一种新型异径筒填料在生物膜水处理装置中的应用
1 背 景
生物膜水处理工艺是近20年来发展的一种运行稳定、能抗冲击负荷、经济节能、剩余污泥量少并具有一定硝化与反硝化功能的先进方法。生物膜反应器中的填料是决定生物膜反应器污泥处理效率与质量的主要因素之一。本文从填料在生物膜污水处理工艺中的作用及水动力学机理出发，分析了生物膜污水处理技术中的填料对水流流动特性、污水处理效率的影响，并选用了一种新型异径筒填料作为生物膜处理器填料，通过试验取得了良好的污水净化效果。
2 填料与实验
2.1异径筒填料
填料的材料和类型对生物膜形成的质量与数量、池中水流及气流(气泡流)的运动、生化反应的效率以及对SS的捕获能力都有重要影响。本文经分析研究，选用了厚度为0.015mm的聚苯乙烯制成的异径筒状填料。
聚苯乙烯制成的异径筒填料经前期试验表明它挂膜时间短、效果好。
填料的比表面积大有利于增加生物膜的总量，空隙率高有利于截留和保留大量的悬浮生长的微生物，并能防止生物反应器阻塞和生物载体结团。经过测算，本文所用异径筒塑料填料比表面积为157m2表面积/m3(每立方米装8300个填料)，空隙率达到97.8%。此种填料对布气和布水要求不高，有畅通的流道，不容易阻塞，而且可内外挂膜。
试验中这些填料筒是随机地放入生物处理器中的，所以不存在直上直下的通道，水流在异径筒内、外流动中都处在与垂直方向有一定角度的绕流流动中。在不断地绕流中，水流速度时快时慢，水中悬浮颗粒SS很容易在流速较慢时被捕集，因为颗粒的再起动流速要远大于沉降速度。本试验中水流平均流速u为0.01～0.02mm/s，6小时停留时间u为0.05～0.06 mm/s。对于粒径在0.01～0.1mm的颗粒，Stokes沉速v=0.1～1.0mm/s。当SS的沉降速度v大于水流上升速度u时，就会产生沉降，可见异径筒填料有良好的捕集SS功能。
水力条件对生物膜反应器的运行及净化功能有很大的影响。异径筒填料在池中形成了良好的适合于生物膜反应器运行的环境条件。
水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。本文采用的是推流式反应器，污染物浓度衰减方程有：Se=S0•e-kt。从表面上看，延长水力停留时间，则出流污染物浓度Se 将降低，但过分延长水力停留时间会影响反应器的水力负荷或有机负荷，另外随着停留时间t的增加，衰减速率会逐渐减小，所以t超过某一值后继续增加水力停留时间是不经济和不可取的。试验证明异径筒填料在这方面有较好的性能。水流在筒内、外交替流动并经多次绕流，不存在垂直方向的通道，经测定在同一断面上浓度离差系数 Cv<0.05。所以容易获得最佳水力停留时间。
反应器中水流剪切力会对生物膜产生冲刷并使其脱落，所以作用于生物膜上的水流剪切力直接决定生物膜厚度和生物膜量，对生物膜反应器的运行效果有重要影响。本文采用的异径筒填料的水流基本上属于管流层流。
运行工况下，Re≤100，此时水流对生物膜的剪切力完全决定于粘滞性，而与生物膜表面状态无关，即水流剪切力只取决于水温和流道内的流速分布，对于圆管层流流速分布符合抛物面分布。本文按异径筒填料最大可能的平均流速u=0.5cm/s考虑，水流剪切力 τ<0.01dyn/cm2，这比大多数填料要小一个数量级。
所以从水力停留时间和水流剪切力等水动力条件看，异径筒填料有很好的生物膜反应器运行水力条件。
2.2 实验研究
本文采用异径筒填料在一套微污染河水处理装置上进行了验证性实验。试验设备为有机玻璃制成的圆筒形装置，总容积为235L，其中初沉-缺氧池为98L，曝气池为79L，二沉池为33L，消毒池为25L。
各指标均用标准方法测定，在每一工艺条件下稳定运行3天，取其平均值作为分析数据。由于异径筒填料尺度比一般填料大，且属于各向异性填料，对气流有导流和绕流影响，结果使得气体在填料层中存在不同的溶解氧浓度，这样会出现不同的微生物种群共存。
3 结果与讨论
3.1 停留时间试验
结果表明CODCr 去除率随停留时间的增加而升高。当停留时间为24h时，出水清澈，CODCr 去除率接近60%，但生化作用利用率低。当停留时间为16h时，出水水质略差，CODCr 去除率为54.7%，仍低于15mg/L(地表水环境质量标准GHZB 1-1999 I类标准)。当停留时间缩短为6h时，CODCr 去除率只有38.2%，出水水质明显下降。因此，综合考虑各因素，最佳停留时间为16h。
3.2 生物膜状态及其脱落
在运行试验中，系统的污泥产率很低且稳定在0.16左右。运行中生物膜几乎保持动态平衡。在初沉-缺氧池中生物膜外观呈灰黑色，结构密实。在曝气池内的生物膜成黄褐色，有较明显的泥腥味，进水处生物膜极厚，出水处生物膜较薄。填料层中还发现硝化和亚硝化细菌，以及不同种群的微生物，说明曝气池也运行良好。
4 结论
(1) 采用聚苯乙烯制成的异径筒填料，在生物处理器池中具有良好的挂膜性能。
(2) 异径筒填料能在生物处理器池中形成良好的水流条件，有利于固体悬浮颗粒SS的捕集，提高污水与生物膜的反应效率以及减小水流剪切力维持生物膜的稳定、保持动态平衡。
(3) 异径筒填料尺寸较大，且有导流作用，气体在填料体中传输会形成不同的溶解氧浓度，有利于同一主体设备中共存不同微生物种群，提高净化效果。
(4) 整个系统处理效果良好，在停留时间为16h时，微污染河水的CODCr 、BOD5 、NH3-N 、SS去除率可接近55%，70%，75%，80%，整个系统出水水质稳定，污泥产率低。
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