2008年第9期 第35卷总第185期 广东化工 8l・ www.gdchem.com 三相内循环生物流化床处理废水的研究 齐亚兵,叶世超,彭锋,李天友,潘霄恒,易美桂 (四川大学化工学院,四川成都610065) f摘要】以活性碳和陶瓷颗粒为载体粒子,采用快速排泥挂膜法启动实验,在反应器的运行过程中逐渐加大进气 ;量及进水量一直至出水COD浓度达到一个较低水平。分别考虑了进水COD 浓度、空气流量、废水流量、容积负荷四 个因素对COD去除率的影响。结果表明:当系统运行到第l3 d时 COD 去除率达到了一个较大值,并趋于稳定。 【关键词】三相内循环生物流化床;快速排泥挂膜法;化学需氧量 【中图分 ̄-]x-1 【文献标识码】A _誊 【文章编号】l0o7-l865(2oo8)09_0081.03 Study on Three-Phase Internal Circulation Bio—fluidized Bed for Treating Wastewater Qi Yabing,Ye Shichao,Peng Feng,Li Tianyou,Pan Xiaoheng,Yi Meigui (School ofChemical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China) Abstract:Taking active carbon and ceramics grain as vector particles,using the method of fast discharging sludge and forming biofilm,the inlet air and wastewater were enlarged gradually until the concentration of COD of outlet reach the low leve1.COD removal ability was affectted by four kinds of factors,including COD concentration,air and wastewater flow,and volume load.The results showed that COD removal effect had a bigger value and tended towards stability,at the thirteenth day. Keywords:three--phase internal circulation bio・-lfuidized bed;the method of fast discharging sludge and forming biofilm;COD 三相内循环生物流化床工艺是以传统三相流化床原理为 流量、容积负荷等条件下废水中COD的去除效果。从而得到 COD去除效果的最佳条件。 基础开发的一种新型污水处理技术。其中的流化床反应器为气 液固三相共存系统,它依靠曝气头中气泡逸出的初始速度及其 在升流区与降流区之间形成的密度差推动生物载体和废水在 反应器内循环流动,被生物膜包覆的载体粒子在整个装置内较 均匀地分布,与待处理的废水充分接触,通过生长在载体表面 的生物膜来达到降解废水中的有机及还原性等物质的目的【 。 与传统流化床相比,其具有载体流化性能好,氧转移效率高, 1材料和方法 1.1实验装置和流程 本反应器材料为透明有机玻璃,反应器主体由两个同轴有 机玻璃筒组成,外筒的上部简体与下部筒体由锥度为45。的连 接锥相连,反应器的上端设置有导流筒(其主要作用为防止载 载体流失量少,放大设计容易等优点,因此其在废水处理中有 无可比拟的优势[61。 体粒子因气流的作用随出水流出)、出水口和排气口,下端设 置有进水171和气体分布器(材料为多孔烧结陶瓷)。反应器尺寸 文章主要研究了在不同进水COD浓度、空气流量、废水 f收稿日期]2008—04—08 为:内筒外径为6 cm,外筒内径为9 cm,壁厚均为0.5 cm,筒 f作者简介】齐]E. ̄(1983・),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,主要研究方向为传质与分离。 维普资讯 http://www.cqvip.com 广东化工 2008年第9期 第35卷总第185期 Ⅵ,、Vw.gdchem.com 体主体高度为1O0 cm,流化床反应器有效容积约为10 L。 筒顶端多余的气体从排气口排出,废水和固体粒子进入外筒, 此处即为分离区。进入外筒的一部分废水和极少部分的载体粒 实验流程如图l所示,废水由储水槽经蠕动泵进入高位槽, 而后高位槽中的废水从流化床底部进入反应器,由空气压缩机 子继续上升,最后从出水VI流出,另一部分废水和绝大部分的 固体粒子在重力和密度差的作用下向下运动,此处即为沉淀 区。外筒中的废水和载体粒子沿着外筒继续向下运动直至到达 产生的空气亦由床体底部进入气体分布器(曝气头)。三相内循 环生物流化床内部的流动状态如图2所示,其内部分为四个区 域,I区:升流区,Ⅱ区:降流区,Ⅲ区:分离区,Ⅳ区:沉 床层底部,外筒主体区域即为降流区,就这样完成了一次循环。 如此往复循环,极大地增强了流化床内部的传质效果。 淀区。废水和固体粒子在由曝气头所逸出的空气以及升流区与 降流区的密度差的作用下沿内筒上升,内筒即为升流区。在内 流化床;2一竖直挡板;3一支座;4-阀门;5一转子流量计;6—气体缓冲罐;7一空气压缩机;8一储水槽;9一蠕动泵;lO一高位槽 图1 实验装置及流程 Fig.1 Experimental apparatus and process 1.2废水来源 本实验采用的废水为人工模拟废水,其中分别以C6H1206、 NH4C1、K2HPO4"3H2O作为碳源、氮源和磷源,再加入少量微量 元素以保证微生物的生长。配制比例为COD:N:P 100:5:1, 废水的pH约为6.8~7.2。 1.3接种污泥来源 接种污泥取自成都市三瓦窑污水处理厂好氧曝气池回流 泵处,污泥量约为1.5 L。 1.4载体粒子 本实验用到了两种载体粒子,一种为活性碳,棒状,平均 粒径为1.6 mm,平均长度为3 mm,干堆积密度为0.56 g/mL。 另一种为陶瓷颗粒,球状,平均粒径为0.5 mm,干堆积密度 I一升流区;1I一降流区;Ⅲ一分离区;Ⅳ一沉淀区 为0.72 g/mE。 图2三相内循环生物流化床的内部流动示意图 Fig.2 Internal flowing sketch ofthree—phase internal circulation bio—luifdized bed 1.5启动方式 目前,生物膜反应器的挂膜方法广泛采用的是密闭循环 法,即把预先培养好的活性污泥与污水混合后泵入反应器中, 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第9期 第35卷总第185期 广东化工 www.gdchem.com 出水流入循环池,经过2~3 d密闭循环,以小水量直接进水 并逐渐加大进水量,直至挂好膜。但密闭循环法挂膜需要设 置循环池和循环泵,且需要数量较多的接种污泥,操作不方 便[7】0 3 d出水COD的浓度下降特别快。但随着游离态和固定态微生 啪 枷 湖 伽 瑚 瑚 物的竞争生长,固定态的微生物逐渐开始占优,即使这样,床 中的微生物总数和总活力相对于第3 d还是减弱了,因此第4 d 出水COD浓度出现了反弹。从第4 d开始,出水COD的浓度一 直处于迅速下降中,在此阶段,起降解作用的主要是固定态的 微生物,此时其正处于生命力旺盛的对数生长期,因此,此阶 采用快速排泥挂膜法【8J,可以大大缩短启动时间,本实验 为了确保挂膜的成功改进了此种挂膜法。即将1.5 L的活性污 泥与200 g的载体粒子混合后静止2~3 h,然后将载体粒子和活 段出水COD的浓度下降特别快。但从第13 d开始其变化趋势开 性污泥一起加入到未充满废水的流化床中,继续进水使流化 床刚好溢流为止,关闭进水,打开气体流量计,将流量调为 始趋于平缓。这说明整个床层中的微生物,主要是固定态的微 生物,已经处于生长与衰亡相平衡的稳定生长期。COD去除 2 L/min,闷曝1 5 h后,将污泥排走,打开液体流量计使其连续 进水,并逐渐加大进水和进气量,直至COD去除率达到较高 水平。 2结果与讨论 本实验采用了1 50 g活性碳和50 g陶瓷颗粒做为载体粒子, 进行挂膜。在运行过程中并逐渐加大进水量和进气量,直至 COD的去除率达到较高水平,实验运行15 d。 2.1进水COD浓度对COD去除率的影响 进、出El COD浓度及COD去除率随时间变化的关系,见 图3。 吕 U 时间,d 图3进、出口COD浓度及COD去除率随时间变化的关系 Fig.3 Influent and eflfuent COD concentration,and removal proportion of COD,changing with time 从图3可以看出进口COD的浓度为680 ̄780 mg厂L,其波动 范围不大。出水COD浓度随时间呈逐渐下降趋势,从启动的 第1 d开始,出水COD的浓度就开始迅速下降,直到第3 dth水 COD的浓度下降到约280 mg,L。但第4d出水COD浓度却有了 反弹,这主要是因为:在反应器运行的前3 d,由于床中具有 充足的养分,水中的微生物和载体表面及其孔隙中的微生物大 量繁殖,两者相互竞争获得底物,形成了竞争抑制。由于游离 态的微生物无论在数量上,还是活力上都远远优于固定态的微 生物,因此此时起降懈作用的主要是游离态的微生物,从而前 率的变化趋势与出水COD浓度的变化趋势相反。 2.2空气流量对COD去除率的影响 ∞ 舳 加 ∞ ∞ ∞ 如 图4为空气流量与COD去除率的关系图。如图4所示,COD n00卅霈胬 去除率随空气流量的增大而呈总体上升的趋势。前3 d COD的 去除率增加很快,主要是因为游离态的微生物大量繁殖的结 果;第4 d COD的去除率降低,这是床中总的微生物数量和活 力较第3 d有所降低的缘故。从第4 d开始,COD的去除率随气 体流量的增加,呈快速上升状态。到第l3 d时COD的去除率基 本稳定,此时空气流量为2.5 L/min,这表明空气的流量不能无 限制增大,其增大到一定值时,COD的去除率基本稳定,继 续增大空气流量只会消耗更多的能量,但却不能大幅度提高 COD的去除率。更有甚者,由于气体流量越大,对微生物的 剪切力越大,有时候反而会因为流体对微生物的剪切力过大, 致使载体上生物膜脱落,COD的去除率下降。 2・5 90 2.4 —80 善2.3 70 2.2 60蒜 2.1 50 捌2・O 40 1.9 30 1.8 0 2 4 6 8 l0 12 14 16 时间,d 图4空气流量与COD去除率的关系 Fig.4 Influence of air flow on removal proportion of COD 2.3废水流量对COD去除率的影响 图5为废水流量与COD去除率的关系图,从图中可知,随 着废水流量的增加,COD的去除率呈上升的趋势,在第l3 d, 废水流量接近0.07 L/min,COD的去除率已经达到了一个较大 的稳定值,因此废水流量不能太大,必须达到一定值后将其固 定。太大的废水流量有可能造成系统的不稳定及出IZlCOD的 浓度上升,致使出水水质变差。 (下转第150页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 广l50 东化工 2008年第9期 Vw.gdchem.com 第35卷总第185期 [8】汪欣.我国高等工程教育结构的分析[D】.清华大学硕士学位论文,2004. 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(本文文献格式:刘作华,李泽全,谭世语。等.论化工原理 课程教学与学生工程意识的培养[J】.广东化工,2008。35(9): 147—150) (上接第83页) 3结论 , 帅 ∞ 加 ∞ 如 蛐 如 (1)在本实验条件下出水COD的浓度随时问的推进呈下降 00h去 坍 趋势,COD的去除率呈上升趋势。在第1 3 d时两者均达到了一 个较佳的水平,并趋于稳定。 (2)COD的去除率随空气流量和废水流量的增大而增大, 但二者不能无限地增大,最佳的空气流量和废水流量分别: 2.5 L/min,0.07 L/min。 (3)COD的去除率随容积负荷的增大而增大,当容积负荷 增大到约7 kgCOD/(m3.d)时,COD的去除率趋于稳定,接近最 0 2 4 6 8 10 I2 l4 l6 20 时间/d 大。 图5废水流量与COD去除率的关系图 Fig.5 Influence of wastewater low on removalf proportion of COD 参考文献 [1】何卫中,刘有智.好氧生物流化床反应器处理有机废水技术进展[J].化 工环保,1999,19(6):278-283. 2.4容积负荷对COD去除率的影响 图6为容积负荷对COD去除率的影响,如图所示,随着容 积负荷的增大,COD的去除率呈上升态势,当容积负荷达到 一[2]Wei CH,Xie B,Zhang X Z,et a1.Reltaionship between reactor performances and structural parameters of inner-loop three・phase fluidized 定值时,COD去除率达到极限,如若继续增大容积负荷, 其将会超过系统的最大容积负荷,这样系统会因为负荷过 大,致使它对COD的处理效果变差。因此最佳的容积负荷约 为7 kgCOD/(m3-d)。 bed[J】.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2001, 15(3):236—241. [3】周平,钱易.空气提升内循环生物流化床反应器动力学研究[J1.环境科 学,1996,17(6):9-12. 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