yàn)無法進(jìn)行。這一現(xiàn)象在中試試驗(yàn)研究中也成為妨礙曝氣池正常運(yùn)行的瓶頸。運(yùn)行中,在池末端增大曝氣強(qiáng)度確實(shí)有助于減輕填料的堆積,但并沒有起到?jīng)Q定性的作用,在中試中最終通過安裝機(jī)械隔柵有效解決。

圖4雖然表明,在增大投配比的條件下增大曝氣強(qiáng)度有利于填料的流化,但是應(yīng)該注意到MBBR工藝中曝氣強(qiáng)度并不是越大越好。在圖2中我們也看到,在曝氣達(dá)到一定階段后,增大曝氣強(qiáng)度使填料流化狀態(tài)的變化并不明顯。而增大相應(yīng)的曝氣強(qiáng)度所消耗的能耗卻是可觀的[6]。同時(shí),從生物處理的角度出發(fā),過大的曝氣強(qiáng)度并不利于生物處理的有效進(jìn)行。因此,當(dāng)MBBR工藝中出現(xiàn)填料堆積時(shí),單純地增大曝氣強(qiáng)度并不是最優(yōu)選擇。

圖4 不同頭配比下的試驗(yàn)水槽前后水位差變化

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)中通過改變填料填充比以及曝氣強(qiáng)度,觀察不同工況下填料的流化狀態(tài)得到以下結(jié)論:

（1）在無曝氣無攪拌工況下,ABS以推流的形式向池末端運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)相當(dāng)緩慢,但是在池末端沒有填料堆積的現(xiàn)象。

（2）曝氣量的大小對(duì)填料的流化程度影響很大,較小的氣水比條件下（小于3∶1）,全池曝氣區(qū)的曝氣均勻程度不佳,池內(nèi)會(huì)形成局部的曝氣強(qiáng)度強(qiáng)區(qū)和弱區(qū),填料會(huì)滯留在相對(duì)曝氣弱區(qū),并且填料的流化率很??；試驗(yàn)表明當(dāng)氣水比大于6∶1時(shí),填料的流化程度較好。中試測(cè)得氣水比在6∶1左右時(shí)能取得良好的出水效果。

（3）填料流化比在隨氣水比的變化會(huì)發(fā)生突躍,在填料投配率為15%、30%、40%時(shí)發(fā)生突躍的氣水比段分別是 3.19～4.21、4.97～5.64、5.64～6.38；在突躍段,填料的流化比在60%～70%。

（4）在氣水比大于6∶1時(shí),投配率不大于50%范圍內(nèi)的填料都能在池中流化；相同曝氣強(qiáng)度下,投配率越大,流化狀態(tài)越差。填料的投配率不宜大于70%,在50%時(shí)最為合適。

（5）相同投配比下增大曝氣強(qiáng)度有助于緩解填料的堆積。但是沒有根本解決,在中試中采用曝氣池安裝機(jī)械隔柵的方法最終解決此問題。

（6）氣池曝氣管的安裝情況會(huì)影響曝氣的均勻程度,尤其是穿孔管稍微傾斜都會(huì)造成氣泡的集聚。因此,在安裝過程中一定要保持穿孔管水平,增大氣壓也會(huì)增加曝氣的均勻程度。

[1]萬(wàn)田英,李多松.MBBR工藝及其運(yùn)行中易出現(xiàn)問題的探討[J].電力環(huán)境保護(hù),2006,22（1）:35-36.

[2]ФDEEGAARD H．Advanced compact wastewater treatment based on coagulation and moving bed biofilm processes[J]． Water Science and Technology,2000,42（12）:33-48．

[3]樓菊青.新型移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器水力特性的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30（9）:31-35．

[4]劉騰.磁性球形填料MBBR處理城市生活污水的試驗(yàn)研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2014.

[5]李月,張宇雷,吳凡,等．移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理低濃度氨氮養(yǎng)殖廢水試驗(yàn)[J]．漁業(yè)現(xiàn)代化,2014,41(4):11-16.

[6]楊紅．A/A/MBBR工藝在污水處理廠改造中的應(yīng)用研究[D]．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2006.

X703

A

1009-7716（2017）07-0259-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.079

2016-03-30

李邵博（1983-）,男,河北石家莊人,工程師,從事市政給排水設(shè)計(jì)工作。