生物转鼓反应器氧转移特性及运行效能

李宁，苗志加，李再兴，王忠东，秦学，黄娟

（1河北科技大学环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2石家庄经济学院水资源与环境学院，河北 石家庄 050031）

引言

生物转盘法是一种高效的固定生物膜废水处理技术，依靠空气暴露与剪切空气为微生物提供溶解氧（DO），具有净化效率高、耐冲击负荷、能耗低和操作简便的优点[1-2]，广泛应用于染料[3]、市政[4]、食品[5]等污水处理领域。然而生物转盘在实际应用过程中常常出现生物膜过量生长，阻塞填料孔径，从而降低了生物膜内层氧及底物的传递效率，同时大面积生物膜的脱落使出水中悬浮物浓度增高，导致出水水质恶化[6]。移动床生物膜反应器（MBBR）是现代污水生物处理技术中较为革新的工艺，它是使微生物固定生长在一种密度略小于水的轻质漂浮填料上，通过液体回流、曝气扰动或机械混合使载体填料悬浮于反应器的生物膜工艺，解决了生物转盘反应器需要定期清洗的复杂操作问题，但是相比生物转盘反应器能耗较高[7-8]。因此，如何进一步探索和开发新型高效的脱氮工艺，控制生物载体微生物数量和活性，成为目前学者关注的热点。

本研究结合生物转盘和MBBR反应器的优势，研制了一种新型的生物转鼓反应器。重点考察了反应器在清水试验中的氧转移特性和对模拟生活污水的处理效果，研究了浸没高度比和转速对反应器氧总体积传质系数和动力效率的影响，优化了生物转鼓分段进水后置反硝化脱氮工艺的运行参数。

1 材料与方法

1.1 试验装置

生物转鼓反应装置及废水处理工艺如图1所示。反应器主体采用不锈钢材质，包括反应池、转鼓、转轴、电机、电机支座、进水口、出水口和DO在线监测系统等部分。反应池为长方立体结构，尺寸为50 cm×40 cm×50 cm（长×宽×高），出水侧面沿高程15、20、25和30 cm处分别设置4个排水口，对应有效容积分别为28、38、48和58 L。转鼓通过转轴由电机进行驱动，转鼓内装填MBBR悬浮填料，填料为江苏宜兴盛泰环保公司提供的K3型悬浮生物填料（材质为 HDPE，规格为ϕ25 mm×10 mm，比表面积＞500 m2·m-3，密度为0.96 g·cm-3±0.02 g·cm-3），填料填充体积比为80%。转鼓转速范围为2～16 r·min-1，转筒内壁均匀设置4个矩形搅拌片（40 cm×5 cm）以增加对填料的搅拌强度。

废水处理系统采用分段进水后置反硝化工艺，包括好氧生物转鼓反应器和缺氧生物转鼓反应器，进水由两台计量泵分流送至两级反应器。DO监测仪记录各个反应器的DO浓度。

1.2 接种污泥与试验用水

反应器接种污泥采用某城市污水处理厂二沉池剩余污泥，污泥浓度分别为25.0 g MLSS·L-1和19.5 g MLVSS·L-1，接种污泥量为反应器体积的1/10。本试验挂膜启动及后续运行均采用模拟生活污水，即采用葡萄糖、NH4Cl和 KH2PO3作为碳源、氮源及磷源，溶解在自来水中，并添加钙、镁、铁等微量元素。配水平均 COD为（385.0±15）mg·L-1、N-N 为（38.0±2.5）mg·L-1和 TP为（3.0±1.5）mg·L-1，通过投加NaHCO3调节进水pH为7.0～8.0。

图1 生物转鼓分段进水后置反硝化废水处理工艺流程Fig.1 Schematic diagram of step feed post-denitrification with rotating drum biological contactor

1.3 分析化验方法

1.4 试验方案

1.4.1 氧总体积传质系数（KLa）及动力效率（Ep）测定 在假设完全混合的条件下，氧在气液两相传质过程中，液相中DO浓度随时间的变化符合一级动力学方程

式中，KLa为氧的总体积传质系数，h-1；CS为DO饱和浓度，mg·L-1；C为t时刻 DO浓度，mg·L-1。

本试验首先向好氧生物转鼓反应器注入一定量的清水，并调节转鼓的浸没深度依次为1/3、2/5、1/2、3/5、3/4和 5/6，通过计算向反应器中投加适量 Na2SO3和催化剂 CoCl2以完全去除水中原有的DO。启动转鼓，分别测定转速为 4、8、12和 16 r·min-1条件下不同时刻t水中DO的浓度C以及饱和DO浓度CS，得到Sln( )CC- 与t的直线关系，其斜率即为氧的总体积传质系数KLa[12]。

动力效率计算如下

式中，EL为氧传递效率，kg O2·h-1，V为好氧生物转鼓反应器有效体积，m3；N为由电功率表（UT71E，中国）测定的电机实际输入功率，kW；Ep为氧传递的动力效率，kg O2·(kW·h)-1。

1.4.2 流量分配比影响测定 本研究采用两点进水方式控制反应器的运行，流量分配比是影响反应器处理效果的关键参数。在总进水流量为6 L·h-1的条件下，好氧生物转鼓反应器进水流量与缺氧生物转鼓反应器进水流量的比值（简称流量比）分别设定为1：0、4：1、3：1和2：1，对应反应器运行的PhaseⅠ～Ⅳ 4个阶段。通过分析不同阶段下反应器脱氮的运行效果，得出反应器操作的最佳运行条件。运行过程中主要用到的计算公式如下。

缺氧生物转鼓反应器进水4NH-N+浓度计算公式

式中，C(inf,N- N)为缺氧生物转鼓反应器进水 N-N浓度；C(aer,N- N)好氧生物转鼓反应器出水 N- N浓度；C(inf,N- N)为缺氧生物转鼓反应器进水 N- N浓度；C(raw,N- N)为原水N-N浓度；C(aer,N-N)为好氧生物转鼓反应器出水 N- N浓度；Q1为好氧生物转鼓反应器的进水流量；Q2为缺氧生物转鼓反应器的进水流量。

2 结果与讨论

2.1 浸没比及转速对氧转移能力的影响

2.1.1 对氧总体积传质系数的影响 污水生物处理过程中，DO对有机物氧化和好氧硝化起着重要作用，充足的DO供应是好氧生物转鼓反应器正常运行的关键[13]。影响氧转移速率的因素众多，如温度、氧分压、搅拌强度、反应器结构、水质特点等[14-16]。改变搅拌方式、增强搅拌强度，可以减少液膜厚度，增加气液接触面积，从而提高氧总体积传质系数，增强氧转移能力。本研究通过调整转鼓转速（4～16 r·min-1）和转鼓浸没高度比（1/3～5/6），测试不同条件下氧总体积传质系数KLа，试验结果如图2所示。

图2 浸没高度比及转速对总体积传质系数的影响Fig.2 Influence of immersion level and rotating speed on volume oxygen transfer coefficient

由图2可知，在一定浸没高度比条件下，转鼓转速越高，氧总体积传质系数KLa越大。当浸没高度比为5/6时，转速从4 r·min-1升高至16 r·min-1过程中，氧总体积传质系数KLa由2.32 h-1升高至6.89 h-1。当浸没高度比为1/3时，转速从4 r·min-1升高至16 r·min-1过程中，氧总体积传质系数KLa由9.85 h-1升高至25.87 h-1。这说明转鼓转速与氧总体积传质系数成正比增长，这与Courtens的研究结果相似，在清水试验中 RBC盘片的运动增强了对液体的搅拌程度，从而提高了氧向液相的传输能力[13]。

然而，在4 r·min-1条件下，浸没高度比从1/3升高至5/6过程中，KLa从9.85 h-1降低至2.32 h-1；在16 r·min-1条件下，浸没高度比从1/3升高至5/6过程中，KLa从25.87 h-1降低至6.89 h-1。这说明在一定转速条件下浸没高度比与氧总体积传质系数KLa呈负相关关系。浸没高度比的增加会减小气液相界面的面积，可能是导致生物转盘氧转移能力下降的主要原因[17]。

从上述试验结果可以看出，通过调节转速和浸没高度比，填料型生物转鼓具有从2.32 h-1到25.87 h-1的较大幅度的氧总体积传质系数，为生物脱氮好氧与缺氧环境的形成提供了理论依据。有研究认为，氧转移的发生除了与气液两相浓度差异相关外，主要依靠液膜的破坏与更新，Kim等[18]认为这种更新与两相间氧转移速率呈线性增长关系。本研究利用生物转鼓内充填料的翻动与转鼓本身的旋转对液体造成的紊动克服了液膜的表面张力，增加了液膜的更新速率，从而提高了反应器的氧转移能力。因此，填料型生物转鼓的供氧方式不仅为附着在载体上暴露于空气中的微生物直接供氧，而且为反应器中悬浮及浸没的好氧微生物提供较高的DO环境，为好氧生物转鼓反应器的正常运行提供了理论依据。

2.1.2 对氧转移动力效率的影响 生物转鼓反应器在运行过程中，较高的转速会增加电耗，增大处理费用；而过低的浸没高度比则会减小反应器的有效利用容积，增加建设投资。因此，考察转速及浸没高度比对动力效率的影响，优化控制参数，可以提升反应器利用效率，减少电能消耗，节省投资和运作费用。本试验中转速及浸没高度比对反应器动力效率的影响如图3所示。

从图3可以看出，随着转速的提高，动力效率整体上表现出先上升后下降的趋势，在转速为 12 r·min-1时动力效率达到最高。浸没比分别为 1/3和 5/6时，对应动力效率分别为 228.62和 119.01 g O2·(kW·h)-1。在转速为16 r·min-1时，因能耗过高而导致动力效率降低。

图3 浸没高度比及转速对氧转移动力效率的影响Fig.3 Influence of immersion level and rotating speed on oxygen transfer power efficiency

随着浸没高度比的提高，不同转速下动力效率均降低，这是由氧传质效率降低和能耗增加共同导致的结果。而在浸没比为1/3时，尽管动力效率表现出较高水平，但反应器有效利用体积的减少使反应器的处理能力下降，有效利用体积减少。因此，综合考虑，好氧生物转鼓反应器最佳转速范围为4～12 r·min-1，最佳高度浸没比为1/2~2/3。

2.2 流量分配比对反应器运行效果的影响

2.2.1 对有机物去除效能的影响 在流量分配比对系统运行效能影响试验研究中 COD的处理效果如图4所示，当流量比分别为1：0、4：1、3：1和2：1时，进水COD为371.43～399.84 mg·L-1，COD容积负荷为0.74～0.80 kg COD·m-3·d-1。好氧生物转鼓反应器出水 COD未观察到有明显波动，出水平均值为28.74 mg·L-1，这可能是由于填料载体微生物数量充足，反应器处理容量较大，而且原水中有机物较易生物降解，在此进水流量条件下对有机物处理能力达到平衡[19]。

图4 不同流量分配比下进出水COD及其去除率变化Fig.4 Variation of COD concentration and removal efficiency under different flow distribution ratio conditions

同时，在Phase Ⅰ～Ⅲ 阶段，总出水COD均小于40 mg·L-1，COD的去除率在88.13%～96.00%之间，平均去除率为91.64%，出水COD浓度能够稳定达到一级A排放标准要求。而在Phase Ⅳ阶段，总出水COD范围是36.67～58.64 mg·L-1，略有上升。分析原因，随着缺氧生物转鼓反应器进水分配流量的增加，一方面水力停留时间减少、缺氧生物转鼓反应器有机负荷提高导致有机物处理能力下降，另一方面，来自好氧生物转鼓反应器硝化液比例的减小降低了反硝化对碳源的需求，导致出水COD浓度偏高。

图5 不同流量分配比下氮浓度及其去除率变化Fig.5 Variation of nitrogen concentration and removal efficiency under different flow distribution ratio conditions

可以看出，在Phase Ⅰ～Ⅳ过程中，流量比增加提高了好氧生物转鼓反应器对N-N 的硝化效果。在不同的流量比下，污水进入好氧生物转鼓反应器折算的 HRT依次为 4、5、5.3和 6 h，对应COD容积负荷依次为 1.16、0.92、0.87和 0.78 kg COD·m-3·d-1，逐级减小。这样，在同一反应器内有机负荷降低减小了对自养型亚硝化及硝化细菌的竞争抑制，N-N 降解时间的增加也是硝化速率提高的重要原因。在此运行过程中，反应器 DO控制为3～5 mg·L-1，从而验证了在生物条件下反应器供氧效能的稳定性，为好氧生物转鼓反应器正常运行提供了保障。有研究认为，亚硝酸菌对 DO的亲和力较硝酸菌强，在低DO条件下（通常认为0.5 mg·L-1以下）硝酸菌增长受抑制更明显，会出现亚硝酸积累现象[20]。本研究系统硝化产物几乎都是N-N ，N-N 累积很少，约为 0.01～0.20 mg·L-1，而且N-N 硝化程度较高。这说明搅拌供氧方式可以为生物膜提供充足的氧气，N-N 被快速氧化为N-N ，满足好氧生物转鼓反应器对硝化能力的需求。

2.2.3 对反硝化作用的影响 图 5 (b)所示为不同流量比下进出水N-N 及N-N浓度的变化。Phase Ⅰ阶段流量比为1：0，缺氧生物转鼓反应器进水N-N 浓度为34.5 mg·L-1，出水N-N 浓度为31.0 mg·L-1，反硝化去除率较低。这是由于缺氧段未分流进水，无法提供给反硝化微生物代谢所需的碳源，导致反硝化不能顺利进行。

图6 C OD/N-N对 N- N去除率及TN去除率的影响Fig.6 Influence of C OD/N- N on TN removal efficiency

2.2.4 工况优化对反应器脱氮效果的影响 从图 5(b)及式(5)可以看出，在 Phase Ⅲ、Ⅳ阶段出水N-N浓度平均值分别为10.50和13.27 mg·L-1，出水总氮浓度分别为 11.57和 13.99 mg·L-1，N-N成为出水总氮组分的主要贡献者。这主要是由于随着进入缺氧生物转鼓反应器流量的增加，原水中所含的 N-N不能向硝态氮转化，导致出水中N-N含量过高，从而影响反应器出水TN浓度。

图7 缺氧生物转鼓反应器不同DO对氮去除效果的影响Fig.7 Effect of DO on nitrogen removal in anoxic reactor

调整前缺氧生物转鼓反应器 DO约为 0.4 mg·L-1，调整后出水 TN去除率在 DO为 1.0 mg·L-1时最高，相比调整前，出水N-N 浓度平均值由10.5 mg·L-1降低至2.4 mg·L-1，同时出水总氮浓度平均值由11.6 mg·L-1降低至7.3 mg·L-1，TN去除率由69.4%提高至80.9%。而出水N-N 浓度平均值仅上升3.6 mg·L-1，未受到明显的影响。这说明较低浓度的DO由于受到扩散的限制，未对生物膜内部缺氧环境造成破坏，缺氧生物转鼓反应器仍保存较高的反硝化活性，并增加了N-N 的去除能力。因此，适度调控反应器的运行状态，如转鼓浸没比、转速及生物膜厚度等，可以有效协调硝化和反硝化速率，有助于进一步提高TN去除率[23-24]。

2.3 生物量及生物活性

本研究在室温条件下挂膜启动。接种活性污泥初期，有少量活性污泥附着在塑料载体表面。5 d后，填料表面出现黏膜状浅黄色的生物膜，之后颜色逐渐加深，呈现黄褐色或灰褐色，并且厚度逐渐加大。启动后期，镜检显示生物膜菌胶团结构紧密且数量较多，并先后发现累枝虫、轮虫等原生动物，扫描电镜显示微生物群体结构紧密、生物相丰富（图8）。在试验运行期内，缺氧生物转鼓反应器出水SS浓度小于10 mg·L-1，填料搅动形成的水力剪切使过多的生物膜以细小悬浮物的形态排出反应器，未观察到生物膜因过厚而导致大面积脱落造成出水悬浮物量升高的现象。

图8 填料挂膜前后及生物膜SEM图Fig.8 Photograph of fresh and used carriers and SEM image of biofilm

在Phase Ⅲ运行稳定期间，小试研究测定了好氧生物转鼓填料生物膜的有机物降解活性和硝化活性。研究发现，常温条件下生物膜有机物降解活性和硝化活性平均值分别为23.2 mg O2·(g VSS)-1·h-1和18.0 mg O2·(g VSS)-1·h-1，硝化反应底物降解速率为1.96 m g N- N·(g VSS)·h-1。这与Wang等[25]在多点进水生物流化床反应器同步硝化反硝化研究中得到的生物膜SOUR数据基本一致，表明生物转鼓反应器生物膜活性满足污水有机物降解及硝化需求。

3 结 论

（1）研制的生物转鼓反应器内充MBBR填料，依靠水力搅拌，填料剪切空气可进行充氧,氧总体积传质系数KLa可达25.87 h-1，动力效率可达228.62 g·(kW·h)-1。在一定浸没高度比条件下，转鼓转速越高，KLa越大。而转速相同时，浸没高度比与KLa呈负相关。通过控制转鼓浸没水深和转鼓转速，可使装置在好氧、缺氧或厌氧条件下运行。

（2）采用生物转鼓分段进水后置反硝化工艺处理模拟生活污水，在进水流量6 L·h-1，水力停留时间18 h，流量分配比3：1，好氧生物转鼓反应器浸没高度比 2/3、转速 8 r·min-1、DO 3.0 mg·L-1，缺氧生物转鼓反应器浸没高度比5/6、转速 4 r·min-1、DO 1.0 mg·L-1，进水COD、N-N和 TN浓度平均值分别为 385.0、38.0和 38.0 mg·L-1时，出水COD、N-N 和TN浓度平均值分别为36.9、2.4和7.3 mg·L-1，出水水质可满足我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准要求。

（3）研制的生物转鼓反应器具有操作简便、氧转移效率高、动力消耗低、生物膜更新速率快、处理效果稳定、污泥产生量少的特点，可为城镇污水处理提供技术支持。

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