折流板水车驱动生物转盘水力流态及启动挂膜试验

胡成琼，汪思宇，吕锡武

(1. 东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2. 东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214000)

农村生活污水高污染负荷和低处理率矛盾突出，是导致农村地区及其周边水环境恶化的主要原因[1]。一方面，在已有的农村生活污水治理研究中，大多只是简单套用城镇污水处理工艺[2]，而农村经济相对落后，专业技术人员极度缺乏[3]，导致污水治理不可持续；另一方面，农村生活污水中氮磷元素是错放的资源，农业、种植业对氮磷营养盐具有强大的需求及消纳能力[4]。针对此种情况，课题组以“因地制宜、高技术、低投资与运行成本、易维护、资源化利用氮磷”为目标[5]，提出“缺氧调节池-水车驱动生物转盘-人工湿地”生物生态组合工艺处理农村生活污水，生物单元重点关注有机物的去除和氮磷的无机化，生态单元作为系统的保障单元，进一步降解有机物以及利用氮磷营养盐，以期达到排放标准，以此构建污染净化型农业实现氮磷去除和资源化利用[6]，实现可持续发展的农村生活污水治理。

以往的组合工艺中好氧单元大多集中在人工曝气装置，普遍存在充氧效果与运行能耗之间的矛盾[7]。生物转盘技术以其生物量大、抗冲击负荷能力强、无需曝气、维护管理方便等优点，目前已被广泛研究和应用[8]。Li等[9]、施丽君等[7]和Zha等[10]提出的水车驱动生物转盘(waterwheel driving rotating biological contactors，wdRBC)，利用自循环水驱动水车带动盘片转动，代替传统电机驱动，实现污水跌落充氧、溅水分散充氧和转盘盘面复氧的三重充氧效果[5]，大大降低运行能耗。

然而，张剑等[11]的研究表明，装置内部结构及其形成的水力流态是水的物化处理性能的基础，影响着物质的传输、微生物与底物的接触程度、反应进行的程度和效率。虽然wdRBC具有较好的充氧效果和能耗低的特点，但在实际情况中，反应器的内部结构使其水力流态存在一定的短流、滞留、停留时间分布不均匀等问题，影响反应器处理效率。鉴于此，本研究通过在wdRBC的接触反应槽内增设折流板改进反应器结构，开发出折流板水车驱动生物转盘(waterwheel driving baffled rotating biological contactors，wdbRBC)，利用示踪剂脉冲响应法[12]对改进前后反应器的水力流态进行探究，并采用快速排泥法，考察wdbRBC的挂膜启动过程，评价改进后反应器挂膜期与稳定期的污染物去除特性，以期为农村生活污水组合处理工艺中好氧单元提供新选择。

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1为wdRBC和wdbRBC的结构示意图，反应器的长×宽×高为620 mm×350 mm×200 mm，其中水车驱动区长为140 mm，生物转盘区长为480 mm，反应器有效容积为25 L，盘片直径为280 mm，间隔为20 mm，浸没率为45%，盘片表面贴附无纺布材料，wdbRBC的水车驱动区和生物转盘区底部相通，从左到右用高低放置的折流板将反应器分割为6个隔室。

图1 结构示意图 (a) wdRBC；(b) wdbRBCFig.1 Schematic Structure (a) wdRBC; (b) wdbRBC

1.2 试验用水和接种污泥

试验模拟农村生活污水进行人工配水，采用乙酸钠为碳源、氯化铵为氮源、磷酸二氢钾为磷源，用碳酸氢钠调节碱度，并添加氯化钙、硫酸镁和微量元素。CODCr质量浓度为101～150 mg/L，氨氮质量浓度为28.46～40.82 mg/L，TP质量浓度为1.89～2.46 mg/L，pH值为7.2～7.5，试验水温为12～18 ℃。接种污泥取自无锡市某污水厂AAO工艺好氧活性污泥。

1.3 试验方法

流态试验采用示踪剂(NaCl)脉冲响应法进行清水流态试验，通过测定反应器内液体的停留时间分布(RTD)曲线，研究反应器内的流态特性。首先在反应器出水口处连接电导率自动测定仪，注满自来水后测定其电导率底值；然后在反应器进水口处瞬时注入质量浓度为150 mg/L的NaCl溶液50 mL，设定电导率仪每1 min自动读数并记录，整个读数记录时间为反应器的3倍理论水力停留时间(HRT)。最后扣除自来水的电导率本底值后换算成NaCl的浓度[13]。

反应器挂膜启动采用快速排泥法[14]。将接种污泥与人工模拟配水以1∶2注入接触反应槽内，盘片慢慢旋转，使游离菌种附着于生物盘片上，48 h后排空接触反应槽，之后反应器以有机模拟废水连续进出水，以自循环水驱动水车带动盘片转动，维持盘片转速为3 r/min，每日检测进出水中COD和氨氮的浓度。

1.4 分析方法

电导率采用雷磁DDSJ-308F型电导率仪测定，COD采用哈希快速消解法(哈希消解器DRB200，哈希可见光分光光度计DR3900)测定；氨氮采用钠氏试剂比色法测定(HJ 535—2009)；生物相检测采用显微镜观察法。

2 结果与讨论

2.1 反应器的水力特性

将流态试验下的时间、电导率读数和相对应的NaCl浓度依据式(1)～式(3)作归一化处理，绘制反应器的RTD特性曲线(图2)，并依据式(4)～式(13)计算主要参数值(表1)。

表1 HRT为0.5、2 h时wdRBC和wdbRBC的RTD数值分析结果Tab.1 Effect of Different Contactors on RTD Curve under HRT=0.5 h and HRT=2 h

图2 wdRBC和wdbRBC的停留时间和累计液龄分布 函数曲线 (a) HRT=0.5 h; (b) HRT=2 hFig.2 Distribution Function Curve of Retention Time and Exit-Age of wdRBC and wdbRBC (a) HRT=0.5 h; (b) HRT=2 h

(1)

(2)

(3)

其中：θ——标准化时间；

t——示踪剂流出反应器的时间，h；

HRT——理论水力停留时间，流量/反应器容积，h；

C(t)——t时刻反应器出水中示踪剂的质量浓度，mg/L；

E(t)——停留时间分布函数；

F(t)——累计液龄分布函数。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

η=1-vaμa

(12)

(13)

其中：MDI——Morrill分散指数；

tμ——观察到示踪剂峰值的时间，h;

t10、t50、t90——10%、50%、90%示踪剂通过系统的时间，h；

σt2——停留时间分布的散度；

σθ2——标准化方差；

Pe——Peclet准数；

N——串联级数；

η——反应器死区率;

νa——E(θ)-θ曲线的平均值；

μa——θ=2时示踪剂流出量占注入总和的比例。

由图2和表1可知，当HRT为0.5 h时，wdRBC和wdbRBC的E(θ)曲线都是向左倾斜，但是wdRBC波峰明显靠前且曲线拖尾严重。wdRBC的峰值出现时间和10%示踪剂流量时间都早于wdbRBC，但90%示踪剂流量时间远远晚于wdbRBC，导致wdRBC的MDI值为10.06，是wdbRBC的近4倍，平推流反应器的MDI值是1，而完全混合系统的MDI值大约为22[15]，说明wdRBC的HRT两极分化严重，大部分液体不能集中在较短时间内流出反应器，部分进水未经充分反应就流出反应器。由F(θ)曲线可知，在开始阶段，wdRBC的斜率远高于wdbRBC，但是θ到了1之后，其F曲线上升幅度远低于wdbRBC。当HRT增大到2 h时，wdRBC出现波峰后移，但其MDI值仍为wdbRBC的2倍多。

串级模型参数N表示反应器的流态相当于N个体积相同的理想混合反应器串联，N值提高表明反应器理论串联完全混合槽数的增加。当N为1时，反应器流态为单级全混流；当N趋于无穷时，反应器流态为平推流[16]。添加折流板后，反应器的N值分别由2.03提高到7.77，2.78提高到5.78。反应器的轴向混合特性一般用毕克列准数Pe表示[17]。当Pe趋于0时，对流传递速率较扩散传递速率要慢得多，为完全混合状态；当趋于无穷时，扩散传递速率相对于对流传递速率可以忽略，即为平推流。根据郭素红等[18]研究，当Pe>50时，流动状态偏离推流较小；当Pe<5时，流体在流动方向上具有极大程度的分散；当Pe为5～50时，位于中间，为过渡状态。添加折流板后，反应器的Pe从2.64上升到14.47，4.27上升到10.45。由N值和Pe值的变化可知，在接触氧化槽内添加折流板后，反应器整体流态从混流型向推流型转变，局部属于完全混合，反应器流态得到了优化。分析原因可能是增加折流板后，流体在各自隔室内趋于完全混合状态，但在隔室与隔室间由于折流板限制了流体的不规则流动而呈现出推流状态。

在HRT为0.5、2 h时，wdRBC的死区率分别为35.29%和28.83%，占反应器容积的1/3左右，增添折流板后反应器死区明显减少，降低为3.10%和8.19%。该脉冲响应试验是在自来水中进行的，反应器死区是指水力死区，主要是与反应器本身结构相关[19]，在相同HRT条件下，wdbRBC的死水区容积率明显小于wdRBC，说明增加折流板优化了反应器流态，大大提高了反应器的容积利用率。

图3为wdbRBC在不同HRT下的RTD曲线，反应器结构经过改进后，在4个不同HRT下wdbRBC的RTD曲线比较相似，说明当HRT为1、1.5、2.5、3 h时，反应器结构对RTD的影响一致。由表2可知，在不同HRT下wdbRBC标准化方差σ2小，平均HRT均接近理论水平，死水区容积率较低，4条曲线都没有出现明显的拖尾现象[20]，说明wdbRBC在HRT波动范围内表现出良好的水力流态特性。对于某些折流板反应器，N和Pe随着HRT的增大而增大，即反应器流态由完全混合流向平推流转变[21]，而本试验中N和Pe随着HRT增大有减小的趋势，分析原因可能是wdbRBC在各隔室间所呈现的推流状态主要由水流的冲力作用所致，HRT增大意味着进水流量减小，即水流的冲力减小，故随着HRT的增大整体流态推流特性变弱。

图3 不同HRT下wdbRBC的停留时间和累计 液龄分布函数曲线Fig.3 Distribution Function Curve of Retention Time and Exit-Age of wdbRBC under Different HRTs

表2 不同HRT下wdbRBC的RTD数值分析结果Tab.2 Effect of wdbRBC on RTD Curve under Different HRTs

2.2 反应器的挂膜启动

在wdbRBC启动挂膜阶段，研究了反应器对进水COD、氨氮去除率的变化，结果如图4所示。在启动挂膜阶段，第1～10 d，COD和氨氮的去除率整体上随时间的推移而增加，此后趋于稳定。在挂膜的第11 d和第14 d，进水CODCr和氨氮分别出现了较大的波动，但并未对出水水质产生较大的影响，说明反应器应对冲击负荷能力较强。在平均进水CODCr为112.51 mg/L，氨氮为32.12 mg/L 条件下，出水CODCr<15 mg/L，氨氮<5 mg/L，COD和氨氮平均去除率均在90%左右，出水COD、氨氮达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，表明反应器挂膜启动成功。根据研究成果[22-25]，本试验挂膜启动期间反应器水温在12～18 ℃，属于低温区间，wdbRBC能在10 d内启动成功达到稳定，说明反应器对水温的具有较强的适应性，挂膜效率较高。

如图5所示，沿进水流向方向，各隔室COD、氨氮的浓度呈递减趋势。COD进入反应器后迅速降低，wdbRBC第1隔室有机物去除率达59%，第1、2隔室对COD的去除起主要作用，总去除贡献率为85.32%;而第1、2隔室对氨氮的去除贡献率低，仅为9.30%，进水氨氮去除主要发生在第3、4、5隔室内，总去除贡献率达81.88%。从外观上看，第1、2隔室盘片上的生物膜较厚，而后面隔室里的盘片较薄，这主要因为添加折流板后，反应器流态整体呈现推流式，由于盘片转动，在每个隔室内又趋于全混合，第1、2隔室的污水污染物浓度相对较高，污染物和微生物间的传质效果好，好氧异养菌消耗大量有机物和溶解氧，得到快速繁殖，抑制了硝化细菌的增长，故此段以有机物去除为主，在镜检中也发现第1隔室内生物膜上长有很多丝状菌[图6 (a)]。而后面隔室污水中有机物含量低，氨氮含量高，异养菌生长受限，由于盘片转动和空气双重复氧作用，使得后面隔室生物膜内溶解氧含量增加，自养硝化细菌成为优势菌，故此段以氨氮去除为主。第6隔室能够为反应器出水水质的稳定发挥重要作用，镜检发现此隔室生物膜上含有大量微生物钟虫[图6 (b) ]，说明系统出水水质良好[26]。

图5 wdbRBC各隔室浓度变化及去除贡献率 (a) CODCr；(b)氨氮Fig.5 Concentration Change and Removal Contribution in Different Chambers of wdbRBC (a) CODCr; (b) Ammonia Nitrogen

图6 wdbRBC镜检图(40×) (a)第1隔室；(b)第6隔室Fig.6 Optical Microphotographs of wdbRBC's Biofilm (40×) (a) the 1th Chamber; (b) the 6th Chamber

3 结论

通过在接触氧化槽内添加折流板对wdRBC内部结构进行改进，在HRT分别为0.5、2 h时，反应器改进后N值分别由2.03和2.78提高到7.77和5.78，Pe值分别由2.64和14.47提高到14.47和10.45，死区率分别由35.29%和28.83%下降到3.10%和8.19%，说明添加折流板大大改善了反应器流态，同时使反应器的水力死区减少。

采用快速排泥法启动wdbRBC，有机物去除主要发生在第1、2隔室，氨氮去除主要发生在第3、4和5隔室内，wdbRBC反应器挂膜周期为10 d，在后期稳定运行阶段，出水CODCr<15 mg/L，氨氮<5 mg/L，COD和氨氮平均去除率均在90%左右，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。