移动床生物膜反应器填料流化影响因素研究

李邵博

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司,山东 青岛 610065）

移动床生物膜反应器填料流化影响因素研究

李邵博

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司,山东 青岛 610065）

结合移动床生物膜反应器（MBBR）中影响填料堆积和填料不均匀流化问题的主要因素进行了试验研究,讨论了曝气系统、填料投配比对填料流化状态的影响。结果表明,穿孔曝气管曝气系统对填料均匀程度影响极大。填料流化程度在随气水比的变化会发生突变,随着填料投配率增大,发生流化的气水比也增大；在发生突变时,填料的流化比为60%～70%。当气水比大于6∶1时,填料的流化程度较好。相同投配比下增大曝气强度有助于缓解填料的堆积。

污水处理厂；曝气系统；填料流化；堆积；投配比

1 概述

在深圳罗芳污水处理厂深度改造工程中采用移动床生物膜反应器（MBBR）工艺,在实际应用中,MBBR有许多问题并没有解决[1]。如曝气池经常出现由于整个池内进气分布不均匀而导致的局部填料堆积现象。万田英等[1]人提出通过池型做水力特性计算来改进进气管路的布置和优化池内曝气头的分布的方法,以达到均匀曝气的目的。H.Фdegaard[2]等人也指出合理地设计好氧池的尺寸和筛网的规格对MBBR工艺的最佳运行是非常重要的。反应器中亦可引入导流板来改善此问题,或者通过导流板的强制循环来解决池内死角的问题[3]。

填料投配比会影响填料的流化（指填料在水中运动,不漂浮不沉淀）状态,当填料填充率过大时会影响其在水中的流化程度,降低氧的传递和利用,从而影响处理效果。刘腾[4]等人通过试验研究,发现填充率30%和水力停留时间10 h为磁性球形填料MBBR处理污水的最优工艺参数组合。此外,曝气量也会影响填料的运行,增大气水比有利于减少填料在池底的堆积,提高反应池处理效率。针对上述问题,本文进行了一系列关于MBBR工艺的水力学特性试验,以探讨曝气对填料流化等问题的影响。

2 试验过程

2.1 试验模型

本次试验模型仅模拟MBBR反应池好氧区域。试验模型按重力相似准则设计,长度比尺采用1∶20（λl=20）,试验中填料采用ABS聚乙烯塑料颗粒来模拟挂膜后的悬浮填料（其密度在1.0 kg/m3左右）。ABS聚乙烯塑料颗粒平均密度为1.02 kg/m3,直径为2～3 mm(该直径是对原k3填料按模型长度比尺缩放后得到的)。

池内曝气管采用穿孔曝气管,管径15 mm,曝气孔直径1.5 mm。曝气管在整个曝气池中均匀布置,池内空气由ZB-0.25/8型空压机供给,空气量由空压机排气口的阀门调节,空气量由玻璃转子流量计测定。池内水由水泵通过高位水池循环供给,进水流量由三角堰堰上水头控制。试验模型平面尺寸如图1所示。

图1 试验模型平面尺寸图

2.2 模型设计水量Q模及流速V模确定

原型曝气池总的进水量由上一级处理构筑物流入水量、混合液回流量和内回流水量组成。总水量Q原为

Q原=1.39÷2+0.35×2+0.52×2=2.435（m3/s）

根据重力相似准则,模型流量为

Q模=Q原/λ2.5=Q原/202.5=0.001 36（m3/s）

此设计流量下堰上水头约为6.25cm。

模型平均流速为

式中:A为模型进水口面积。

2.3 试验研究方法

本试验通过观察填料在不同的曝气工况下的运动状态,来确定曝气系统对填料的影响。试验中,根据曝气强度、填料有无挂膜、是否搅拌分为以下几个大工况,见表1。

表1 本试验研究工况

此外,以上工况中凡是有曝气的状态下,再根据曝气强度的不同分成几个二级工况,即考察不同气水比下填料的运动；在每种工况下,用可以连拍的高频数码相机（每秒可达120张）记录填料的运动状态,以便找到曝气系统中影响填料运动的关键因素以及优化曝气系统的方法。

试验中使用秒表和数码相机自带系统时间进行时间记录,在试验水槽长度方向黏附一根钢卷尺的方法来进行位置记录。描述填料运动状态的指标有以下几种:悬浮、沉淀、运动。

3 曝气系统优化试验现象及讨论

本试验在不考虑曝气系统对生化反应影响的前提下,着重确定曝气系统对填料流化的影响,此次研究过程从以下几个方面讨论。

3.1 曝气系统布置方式对填料流化的影响

在试验中,当曝气管布置较稀疏时（单个曝气廊道只安置2条曝气总管）,池内气泡只在池内局部地方分布,曝气不能影响到全池范围内（见图2）,填料基本悬浮不动,甚至会出现部分填料下沉的现象。这说明,曝气管之间的距离对填料流化与曝气有着直接的联系。而在某种曝气强度下,多大的曝气管距离能够使得填料不下沉,则需要后续的试验研究来完成。

图2 过大的曝气管距离

此外,曝气管布置的倾斜度对曝气的均匀程度有明显影响。在曝气量较小的工况下尤其明显。因此,在利用穿孔管曝气的系统中应尽力维持曝气管的水平；另外试验证明缩短曝气支管的长度是一种行之有效的方法。

3.2 曝气强度对填料流化的影响

曝气强度对填料流化的影响并不是一个简单的线性关系。曝气强度的变化对不同的填料投配比（填料体积和水的体积之比）有着不同的影响,而同一投配比下其对曝气强度的敏感段是不同的。曝气强度的增大使填料流化比例也随之增加,不管填料的投配比是多少,都满足这个趋势（见表1）。这就说明,曝气强度的增大对填料的均匀分布有着积极的影响。试验结果显示,较小的气水比条件下（小于3∶1）,全池曝气区的曝气均匀程度不佳,池内会形成局部的曝气强度强区和弱区,填料会滞留在相对曝气弱区；另外从图3可以直观地看出,在投配率为30%而气水比大于5.0时,大于70%的填料处于流化状态；而气水比在6.38时80%的填料处于流化状态。试验表明,MBBR工艺中气水比不应小于5.0。深圳罗芳污水厂MBBR工艺中的设计气水比为5.0,那么在此工艺中适当地增加水下推进器以增强填料流化是合适的。

从图3还可以看出,不管是15%的投配比还是40%的投配比,其填料流化都有一个突跃段: 15%的投配率时发生突跃的气水比段是3.19～4.21；30%时为4.97～5.64；40%时为5.64～6.38,如图4所示。发生突跃说明在此曝气强度内改变曝气量会对填料的流化产生剧烈影响,而当曝气强度高于突跃段的高端时曲线变化就会缓和,并且处于突跃段高端曝气强度下填料的流化比都在60%～70%（见图3）。因此在实际应用中,为使得填料流化均匀且流化比例较好,曝气强度以越过突跃段为佳。中试试验研究结果表明,在采用穿空管曝气的情况下,过大的曝气强度会引起强烈的搅拌,不利于生物的生长。中试测得气水比在6∶1左右时取得了良好的出水效果。

3.3 曝气对填料堵塞的影响

图3 不同曝气强度对填料流化的影响

李月等[5]研究表明高于或低于某个范围的曝气量均认为不合适。当曝气量小于60 L/h时,填料在反应器内移动困难,无法形成正常流化状态；当曝气量大于240 L/h时,填料在反应器内运动十分剧烈,部分填料甚至被底部飞速的气泡顶出反应器。这种现象在我们的试验中也有所发现:投配比在15%时,试验槽出口筛网上已经黏附很多填料；在投配比为30%时,填料的过分拥挤已经造成试验段内水位上升很快并造成池内水溢流。为了说明这一现象,我们用试验段水位与试验段后输水槽的水位差变化来表达这一过程。在图4中,40%的投配率下的水位差曲线明显高于30%的投配率下的水位差曲线,这就说明在相同的曝气强度下,当增加投配率填料的流化速率降低,流化比例也降低,而筛网的堵塞现象更加严重。此外,在相同的投配比下,增加曝气强度可以加强填料的流化效果,减轻填料的堵塞现象。这种现象在50%投配比下表现的也很明显,在50%投配比下,气水比在7.19时两槽的水位差超过1.9 cm；当气水比在6.13时,两槽的水位差超过2.0 cm,此时由于大量的填料剧烈翻滚而溢出试验水槽,使得试验无法进行。这一现象在中试试验研究中也成为妨碍曝气池正常运行的瓶颈。运行中,在池末端增大曝气强度确实有助于减轻填料的堆积,但并没有起到决定性的作用,在中试中最终通过安装机械隔栅有效解决。

图4虽然表明,在增大投配比的条件下增大曝气强度有利于填料的流化,但是应该注意到MBBR工艺中曝气强度并不是越大越好。在图2中我们也看到,在曝气达到一定阶段后,增大曝气强度使填料流化状态的变化并不明显。而增大相应的曝气强度所消耗的能耗却是可观的[6]。同时,从生物处理的角度出发,过大的曝气强度并不利于生物处理的有效进行。因此,当MBBR工艺中出现填料堆积时,单纯地增大曝气强度并不是最优选择。

图4 不同头配比下的试验水槽前后水位差变化

4 结语

试验中通过改变填料填充比以及曝气强度,观察不同工况下填料的流化状态得到以下结论:

（1）在无曝气无搅拌工况下,ABS以推流的形式向池末端运动,运动相当缓慢,但是在池末端没有填料堆积的现象。

（2）曝气量的大小对填料的流化程度影响很大,较小的气水比条件下（小于3∶1）,全池曝气区的曝气均匀程度不佳,池内会形成局部的曝气强度强区和弱区,填料会滞留在相对曝气弱区,并且填料的流化率很小；试验表明当气水比大于6∶1时,填料的流化程度较好。中试测得气水比在6∶1左右时能取得良好的出水效果。

（3）填料流化比在随气水比的变化会发生突跃,在填料投配率为15%、30%、40%时发生突跃的气水比段分别是 3.19～4.21、4.97～5.64、5.64～6.38；在突跃段,填料的流化比在60%～70%。

（4）在气水比大于6∶1时,投配率不大于50%范围内的填料都能在池中流化；相同曝气强度下,投配率越大,流化状态越差。填料的投配率不宜大于70%,在50%时最为合适。

（5）相同投配比下增大曝气强度有助于缓解填料的堆积。但是没有根本解决,在中试中采用曝气池安装机械隔栅的方法最终解决此问题。

（6）气池曝气管的安装情况会影响曝气的均匀程度,尤其是穿孔管稍微倾斜都会造成气泡的集聚。因此,在安装过程中一定要保持穿孔管水平,增大气压也会增加曝气的均匀程度。

[1]万田英,李多松.MBBR工艺及其运行中易出现问题的探讨[J].电力环境保护,2006,22（1）:35-36.

[2]ФDEEGAARD H．Advanced compact wastewater treatment based on coagulation and moving bed biofilm processes[J]． Water Science and Technology,2000,42（12）:33-48．

[3]楼菊青.新型移动床生物膜反应器水力特性的研究[J].环境科学与技术,2007,30（9）:31-35．

[4]刘腾.磁性球形填料MBBR处理城市生活污水的试验研究[D].镇江:江苏大学,2014.

[5]李月,张宇雷,吴凡,等．移动床生物膜反应器处理低浓度氨氮养殖废水试验[J]．渔业现代化,2014,41(4):11-16.

[6]杨红．A/A/MBBR工艺在污水处理厂改造中的应用研究[D]．北京:中国地质大学,2006.

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1009-7716（2017）07-0259-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.079

2016-03-30

李邵博（1983-）,男,河北石家庄人,工程师,从事市政给排水设计工作。