振动格栅反应器处理污水的效果研究*

龙天渝, 杜梦楠

(重庆大学 城市建设与环境工程学院， 重庆 400045)

振动格栅反应器处理污水的效果研究*

龙天渝, 杜梦楠

(重庆大学 城市建设与环境工程学院， 重庆 400045)

为研究反应器内紊流脉动的水力环境对污水处理效果的影响，探讨反应器内的填料在振动条件下对污水传质效果的影响，试验采用自行设计、改进的振动格栅反应器对处理出水指标进行检测，经过一系列对比试验，结果表明:在水温环境为26 ℃、合适溶解氧值的试验条件下，反应器达到最优处理效率的最佳振动周期为4 s， COD、TN和TP的去除效率分别可达72.9%、82.7%和54.55%。

紊流脉动;振动格栅;振动周期;传质

生物膜法是污水生物处理的主要技术之一[1-3]，填料作为反应器重要的结构，对生物膜处理效果影响重大，而目前生物膜工艺中填料仅作为微生物的载体，是反应器提高更高的微生物量和反应的场所之外，功能较为单一[4-5]，且反应器内污水的流态单一，加之曝气利用率低，使得传统生物膜处理工艺受到限制[5-7]，因此设计了一种可以随格栅板上下振动的弹性填料[8]，格栅板上的弹性填料呈辐射状态分布，其辐射分布丝条和带孔格栅在振动的过程中可在反应器中创造紊流的水力环境，同时有效切割氧气气泡，使得气泡的上升路径变得相对复杂，增加溶解氧在反应器内的停留时间，并在此过程中主动接触内污水，有效地促进反应器内气-液、液-固(生物膜)的传质环境[9-11]。

1 实验装置及方案

1.1 实验装置

图1 振动格栅装置示意图Fig.1 Vibrating grid device diagram

实验装置见图1。反应器主体尺寸为31 cm×31 cm×45 cm，注水高度约为33 cm，有效容积约为32 L[12]。

反应器底部海绵层区域布置有温控管，保持水温为26 ℃，填料分别固定于温控管和格栅之上，填料装填效果见图2、图3。

图2 顶部填料安装效果Fig.2 Bio packaging on the top

图3 底部填料安装效果Fig.3 Bio packaging at the bottom

安装完成的反应器特征：

在反应器水力环境方面，格栅在水中竖直往复运动，可以产生稳定的无平均速度的剪切力紊流流态，格栅板上呈辐射状态分布的填料也可以有效地切割氧气气泡，使氧气气泡尺寸变小，同时使气泡的上升路径变得复杂，从而可以增加氧气在反应器内的停留时间，间接提高了曝气装置的利用率。外格栅边界距箱体内壁越0.5 cm，较小的距离能有效地减少箱体内壁的边界影响，同时底部拥有较致密的弹性填料，可有效地防止水波经箱体底部反射而产生叠加。

在反应器内微生物方面，格栅的振动直接促进了水中营养物质的扩散，同时紊流的水力条件也间接的为扩散传质提供了较好的条件，近似于完全混流。格栅运动过程中能够在孔口处形成射流，格栅条后形成尾流，填料的位置恰好处于射流，尾流的区域，从而产生足够的往复的剪切力，有利于生物膜的形成[12]。

1.2 实验用水

结合实验室条件，实验污水采用雀巢某品牌奶粉进行人工配水。由申玉春[13]等人撰写的相关研究当中有公式：

①E(J/g)=14.52×COD(mg/L)-929.1 (n=17,r=0.626 5,P<0.01)

②E(J/g)=12.34×COD(mg/L)+329.9 (n=22,r=0.957 7,P<0.01)

将COD取400 mg/L，代入式①可得E1=4 878.9 J，带入公式②可得E2=5 265.9 J，由厂商提供的营养价值表可以分别估算出，投加量T1=0.303 g，T2=0.327 g，之后取0.3 g/L，即0.06 g奶粉溶解于200 mL纯水中进行验证，得出COD=385.29 mg/L，考虑到操作与测试误差，结果符合研究。根据反应器水体积32 L，可得投加量为32×0.3=9.6 g，为方便取用，这里品牌奶粉每个反应器投加量定为10 g。

1.3 实验方案

初步拟定10.00 g/箱的营养物质投加量，采用26 ℃水温，一定曝气量，不同振动周期：0、1、2、4、6、8 s， 进行重复对比实验，隔日检测分析COD、TP、TN的浓度变化。

2 结果与讨论

2.1 不同振动周期下反应器出水COD浓度的变化

实验中对不同周期下反应器水体中的化学需氧量进行了隔日测试，对测试数据进行汇总和处理，结果见图4。

图4 COD隔日去除率Fig.4 The removal rates of COD in the next day

从图4中可以看出，COD隔日去除率由静止对照组的62.02%，上升到振动周期为4 s组的72.89%，然后下降至振动周期为8 s组的70.31%。

可以得出，振动组对COD的去除效果与振动频率正相关，表明振动有利于微生物去除水体中的有机物。

究其原因，振动格栅反应器特殊的结构和独特的水流特性，可以使水体当中的有机物充分扩散，接近于理想的均化间歇反应器。同时可调节的周期的设计为填料提供了充沛而合适的剪切力，为微生物转化为生物膜和后期生物膜的新陈代谢创造了良好环境。传统处理方法在填料固定，水体流动的模式下，微生物活动范围窄，捕获水体污染物能力有限，而振动格栅反应器可以改变这种被动的处理方式，提高微生物的活动范围，使生物膜动态运行，大幅度提高了微生物对污水的去除效率。

2.2 不同振动周期下反应器水体中TN浓度的变化

实验中对不同周期下反应器水体中的TN进行了隔日测试，对测试数据进行汇总和处理，结果见图5。

图5 TN隔日去除率Fig.5 The removal rates of TN in the next day

从图5中可以得出，次日TN去除效率由静止对照组的57.70%上升到振动周期为1 s、2 s、4 s组的80%左右，之后降低到振动周期为6 s、8 s组的60%左右。振动周期1 s、2 s、4 s组之间差异不明显，考虑到实验误差，三者无显著差异。

反应器中的振动格栅全程扰流，一方面增强了氮元素溶质的扩散，使微生物的生化反应产物能够快速的传递，提高了传质效率。另一方面，特殊的水力条件大大加强了曝气对N2的吹脱作用，使NH3、N2能非常快速地从反应器水体逃逸离去[14-16]。

综合上述两种作用，反应器提供了一个良好的脱氮环境。相比较静止组，高出20%左右的去除效率也证明了这种优势体现的非常明显。而比较不同振动周期的实验组，发现从4 s组之后，去除效率大幅降低。结合脱氮原理，由于脱氮是好氧微生物和厌氧微生物共同作用的结果，存在反应产物的传递，对传质效率依赖度极高，而作为间接反映传质效率高低为反应器的振动周期，因此理论上说，无限大的传质效率是最佳的条件，但提供这种条件意味需要极短的振动周期。而极端的振动周期会导致反应器产生过强的剪切力，微生物无法良好生长。这也就解释了初期振动周期变大脱氮效率却上升的原因，即脱氮需要兼顾微生物的长势和传质效率，在不同振动条件下，两者交替主导影响了脱氮效率。相对于各组，4 s的振动周期提供了适宜微生物生长的剪切力，同时保持了良好的传质条件。

2.3 不同振动周期下反应器水体中TP浓度的变化

实验中对不同周期下反应器水体中的TP进行了隔日测试，对测试数据进行汇总和处理，结果见图6。

图6 TP隔日去除率Fig.6 The removal rates of TN in the next day

从图6中可以得出，除去静止对照组，TP的去除效率与振动周期呈负相关，随振动周期的增大而降低，TP的去除效率并没有出现于类似TN或COD相同的峰值，由于磷元素的特殊性，它不能经过氧化还原等反应从水体中向大气逃逸，只能从固体形态或者溶解的形式相互循环转化。而实验均未投加任何药剂，全部为微生物为主体的生化反应。因此，磷元素的吸收只能是以溶解的形态被微生物所汲取。聚磷菌在好氧条件下吸收远超过其生理需要的磷元素，将其以聚合型态贮藏在细菌体内。根据成熟工艺的研究结果，生物除磷的关键条件之一是溶解氧的含量，因此溶解氧成为了决定性的影响因素，而由双膜理论[17]可得：

其中KLa表示氧总转移系数，表示在曝气时氧的总传递性，与传递阻力的大小成反比，即阻力大数值低，阻力小，数值大。除去反应器固定的污水水质，恒定的温度，恒定的氧分压等，影响KLa的因素只剩下水体中氧浓度梯度，气泡大小，水体的紊流程度等。

实验所用的反应器在振动格栅的运动下，剧烈搅动水面，产生水跃，大大降低了相界面由于两相层流导致的传质阻力，使得液相与气相彼此的接触面不断更新，加速了氧的传质，填料的格栅能够切割气泡，这些都增加了KLa，提高了氧转移效率。从而反应器的振动周期就间接和KLa成正比。为了方便分析，将静止对照组放在图表的右边，按照紊流强弱的顺序排列，可得到图7。

图7 TP隔日去处率Fig.7 The removal rates of TN in the next day

将数据汇总拟合，得到拟合曲线：

y = -0.137 6x + 0.902 1

相关系数R2=0.966 1，根据模拟曲线得到节距0.902 1，预期可以将除磷效率提高到90%。但过短的周期会影响反应器的其他微生物的生长，限制去除有机物和脱氮的效果，可通过适当增加曝气量提高磷元素的去除率。因此，综合考虑COD、TN的去除影响，最佳振动周期为4 s/周。

3 结 论

通过静止对照组和振动组的对比试验结果得出，振动组的处理效果明显优于静止对照组，究其原因，振动组填料在振动过程中可将水中的气泡剪切成更加微小的气泡，增大了气液传质接触表面，使物相接触表面不断更新，从而提高了反应器内的有机质向微生物膜、氧气向污水中的传质速度。

COD、TN在振动周期为4 s时达到最佳处理效率，而TP在振动周期为1 s时达到最佳处理效率，综合考虑分析后，认为TP可通过适当增加曝气优化去除率，确定最佳振动周期为4 s，此时COD、TN、TP的隔日去除率分别为 72.9%、82.69%、54.55%。

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责任编辑：田 静

A Study on the Effect of Wastewater Treatment Using Vibration Grid Reactor

LONG Tian-yu, DU Meng-nan

(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China )

In order to study the effect of turbulence flow on the sewage treatment, to explore the impact of vibration conditions of the filler on the mass transfer of sewage treatment, this paper analyzed the influence of the vibration period on the effluent. Through the comparison experiments, the results show: at 26 ℃, water tempe-rature was suitable for the environment of dissolved oxygen, comprehensive consideration of economic, removal efficiency and other factors. The best vibration period is 4s, on this condition，the reactor can obtain satisfactory treatment effect. The removal efficiencies of chemical oxygen demand, total nitrogen and total phosphorus were72.9%, 82.7%, 54.55%, respectively.

turbulence flow; vibration grid; vibration period; mass transfer

2017-03-13；

2017-03-28.

“十二五”国家科技支撑计划重点项目(2011BAD31B03).

龙天渝(1960-)，女，重庆市人，教授，从事水污染控制与水环境模拟研究．

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0004.017

X829

A

1672-058X(2017)04-0084-05