容积负荷对IAL-CHS反应器运行的影响

牛天新

（浙江省杭州市农业科学研究院,浙江 杭州 310024）

容积负荷对IAL-CHS反应器运行的影响

牛天新

（浙江省杭州市农业科学研究院,浙江 杭州 310024）

采用IAL-CHS反应器处理受污染原水,研究负荷对反应器各污染指标去除的影响。结果表明,随着水力负荷与氨氮容积负荷的逐渐增大,氨氮的去除率随之逐渐减少,而氨氮的去除速率却逐步增大,但增速逐渐减缓。反应器运行必须控制进水容积负荷,氨氮容积负荷不能超过1.91 kg·m-3·d-1,水力负荷不能超过12.58 m3·m-2·d-1。氨氮的去除速率来表示氨氮的去除效果比用去除率表示更科学,以氨氮容积负荷来衡量和设计生化反应装置比以水力负荷衡量更准确。氨氮容积负荷与氨氮去除速率呈对数关系。有机物、总磷、浊度去除速率和去除率随相应容积负荷的增高而增高。

容积负荷；水力负荷；反应器；生物膜

IAL-CHS反应器采用生物膜法来去除污染物质,具有高效、快速降低富营养化水体中的氨氮等污染物质,出水水质好,操作简单、运行方便等优点［1］。使用这种新的生物反应器处理污染地表水已经有了一定研究进展［2-5］。但对于系统的运行稳定性及其影响因素的研究较少,生物反应器的设计和计算通常采用水力负荷和有机负荷来进行,用容积负荷来评价生化装置的实际处理负荷及在相同条件下的操作管理的优劣是比较简便而直观的［6］。

笔者在处理富营养的原水时,研究了IAL-CHS反应器容积负荷和水力负荷对反应器各污染指标处理效果的影响,以期为今后的设计、运行、管理提供技术参数。

l 装置与方法

1.1 装置

供试IAL-CHS反应器如图1所示,生物反应器总高度为450 mm,柱体直径为100 mm,体积2 300 m L,分离区120 m L,反应器内蜂窝陶瓷载体高166 mm,直径65 mm,进水由水泵从反应器底部进入,反应器下部中间曝气,经分离区沉淀后排出反应器。

1.2 分析方法

水温采用GB 13195-91水温计法。氨氮采用GB 7479-87纳氏试剂比色法,浊度用GB 13200-91分光光度法,总磷 （TP）用GB 11893-89钼锑抗分光光度法,SP-2000型Spectrum可见分光光度计由上海光谱仪器有限公司出品。总有机碳（TOC）用GB 13193-91燃烧氧化非分散红外吸收法,LiquiTOC由德国元素分析系统公司出品。COD（化学需氧量）用GB 11914-89重铬酸钾法。UV254（254 nm波长紫外光下吸光度）采用紫外分光法［7］,UV-2550型仪器由岛津Shimadzu有限公司出品。

图1 供试的IAL-CHS反应器装置

1.3 原水水质

试验所处理的水为上海市漕河泾河水原水,为富营养化地表劣V类水体。原水水温13～29.6℃,氨氮5.6～11.4 mg·L-1,COD 25.1～66.3 mg·L-1,浊度5.6～55.6 NTU（度）,TOC 11.78～22.02 mg·L-1,UV2540.22～0.42 cm-1, TP 0.66～1.11 mg·L-1。

1.4 处理方法

反应器连续运行,当反应器运行稳定时,生物膜已是成熟的生物膜,在反应器对氨氮的去除率达90%后,进行负荷试验,通过逐步提高停留时间（HRT）的方式,来提高反应器的容积负荷。试验设HRT分别为3 h,2 h,1 h,30 min,50 min和40 min,每HRT处理稳定运行10 d以上。试验期间使溶解氧为4 mg·L-1,分别测定反应器进出水的氨氮浓度、COD浓度、TOC浓度、TP、浊度、UV254,并对运行数据进行了统计分析,探讨反应器的水力负荷与相应污染物质的容积负荷,分别与其去除率及去除速率之间的关系。

2 结果与分析

2.1 水力负荷与氨氮容积负荷的影响

由图2-3可以看出,随着水力负荷与氨氮容积负荷的逐渐增大,氨氮的去除率随之逐渐减少,而氨氮的去除速率却与之相反,逐步增大,但增速逐渐减缓。在温度13～29.6℃,HRT为3 h,进水氨氮浓度5.6～11.4 mg·L-1的条件下,氨氮容积负荷从最初的0.26 kg·m-3·d-1,氨氮去除速率为0.248 kg·m-3·d-1开始逐渐增加,当氨氮容积负荷增大到1.65 kg·m-3·d-1时,氨氮去除速率达到1.33 kg·m-3·d-1。当再通过降低HRT增加氨氮容积负荷到最大值1.91 kg·m-3·d-1时,氨氮去除速率仍可保持1.33 kg·m-3·d-1,之后随着氨氮容积负荷的增大,氨氮去除速率逐渐减小。当氨氮容积负荷达到2.54 kg·m-3·d-1时,氨氮去除速率降低到1.21 kg·m-3·d-1。氨氮容积负荷 （X）与氨氮的去除速率 （Y）呈对数关系,其关系可用Y=0.500 9 ln X+0.855 8表示,相关系数0.91。氨氮去除速率与水力负荷和氨氮容积负荷的相关性比氨氮去除率与水力负荷和氨氮容积负荷相关性强,所以用氨氮的去除速率来表示氨氮的去除效果更科学些。并且氨氮容积负荷与氨氮去除率和去除速率的相关性比水力负荷与氨氮去除率和去除速率的相关性更强一些。所以用氨氮容积负荷来衡量和设计生化反应装置较为准确。氨氮水力负荷和容积负荷对氨氮的去除率影响较大。随着水力负荷的增加,当水力负荷达到7.838 m3·m-2·d-1时,氨氮的去除率开始下降。当水力负荷增到12.58 m3·m-2·d-1,氨氮去除率下降明显,迅速低于60%。同样随着氨氮的容积负荷的增加,氨氮的去除率开始保持不变,然后缓慢下降,当容积负荷增加到1.5 kg·m-3·d-1时,氨氮去除率80%以上,当容积负荷大于1.5 kg·m-3·d-1后,氨氮去除率下降明显,所以为了维持较好的处理效果,必须控制进水容积负荷。

图2 水力负荷与氨氮去除率、去除速率的关系

图3 氨氮容积负荷与氨氮去除率、去除速率的关系

2.2 有机物容积负荷的影响

有机物容积负荷通过测定进出水的COD、TOC与UV254指标来分析 （图4-图6）。

试验原水为天然地表水,水中有机物大部分成分为难降解的有机腐殖质。由图4可看出,COD浓度25.08～66.30 mg·L-1,COD容积负荷与COD去除率和去除速率关系比氨氮容积负荷的相关性弱,但也能看出,随着COD容积负荷的逐渐增大,COD去除率及COD去除速率呈正相关的趋势,与氨氮的情况一样,COD去除速率与COD容积负荷比COD去除率与容积负荷的关系相关性强。

由TOC的负荷关系（图5）可看出,同COD一样,TOC去除速率与TOC容积负荷比TOC去除率与容积负荷的关系相关性强。TOC去除速率与容积负荷的相关性比COD去除速率与容积负荷相关性强,相关系数达0.63,这是因为TOC比COD更能准确地代表水体中有机污染物浓度。

图4 COD容积负荷与COD去除率、去除速率的关系

图5 TOC容积负荷与TOC去除率、去除速率的关系

同样,UV254反映的并不是某一种有机物的浓度,而是多种 （甚至达几百种）有机物的浓度之和,是一类有机物的共同含量,是所有具有紫外吸收性能的有机物成分总浓度的指示,可作为TOC、溶解性有机碳,以及三卤甲烷 （THMs）的前驱物（THMFP）等指标的替代参数［8］。由图6可知,同其他有机污染物指标一样,UV254去除速率和去除率随UV254的容积负荷的增高而增高。UV254的去除主要靠生物膜的吸附作用。3种有机污染物指标是一致的,有机物去除速率和去除率随有机物容积负荷的增高而增高,表明反应器对有机物处理还是有些潜力的。

2.3 TP容积负荷的影响

由图7可知,TP容积负荷与总磷去除率和去除速率关系与COD差不多,相关性较差,这与反应器对TP的去除率较低分不开,TP去除率最高仅达到34.4%,趋势为总磷的去除速率和去除率随TP容积负荷的增高而增高。

图7 TP容积负荷与TP去除率和去除速率的关系

2.4 浊度容积负荷的影响

由图8可知,浊度去除速率和去除率随浊度容积负荷的增高而增高,其去除率为10.7% ～80.8%。浊度主要通过接触和微生物的絮凝作用来降低,其容积负荷的增大使其去除速率更高,去除率也会增高,可见反应器在处理浊度方面,还是有相当大潜力的。

图8 浊度容积负荷与浊度去除率和去除速率的关系

3 小结

在IAL-CHS反应器运行研究过程中,设计负荷试验考查容积负荷和水力负荷对反应器各污染指标处理效果的影响,可为以后的设计、运行、管理提供参数。

氨氮水力负荷和容积负荷对氨氮的去除率影响较大,随着水力负荷与氨氮容积负荷的逐渐增大,氨氮的去除率随之逐渐减少,而氨氮的去除速率却与之相反,逐步增大,但增速逐渐减缓。在运行过程中,为保持运行效果,必须控制进水容积负荷,氨氮容积负荷最好不要超过1.91 kg·m-3·d-1,水力负荷不要超过12.58 m3·m-2·d-1。

以氨氮的去除速率比以去除率来表示氨氮的去除效果更科学,用氨氮容积负荷比用水力负荷来衡量和设计生化反应装置更准确。氨氮容积负荷与氨氮去除速率呈对数关系,其关系可用Y=0.500 9 ln X+0.855 8表示。

随着有机物容积负荷的逐渐增大,有机物容积负荷与有机物去除率和去除速率呈正相关的趋势,以TOC和UV254表示的容积负荷与去除速率相关性更好。

总磷和浊度去除速率和去除率随其容积负荷的增高而增高,IAL-CHS反应器还有很大潜力。

［1］ 牛天新,郑洁敏,宋亮,等.气升式内循环蜂窝陶瓷反应器高效快速修复地表水的研究 ［J］.环境污染与防治, 2008,30（8）：65-68.

［2］ 牛天新,张永明,郑洁敏.微污染水源水生物处理工艺中IAL-CHS与三相流化床的初步比较 ［J］.环境工程学报, 2012,6（3）：739-742.

［3］ 牛天新,郑洁敏.气升式内循环蜂窝陶瓷反应器的氧传质特性 ［J］.水处理技术,2012,38（4）：65-67.

［4］ 牛天新,郑洁敏,黄国宁.新型生物反应器处理微污染原水硝化实验研究 ［J］.中国给水排水,2012,28（5）：36-39.

［5］ 牛天新,陈月儿.IAL-CHS反应器预处理富营养化原水的试验研究 ［J］.环境科技,2012,25（3）：1-4.

［6］ 刘成良,李天煜,刘可慧.氨氮废水的厌氧氨氧化生物脱氮研 究 ［J］.生 态 环 境 学 报, 2010, 19（9）：2172-2176.

［7］ 国家环境保护总局 《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法 ［M］.4版.北京：中国环境科学出版社,2002.

［8］ 蒋绍阶,刘宗源.UV254作为水处理中有机物控制指标的意义 ［J］.重庆建筑大学学报,2002,24（2）：61-65.

（责任编辑：吴益伟）

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：A

：0528-9017（2014）04-0578-03

文献著录格式：牛天新.容积负荷对IAL-CHS反应器运行的影响 ［J］.浙江农业科学,2014（4）：578-580,582.

2014-02-15

国家自然科学基金项目 （50678102）

牛天新 （1976-）,女,山东平邑人,工程师,硕士,研究方向为环境生物与水处理技术。E-mail：snail.li2@163.com。