高浓度活性污泥中二次流传质效果的实验研究

高浓度活性污泥中二次流传质效果的实验研究①湛雪辉１，湛含辉２，钟　乐２（１．长沙理工大学化学与环境工程学院，湖南长沙４１００７６；２．湖南工业大学环保研究所，湖南株洲４１２００８）摘　要：在高浓度活性污泥条件下，通过测定搅拌功率和氧传质系数，对二次流场中的氧传质效率进行了研究。通过与普通流场的对比表明，二次流场在相对较小的搅拌功率和通气量下，具有较高的氧传质效率。并发现在污泥浓度为２０ｇ／Ｌ时，控制剪切条件能够改善活性污泥的絮体结构，使之具有较高的氧传质速率和沉降性能，保证了高浓度条件下微生物的降解效率。关键词：高浓度污泥；二次流；剪切功率；传质效率中图分类号：Ｏ３７６；Ｘ７０８文献标识码：Ａ文章编号：０２５３－６０９９（２００７）０３－００３７－０４ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒＥｆｆｅｃｔｏｆＳｅｃｏｎｄａｒｙＦｌｏｗｉｎａＳｌｕｄｇｅｏｆＨｉｇｈＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＺＨＡＮＸｕｅ⁃ｈｕｉ１，ＺＨＡＮＨａｎ⁃ｈｕｉ２，ＺＨＯＮＧＬｅ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈａＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７６，Ｈｕ⁃ｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００８，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｘｙｇｅｎｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎａｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗｈｙｄｒｏ⁃ｓｃｅｎｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｓｔｉｒｒｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｏｘｙｇｅｎｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅｆｏｒａｈｉｇｈａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｇｅｎｅｒａｌｈｙｄｒｏ⁃ｓｃｅｎｅ，ａｈｉｇｈ⁃ｅｒｏｘｙｇｅｎｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅｃａｎｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄｅｖｅｎｗｉｔｈａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｓｍａｌｌｓｔｉｒｒｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｇａｓｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗｈｙｄｒｏ⁃ｓｃｅｎｅ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓｌｕｄｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒｅａｃｈｅｓ２０ｇ／Ｌ，ｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｃｃｕｌｅｃａｎｂｅａｍｅｌｉｏｒａｔｅｄｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｓｈｅａｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｔｔｈｅｒｅｆｏｒｅｐｏｓｓｅｓｓｅｓａｈｉｇｈｅｒｏｘｙｇｅｎｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅａｎｄａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｏｒｇａｎｉｓｍｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｒａｔｅｆｏｒｓｌｕｄｇｅｗｉｔｈｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｌｕｄｇｅ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗ；ｓｈｅａｒｉｎｇｐｏｗｅｒ；ｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅ　　目前人们对水处理工艺中的传质措施尚处于经验摸索阶段，进行水处理工艺传质研究就成为重要而迫切的课题，生物降解过程中的传质包括气体（氧）和有机物的传质。氧气及营养物质需要通过扩散或对流才能到达微生物表面。其扩散或对流传质速率的高低将直接影响到微生物的活性。影响氧气及营养物质扩散或对流传质速率的因素主要是体系中流体流动状态，而体系的流变行为对体系流动状态及传递边界层结构有着极大的影响。在活性污泥法处理过程中，活性污泥从液相中吸附水中溶解的多种污染物，并利用其中的有机物合成微生物细胞，在自身增殖的同时达到降解水中污染物质的目的。作为细菌和微生物的同生聚集体，其特性将直接关系到处理单元对污染物的去除效果［１～２］。研究表明，活性污泥数量的增长和特性的变化与水环境中剪切力的作用密切相关［３～６］。关于流体剪切力对活性污泥特性的影响机理，相关研究报道很少，且结论也不一致。作者运用自主创新的流体力化学［７］与二次流原理［８］，在水处理方面进行了不少应用研究［９～１０］，本文研究高浓度活性污泥反应体系中，流体剪切因素对氧传质效率的影响，并通过不同流体剪切力下活性污泥絮凝体的形态分析，探讨活性污泥系统对流体条件敏感性的调控机制，证实了利用流体剪切作用改善高浓度活性污泥体系中氧传质效率的可行性。１　实验材料、仪器及方法采用４个平行的锥形有机玻璃圆筒为生物反应器作对比实验，实验装置见图１。反应器的有效容积均为２Ｌ。试验用水取自龙泉污水处理厂经细栅格后的污水。龙泉污水处理厂的废水主要来源是株洲市荷塘区的生活污水和小型工业废水。根据实验方案投加一定量的氯化铵和磷酸二氢钾以满足活性污泥生长繁殖的碳、氮、磷配比的要求［１１］，试验过程中，曝气强度和水温保持不变，即曝气强度为０．２Ｌ／ｍｉｎ、水温为（２２①收稿日期：２００６⁃１２⁃１８基金项目：国家自然科学基金（５０５７４１１１）和湖南省自科基金（０６ＪＪ４０６６）资助项目作者简介：湛雪辉（１９７０－），男，湖南汨罗人，博士，主要从事水处理技术及设备的研究和开发工作。第２７卷第３期２００７年０６月矿　冶　工　程ＭＩＮＩＮＧＡＮＤＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．２７№３Ｊｕｎｅ２００７±２）℃。同时调节废水ｐＨ值为６～６．５。活性污泥取用ＡＡ／Ｏ污水处理厂的污泥泵房的污泥作为种泥投入反应器。图１　实验装置用扭矩传感器与扭矩功率测量仪测量搅拌功率。采用亚硫酸钠氧化法测量氧传质系数［１２］。采用微孔曝气，由气体流量计控制气量。流体剪切力通过调节系统中搅拌器的转速来控制。用坩埚烘干法测定污泥浓度，用ＰＨＳ－３Ｃ计测定ｐＨ值，用温度计测量系统的温度［１３］。定期监测活性污泥的沉降特征值和ＣＯＤ去除效果，并取其平均值作为稳定状态下活性污泥的特性参数。２　实验结果及机理分析２．１　普通流场与二次流场对氧传质效率的影响２．１．１　搅拌功率与转速的关系　在２个流场中，搅拌功率与搅拌转速的关系如图２。由图２可见，搅拌功率随搅拌轴转速的增加而增加，搅拌功率与转速成指数关系。在相同转速下，二次流场中搅拌功率较普通流场的要大。图２　搅拌功率与转速的关系２．１．２　氧传质效率与转速的关系　分别测量了普通流场与二次流场在不同搅拌转速与通气量条件下的氧传质系数ＫＬａ。并分别绘制了ＫＬａ与转速Ｎ和表观气速ｖ的关系图，如图３、图４所示。图３　氧传质系数与转速关系图４　氧传质系数与表观气速关系由图３及图４可以看出，在２个流场中氧传质系数ＫＬａ都随表观气速ｖ和搅拌转速Ｎ的增加而增加，ｖ、Ｎ越高，ＫＬａ越大，ＫＬａ与Ｎ成指数关系。如图３，在相同的搅拌速率下，当Ｎ＞１００ｒ／ｍｉｎ，二次流场的ＫＬａ明显大于普通流场，即二次流场体系中氧和有机物的通透性能比普通流场的更好。同时发现随着搅拌转速Ｎ不断增加，２个流场都表现出传质通透性的增幅趋势减小。采用ＭＡＴＬＡＢ６．１进行数据拟合，得出拟合曲线：绘出体积搅拌功率与氧传质系数关系如图５。由图５可见，Ｐｇ·ＶＬ－１越高，ＫＬａ越大，二者成指数关系。图５　氧传质系数与搅拌功率关系由此可见，在相同剪切功率输入条件下，二次流场下的氧传质系数ＫＬａ高于普通流场。由实验可以看出，８３矿　冶　工　程第２７卷二次流场具有低能耗、高传氧效率的特性。流体流动时，只要有使流体流动产生偏离其主流方向的力（如离心力、重力、流体沿凹凸不平的边壁等）存在，就会产生偏离流体主流方向的流动或移动，这就是次流。当次流现象以一定的规律存在于流场中时，称之为二次流，可以用一种特征数来表示（如迪恩数，泰勒数，革特数等），调整流场参数就能控制这种特征数的大小［１４］。图６为圆筒形搅拌槽中的规则次流场即二次流场示意图，从图中可以看出，处于二次流场流线上Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ点的胶体颗粒和主流场流线上Ｅ、Ｆ点的胶体颗粒，由于离心力、重力等惯性作用，使它们脱离流场流线，经过一段时间后在容器中的Ｇ点处相接触碰撞。由于主流场和二次流场的分布比较规则，几乎占满了整个容器空间内，由此可以推断，位于主流场和二次流场的胶体颗粒在惯性力的作用下、在整个容器空间内每时每刻都能发生接触碰撞。图６　离心剪切流场模型及二次流场示意在高浓度活性污泥体系中，氧和有机物的传质过程受到其体系动力粘度的影响，有研究表明，体系动力粘度随着剪切速率的增大而减小［１５］，在高浓度流变体系中会表现出剪切稀化的现象。而在二次流场下，物质之间能够达到最大程度的碰撞频率，即只需要相对较小的剪切力，就可达到较高的剪切功率，增加体系中的流通量，保证氧和有机物的有效传质。在活性污泥反应器中，气⁃液⁃固三相体系的传质过程分为２个步骤，气⁃液传质和液⁃固传质。由于液⁃固表面的化学反应对其传质过程具有增强作用，所以气⁃液相际传质通常是整个传质过程的控制步骤。由于氧的溶解度小，曝气充氧过程实质上是一个气⁃液传质过程［１６］：ｄＣｄｔ＝ＫＬａ（Ｃｓ－Ｃ）（１）式中Ｃ为ｔ（ｍｉｎ）时的溶解氧浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃｓ为饱和溶解氧浓度，ｍｇ／Ｌ；ＫＬａ为氧传质系数，ｍｉｎ－１；应用条件：生物流化反应器内气相和液相完全混合。由式（１）可见，氧的传递效率取决于２个方面，一是增大（Ｃｓ－Ｃ），由此可以增加氧的传递量，常采用纯氧曝气［１７］、深水曝气或加压反应容器的方法来实现，这种方法的缺点是耗能大。二是增大传质系数ＫＬａ，由此可提高氧的利用率。由以上的对比实验及机理分析看出，可以通过对二次流场的控制，增大传质系数ＫＬａ，提高反应器中的氧传递效率。２．２　二次流场下剪切力对高浓度活性污泥生物降解的影响反应器中的曝气量为１．２ｍ３／ｈ，进水有机物为５００ｍｇ／Ｌ，污泥浓度为２００００ｍｇ／Ｌ，４个搅拌反应器的转速分别为８０，１００，１５０，２００ｒ／ｍｉｎ，运行３０ｍｉｎ后的试验结果如图７、８所示。图７　不同剪切力下的污泥沉降曲线图８　不同转速对ＣＯＤ去除率的影响由图７可以看出，流体剪切力对污泥沉降速度具有影响，在一定范围内流体剪切力越大，活性污泥的沉降速度更快。有研究表明，在低剪切力作用下，活性污泥系统中大量的结构丝状菌交织生长，胶团菌附着丝状菌上形成新生污泥，在氧和营养物充足的条件下，胶团菌和丝状菌不断增长，污泥中伸出的结构丝状菌进一步为胶团菌的生长提供新的附着面，包裹形成更大的污泥絮凝体。当剪切力过大时，致使丝状菌几乎无法生存，造９３第３期湛雪辉等：高浓度活性污泥中二次流传质效果的实验研究成絮凝体和污泥无法再以丝状菌为骨架建立起来。此时形成的絮凝体个体较小，紧密程度极高，尽管沉降性能仍然良好，但因缺乏相应的骨架结构，污泥絮凝体原有的稳定结构形式被打破，活性污泥对污水中溶解氧的吸附和传质受到抑制，使污泥活性降低。对比氧传质系数与搅拌功率关系实验可以看出，二次流场在相对较小的剪切力条件下，使反应器中保持较高的氧传质系数。即在提高氧传质效率的同时降低剪切力度，从而减小因剪切力过大致使丝状菌消失的影响。由图８可以看出，在高浓度活性污泥体系中，ＣＯＤ去除率随剪切力的改变而受到影响，在本次实验中，当转速达到１５０ｒ／ｍｉｎ时，ＣＯＤ去除率基本达到最佳效果。在活性污泥系统中，微生物生态系统的特性在很大程度上决定着污泥的活性和结构以及生物处理效率［１８］。丝状菌是污泥絮体形成的骨架，为形成较大的絮体颗粒并同时保持一定的松散度提供了必要的条件。附着在絮体上的胶团菌为丝状菌的生长提供了更加稳定、良好的生态条件，可保证污泥絮体具有良好的沉降性能而不被出水带走。与胶团菌相比，丝状菌对流体剪切力的变化更为敏感［１９］。因此，在二次流场中，控制较小流体剪切力的同时保证系统较好的通透性能和混合性能，丝状菌维持一定的数量以构建相对密实的污泥结构，以提高氧传质效率的同时维持较好的沉降性能。３　结　　语１）优化反应器运行结构，可以通过对二次流场各因素的控制，增大传质系数ＫＬａ，提高反应器中的氧传递效率。２）在二次流场下，高浓度活性污泥体系的动力粘度随着剪切速率的增大而减小，表现出剪切稀化