泥水自循环反应器的水力流态特性及生活污水处理效能

2018-12-04陈思远吕锡武戴喆秦

净水技术 2018年11期

陈思远，吕锡武，戴喆秦，许坤

(1.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2. 无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214000)

随着国民经济的发展，小城镇污水排放在城镇污水中比重加大，且呈分散型，并且这些地区没有配置相关的市政管网，污水随意排放，对周围的人居环境带来了不良影响，迫切需要对这些分散式污水进行处理达标后排放。针对这种分散式的污水，本文主要探讨了一种具有良好除磷脱氮效能、占地和投资省、运行费用低、自动化水平高的泥水自循环活性污泥工艺[1]。

该工艺通过5个矩形池子厌氧、缺氧、好氧和沉淀交替，可实现一体化除磷脱氮功能。其中有两个池子交替作为出水池，依靠水流换向流动实现污泥和混合液的循环流动和自动回流，没有强制性污泥回流和混合液回流措施[2-5]。泥水自循环活性污泥工艺是在传统AO工艺上的改革创新，具有抗冲击负荷能力强、节省能耗、脱氮除磷效率高等优势。

吕锡武教授科研团队研究发现[1-5]，泥水自循环活性污泥工艺为一体化设置，恒水位运行，在技术经济方面与常规工艺有很大的优越性：工艺占地面积为0.30～0.60 m2/m3，与氧化沟工艺的0.70～1.0 m2/m3相比，单位面积设计污水处理能力提高了25%；工艺单位运行成本为0.49元/m3左右，比AAO的0.97元/m3节约了50%；由于采用智能型的电脑专家控制系统，管理操作人员人数只有同等规模常规污水处理厂的1/2～1/8。此外，泥水自循环活性污泥工艺为反硝化菌和聚磷菌提供了合适的厌氧/缺氧、好氧的交替环境，让反硝化菌和聚磷菌在系统中有竞争优势，使脱氮除磷效率高于常规工艺，尤其是TP的去除效率较一般活性污泥法提高了15%左右。

泥水自循环活性污泥工艺相较于常规工艺，污染物去除率较高、运行费用较低，具有非常好的推广运用前景。但是，泥水自循环活性污泥工艺作为一种新工艺，反应器内部构造相对复杂，采用多点进水会使水力条件更复杂，而反应器的水力流态特性和混合程度是影响物质传输、基质和微生物的接触程度、生化性能和反应效率的最基本因素[6-8]。鉴于此，为进一步研究反应器内部水力状况，提高泥水自循环工艺反应器的运行效率，通过脉冲响应法和示踪试验，采用停留时间分布法(RTD)[9]，对泥水自循环反应器(AMTR)进行不同水力停留时间(HRT)下清水试验的水流流态的研究，探讨反应器在空载条件下的水力特性，并考察AMTR稳定运行情况下对城市生活污水处理的效能。

1 试验部分

1.1 装置

试验装置如图1和图2所示。反应器由5 mm厚的有机玻璃制成，以便于观察反应器内的状态。其外观尺寸：长×宽×高=490 mm×330 mm×440 mm，有效水深为368 mm，总容积为65 L，有效容积为54.4 L。整个反应器由5个格室组成，如图1所示，从水流方向来说，1#、5#池为边池，2#、3#、4#三池为中间池，两个边池和3个中间池体积大小各相同，边池体积∶中间池体积=3∶2。五池之间水力连通，每池都设曝气和搅拌系统，1#、5#两池设有出水口和污泥排放口，交替作为搅拌/曝气、沉淀出水池[1]。污水可进入除 3#池中的任一个，采用连续进水，周期交替运行。

图1 泥水自循环反应器结构示意图Fig.1 Sketch of AMTR Structure

图2 水力特性试验装置图Fig.2 Equipments of Experiment

1.2 试验方法

水样由蠕动泵定量进入AMTR进口处，整套装置由可编程序控制器(PLC)控制，按照预先设定的运行方式，将设备的运行状态转换为相应的电流信号来控制进出水电磁阀、排泥电磁阀、曝气电磁阀、搅拌机、水泵和鼓风机的开关及运转。

AMTR的水力特性试验通过采用脉冲信号的示踪剂试验法进行RTD的测定。以分析纯NaCl为示踪剂，待反应器内流速稳定后，用蠕动泵按当前清水流量在进水口处加入50 mL NaCl溶液，此时Cl-注入量约为30 g，再过一定时间间隔，在检测口测定示踪剂浓度[10]。

具体试验步骤：(1)配置一定浓度的示踪剂溶液(600 g/L)，密封于试剂瓶中；(2)在取样口(第一、第三、第五隔室)取适量出水，测定该组试验条件下反应器内示踪剂的本底浓度；(3)将示踪剂溶液用蠕动泵按当前清水流量在进水口处加入，同时开始计时；(4)每隔10 min从取样口取出适量水样，测定离子浓度(扣除了水相的丰底值)并记下取样时间，试验末尾按电导率变化量，延长测样时间至20 min，整个取样历时为反应器理论水力停留时间的3倍[11]。

2 RTD标准化曲线的理论分析(流态试验参数计算公式)

2.1 标准化质量浓度

标准化质量浓度计算如式(1)。

(1)

Ci—t时刻反应器出水中示踪剂的浓度。

2.2 标准化时间

标准化时间计算如式(2)。

θ=t/HRT

(2)

t—示踪剂离开反应器的时刻。

RTD曲线是以标准化质量浓度C(θ)为纵轴，以标准化时间θ为横轴，作出的C(θ)-θ曲线称为RTD曲线[6]，此曲线所围面积为1。这样，对于某种运行条件下的RTD研究，以θ为横轴、C(θ)为纵轴可绘得一系列的离散点，由这些离散点拟合所得的曲线即为该种条件下的RTD标准化曲线[9-10]。

2.3 平均停留时间

平均停留时间计算如式(3)。

(3)

其中：△t—示踪剂测定的取样时间间隔。

2.4 方差

方差计算如式(4)。

(4)

无因次方差计算如式(5)。

(5)

2.5 多级全混流模型

假设以N个等体积的全混流反应器(CSTR)来模拟实际的反应器，以反应器串联级数N作为模型参数，如式(6)。

(6)

N越大，串联个数越多，越趋于理想推流流态；反之，越趋于完全混合流态。即N=1时为完全混合流态，N=∞时为理想推流流态[12]。

2.6 轴向扩散模型

轴向扩散模型在反应器存在某种程度的返混时使用，该模型的唯一参数是D/UL(其中D为轴向分散系数，U为流体速度，L为特征长度)，其意义为轴向扩散流动与轴向对流流动的相对大小，计算如式(7)。

(7)

轴向扩散模型参数表示偏移推流的程度，D/UL越大，偏移推流的程度越大，越趋于完全混合，反之亦然[10-14](理想完全混合反应器D/UL=∞，而理想平推流D/UL=0)。

2.7 死区率

死区率计算如式(8)～式(9)。

Vd/V=1-υaμa

(8)

(9)

其中：Vd—反应器死区，L；

V—反应器的有效容积，L；

υa—当θ=2时，示踪剂流出量占注入量的比值；

μa—C-θ曲线的平均值[8]。

3 结果与讨论

3.1 同一HRT对不同工艺运行方式的影响

清水试验是在反应器内不加污泥的条件下，采用自来水作为进水，加入示踪剂进行试验。首先，考察在同一HRT下，HRT对AMT和AAO工艺的影响。五箱正常运行，进行阶段转换；此后，通过改变PLC程控柜设置，让反应器一直处在阶段一状态，无阶段转化，即为简易的AAO工艺。试验数据标准化处理后结果如图3所示，对应的RTD 曲线的特征参数的计算结果如表1所示。

图3 HRT=9.7 h时不同工艺运行方式的RTD曲线Fig.3 RTD Curves of Different Processes under HRT=9.7 h

表1 HRT=9.7 h时不同工艺运行方式RTD曲线数值分析结果Tab.1 Effect of Different Processes on RTD Curve under HRT=9.7 h

由图3可知，AMT时的C(θ)-θ曲线峰值高于AAO，且前者峰值出现的时间较早。AMT时C(θ)-θ曲线不是连续曲线，主要是因为AMT运行时存在着进出水的交替，在阶段交替时测量的数据存在一定的间断。AMT时峰值出现的时间与HRT相差较大，因此AMT时装置内水流并非趋于平推流，且混合程度较大[8,15-16]。

由表1可知，代表反应器串联级数的N由AAO运行时的3.49降低到了AMT时的2.87，与之相反，反应器混合程度参数D/UL由AAO时的0.173增加到了AMT时的0.223，死区率由AAO时的17.4%下降到了AMT时的14.4%。主要是因为,当AMT运行时，进出水交替，池内水的返混程度较高，水流在各个格室之间缩放流动且连续不断，以至形成众多的小旋涡，死区率及推流效果相比于呈推流状态的AAO工艺均有下降。

3.2 不同HRT对AMTR的影响

清水条件下，加入NaCl示踪剂，考察HRT为9.7、11.7、13.75 h时对泥水自循环反应器流态的影响，并进行对比分析。试验数据标准化处理后结果如图3所示，对应的RTD曲线的特征参数的计算结果如表2所示。

图4 不同HRT时的RTD曲线Fig.4 Curves of Effect of RTD on Different HRT

表2 不同HRT时泥水自循环反应器RTD曲线数值结果分析Tab.2 Effect of HRT on RTD Curve in AMTR

由图4可知，三个HRT条件下，AMTR的RTD曲线均较相似，说明AMTR的结构对标准化后的曲线影响程度一致[10]。各HRT下的C-θ曲线均为不对称单峰曲线，反映的变化规律是在峰值之前，示踪剂浓度C值迅速增大；峰值过后，C值逐渐减小[10]。各HRT条件下，反应器出口处示踪剂的浓度出现峰值均是在t=0.5 HRT左右，且峰高变化不大。根据众数停留时间指数的定义，即对于平推流，该比值趋近于1；对于完全混合流态，该比值趋近于0[15]。此外，同一HRT下，单独观察5个箱子，发现每个箱子的D/UL均较大，混合程度较好，单个箱体的空间可视为CSTR，五个箱子的CSTR型单元反应器串联起来就接近于推流型反应器[11]，与众数停留时间指数相符合。因此，AMTR的流态处在完全混合与平推流之间，具有较强的抗冲击负荷能力。

通常，串联级数N随着HRT的增大而增大，即反应器的流态随着HRT的增大由完全混合态向推流态转变[10,16-17]。由表2可知，随着HRT的增大，AMTR的串联级数N由2.87降低到了2.27，混合程度指数D/UL由0.223增加到了0.317，这与常规反应器的变化规律完全相反[17-19]。主要原因是AMTR阶段转换进出水方向，由于进出水方向的不断交替，反应器内的水流返混程度剧烈，相同的运行周期条件下，HRT越大，水流的返混次数越多。因此，随着HRT的增大，反应器完全混合作用增强，推流作用削弱。

3.3 死区分析

示踪试验为清水试验，反应器死区指水力死区，是由于反应器内部结构造成的。由图5可知，当HRT由9.7 h变化到10.5 h再增加到11.7 h时，死区率由14.4%减少到13.26%再减少到12.4%，呈递减趋势。随后继续增大HRT，死区率反而增大，从12.7 h时的15.06%增加到13.75 h时的16.89%。分析原因主要是，随着HRT的增大，反应器内部水流的流速变慢，返混现象减弱，死区率减小[10,16,19]，此时HRT的变化占主导因素；随着HRT进一步增大，反应器内部水流流速的变慢速率降低，而反应器交替进水所导致的返混现象程度加深，使得死区率增高[20]。另外，由于1#、5#池在阶段转换中间歇性作为沉淀池，导致整个泥水自循环工艺死区率略高于一般反应器。

图5 HRT对Vd/V的影响Fig.5 Impact of HRT on Vd/V

3.4 污泥接种培养(效能验证)

为了验证泥水自循环反应器对城市生活污水的实际处理能力，对其进行除磷脱氮工艺的试验研究，试验地点为南京市江宁区科学园污水处理厂。

由图6可知，污泥培养时间由2017年9月6日～2017年10月5日，试验的第1 d就直接将污水处理厂 Orbal氧化沟中的混合液(MLSS=3 310 mg/L，SV=24%)加入到试验装置中，采取直接进水培养方式，从沉砂池出口取水，开始3 d间歇进水(进水3 h，停止进水1 h，进水量缓慢增加[9])。之后采取连续进水，进水流量缓慢增加至第13 d时，流量稳定在5 L/h。2017年4月22号开始切换到自动运行状态，设置为主体段2 h、过渡段1 h、沉淀段1 h[1-4]， HRT=11.7 h。

图6 污泥培养期间污泥沉降比和污泥浓度Fig.6 SV and MLSS during Sludge Cultivation

污泥培养驯化过程中，反应器内污泥量逐渐增加，在污泥浓度提高的同时，污泥活性增强，絮凝效果改善，污泥沉降比相应提高。培养开始阶段不排泥，待5个反应池平均污泥浓度达到3 000 mg/L时，通过PLC自动排泥，控制污泥龄在12 d左右，维持污泥量稳定在3 500 mg/L。

污泥浓度由第1 d的2 101 mg/L，至后期稳定为3 500 mg/L；污泥沉降比由第1 d的15%缓慢上升到最后的25%。

随着污泥量的缓慢增加和混合液中微生物的多样化，泥水自循环活性污泥系统的处理效果也不断提高，COD、TN、TP的去除率均得到明显改善。对AMTR系统进行了3次污染物去除率的测定，在污泥培养驯化结束后(即系统后期稳定时)，去除率分别在85%、70%和85%左右。如图7所示，出水COD、TN、TP基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级 A 标准要求，出水效果趋于稳定。试验表明，泥水自循环反应器对城市生活污水的处理效能较高。