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1實驗與材料

1．1生物掛膜實驗用微生物載體為人工合成的多孔高分子顆粒，其干粒徑0．55～0．99mm，濕粒徑1～2mm，骨架密度為1320kg/m3，濕堆積密度為1010kg/m3，孔徑40～45nm，濕比表面積5357m2/m3。實驗所用培養液為活性污泥，其取自成都市污水處理廠。經過5天的培養，污泥的懸浮濃度達到2．97g/L，其沉降比SV30=35%。接種時，取上述培養后的活性污泥8L和載體顆粒0．36L加入流化床進行啟動掛膜。保持水力停留時間HRT=1．5h，讓反應器開始連續處理配制廢水，廢水的COD濃度逐步從200mg/L提高至400mg/L。15天后，載體上即形成了穩定的生物膜。

1．2分析方法依據國標HJ/T399－200、GB7479－87，分別采用快速吸收分光光度法、納氏試劑比色法測量COD和NH3－N的濃度。液相溶氧值DO和pH值分別由溶氧儀(JBP－607)和pH計(PHS－3C)監測。生物濃度測量:將過濾樣本在溫度105℃的烤箱中干燥至衡重稱量計算。

2實驗結果與討論

2．1反應器的抗沖擊負荷能力本文首先研究了逐次提高COD負荷率條件下COD的去除率及其變化。廢水有機負荷率(OLR)定義為反應器每立方米容積每天(降解)處理的有機物量。據此定義，COD負荷率NV，COD(kgCOD/(m3•d))可由下式計算。式中，Si是進水COD濃度，mg/L;θ是反應器內處理液的平均水力停留時間，h。實驗中，維持廢水水力停留時間θ=1．5h，而廢水COD濃度逐步從SA=200mg/L遞增至700mg/L，即反應器的COD負荷相應從3．5逐次升高至11．2kgCOD/(m3•d)。每一次COD負荷率的升高可視為對反應器操作的一次負荷沖擊，圖2顯示了COD去除率的變化規律。由圖可以看出，每次COD負荷突然提高，COD的去除率出現迅速下降，表明反應器的廢水處理效果受到了負荷沖擊的影響。但在短時間內，COD去除率又能恢復到較高水平并保持相對穩定。該實驗結果表明了反應器的穩定處理效果幾乎不受干擾，具備良好的抗沖擊負荷能力。這一方面是因為多孔載體為微生物提供了較好的固定化場所，固定化的微生物膜更有利于微生物適應水質環境的劇烈變化;另一方面源于反應器的內循環流動，內循環能顯著增強流體混合，使廢水中的污染物質迅速擴散并稀釋，從而緩解COD負荷的沖擊危害，同時內循環強化了生物膜表面的更新，有利于促進污染物質的降解。

2．2恒定負荷下出水的COD和NH3－N濃度圖3和圖4分別顯示了進水濃度不同但有機負荷恒定條件下，COD和NH3－N的去除效果。其中，圖3是廢水COD濃度從500增至900mg/L、相應的水力停留時間從1．5提升至2．7h(以保持COD濃度負荷恒定為8kgCOD/(m3•d))條件下出水的COD濃度及去除率，圖4是廢水NH3－N濃度從25增至45mg/L(保持NH3－N負荷為0．4kgNH3－N/(m3•d))條件下，出水的NH3－N濃度及去除率。由圖可見，恒定負荷條件下，隨進水COD和NH3－N濃度的增加，COD和NH3－N去除率均隨之增加，而出水COD和NH3－N濃度基本保持不變，COD濃度穩定在50～60mg/L范圍內，NH3－N濃度穩定在3～4mg/L范圍內。為理解這一實驗結果，本文首先對實驗過程中液相懸浮微生物量的測試數據進行了分析，結果表明實驗中液相懸浮微生物量的濃度保持在2．98～3．20g/L范圍內，僅有輕微波動，說明生物膜行為沒有變化;其次再從反應器內循環流動的角度，闡明了實驗結果。根據有機負荷率(OLR)定義可知，恒定負荷意味著高濃度的進水必然對應于低流量，以保持反應器中有機物的平均濃度恒定;對于理想混合反應器，恒定負荷進一步意味著反應器各點局部濃度等于平均濃度，因此對于理想混合反應器，只要有機恒定負荷，進水濃度改變并不改變反應器各點局部濃度，自然也不會改變傳質反應速率及其由此導致的去除效果(出水濃度);對于非理想反應器，雖然恒定負荷下反應器平均濃度不變，但反應器內存在濃度分布，進水濃度變化必然導致濃度分布變化，進而影響反應器內的傳質行為和出水濃度。上述實驗結果及反應器混合行為分析表明，內循環三相生物流化床反應器內的混合行為更接近理想混合反應器，其原因在于反應器中的內循環促進了流體的混合，這一行為在本文研究組前期所作的反應器停留時間研究中也得到證實［8］。綜上可知，對于內循環三相生物流化床反應器，由于其內循環產生的良好混合作用，在進水有機物濃度變化的條件下，只要通過調節流量控制水力停留時間使得反應器有機負荷恒定，即可獲得相同的出水濃度，從而為按需調節反應器的操作條件提供了依據。

2．3進氣量對處理效果的影響為研究進氣量對廢水處理效果的影響，采用了半間歇式的操作方式，即每組實驗開始時，在反應器內加入確定濃度的廢水，然后連續供氣，同時測量廢水中COD和NH3－N濃度隨時間的變化，并計算去除率。圖5和圖6分別顯示了實驗條件下COD和NH3－N的去除效果，從圖中可以看出，COD或NH3－N濃度的降低取決于供氣時間和進氣量。參見圖5，在給定進氣量條件下，廢水COD濃度隨時間的推移而降低，去除率相應增加，但濃度降低或去除率增加的趨勢逐漸放緩，這是由于隨著反應器內COD底物濃度的下降，傳質推動力減小，同時微生物活性降低［9］，導致COD降解速率相應降低;圖6中廢水NH3－N濃度及去除率隨時間變化也表現出與COD類似的規律。另一方面，對比不同進氣量下COD濃度和NH3－N濃度的變化可見，進氣量Qg在小于125L/h范圍對COD濃度和NH3－N濃度變化有顯著影響，此時增加進氣量，廢水中COD或NH3－N濃度顯著降低(或去除率顯著增加)，但當進氣量Qg≥125L/h后，COD或NH3－N濃度不再有明顯變化，甚至出現去除率降低的情況。究其原因可歸結為:(1)當進氣量較低時，反應器內的溶氧濃度亦較低，此時溶氧成為處理效果的控制因素，即低溶氧限制了微生物膜的氧源供應，從而使生物膜降解能力受限，此時提高進氣量增加的溶氧能被生物膜有效吸收，故顯著提高其降解能力，導致COD或NH3－N濃度隨進氣量增加而顯著降低;(2)當進氣量很高時，溶氧隨之增加，但由于生物膜的需氧量已經飽和，此時提高進氣量增加的溶氧對于生物膜已是多余，生物膜的降解能力不再增加;而過高的進氣量反而會因為剪切應力增強導致生物膜的脫落，從而降低其降解能力。這就導致高進氣量下COD或NH3－N濃度不再有明顯變化，甚至出現去除率降低的情況。以上分析表明，進氣量的影響是雙重的，三相生物流化床反應器操作存在最優進氣量。

3結論

本文實驗研究了三相生物流化床反應器廢水處理的抗負荷沖擊能力、給定負荷率下的有機物去除率及進氣量對去除率的影響，主要結論如下:(1)本實驗中，隨著COD負荷的逐次提高，COD的去除率都能在短暫下降后迅速恢復到較高水平并保持相對穩定，表明內循環三相生物流化床反應器具有良好的抗沖擊負荷能力和操作彈性，其原因一方面在于固定化微生物膜對水質環境劇烈變化有良好的適應性，另一方面是反應器內的內循環流使廢水中的有害組分迅速擴散并稀釋。(2)實驗發現，在進水COD或NH3－N濃度變化的條件下，只要控制進水的水力停留時間使得反應器有機負荷率恒定，即可獲得穩定的出水濃度;這一結果表明內循環三相生物流化床反應器更接近于理想混合反應器，同時也為根據出水濃度要求確定反應器操作條件提供了依據。(3)進氣量對生物流化床廢水處理有雙重影響，存在最優進氣量。進氣量較低時，反應器內的溶氧濃度亦較低，提高進氣量增加的溶氧被生物膜有效吸收，增強其活性和降解能力(有機物去除率增加);進氣量很高時，溶氧將超過生物膜飽和需氧量，不僅生物膜降解能力不增加，反而會因流體的沖擊和剪切使生物膜從載體脫落，導致去除率降低。本實驗中的最佳進氣量為125L/h。

作者：沈琪 胡培根 胡堃 黃衛星 單位：四川大學 化學工程學院