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废水处理技术研究

1引言(Introduction)

生物流化床应用于废水处理已有近30年的历史,在多种污(废)水处理场合已得到了广泛应用.由于生物流化床在水处理应用方面具有微生物相多样化、微生物浓度高、耐冲击负荷能力强、比表面积大、氧传质效率高等优点,国内外研究者一直对生物流化床的填料设计、结构优化及其新型流化床的开发有着浓厚的兴趣,但传统结构的生物流化床在应用中仍存在如下问题：固液分离时间大于反应时间的结构不合理现象;大型化的瓶颈问题;反应器停止后再启动流化困难;固液接触面摩擦较弱易造成载体生物膜细胞传质浓度边界层趋向稳定而制约传质效率;相间相对流动速度差小,作用于生物膜的水力剪切力较弱,载体生物膜新旧菌体更新速率慢,影响了生化代谢效率等.针对传统生物流化床的特点,本课题组将四边形生物流化床、膜生物反应器、折流式厌氧反应器与生物流化床相结合,设计出一种新型生物流化床—四边形折流式膜生物流化床.反应器整体为长方体结构且保留了传统生物流化床塔式结构;下部采用了折流板与导流锥设计出一个进水角度,利用该角度来冲击反应器底部填料,提高了填料的利用率,实现了再启动流化容易;上部采用了浸没式膜组件,利用气、固、液三相冲刷膜组件,降低了膜污染,解决了载体流失等问题.

目前,关于生物流化床的动力学研究大多是运用脉冲响应法、数值模拟、压差法和光纤探头测速法等,这些研究成果较好地揭示了三相生物流化床的动力学特性,但浸入式测试技术具有时空分辨率低、标定曲线具有不确定性等局限性,对流场干扰是最大局限;数值模拟大多认为固相为液体的一部分,把气液双流体模型应用于气、固、液三相流,模拟和模型准确度不高,均不能较真实地反应液相流态.粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry,简称PIV)作为一种对流场无干扰的瞬态全流场测试手段,既具备单点测量技术的分辨率和精度,又能获得流场的整体结构和瞬态图像.PIV的基本原理是在流场中布撒一些与流体跟随性良好且具有良好的示踪性和反光性的示踪粒子,用激光照射所测区域,使用CCD相机获取示踪粒子的瞬时运动图像,设置适当的跨帧时间,对拍摄的两幅连续的图像进行互相关计算,根据两帧图像的位移和时间间隔,从而得到流场的速度场.近十几年来,PIV被广泛应用在气液两相流流场测量中,例如,将PIV技术与激光诱导荧光法结合后测定了气液两相流的速度场,并获得了气泡流态特性;应用PIV技术测试了多孔同时曝气对近膜面液相速度场的影响.通过这些研究证明了PIV的准确性和可靠性,为利用PIV分析四边形折流式膜生物流化床内液相流场特性,特别是在有少量填料时液相流场可视化研究指明了前景.

本文基于取样法和PIV技术,对四边形折流式膜生物流化床在不同进水流量和曝气强度组合的工况下的填料浓度和液相流场特性进行测量,同时对填料浓度、流场特性和膜污染三者之间的关系进行剖析,寻求流化床运行过程中节能的结构与优化的操作条件.

2实验装置和方法(Experiments)2.1实验系统

四边形折流式膜生物流化床实验测试系统的流程如图1a所示,主要由四边形折流式膜生物流化床、进出水系统、激光系统、CCD摄像系统、膜组件、曝气系统和图像处理系统等部分组成.流化床为长方体的透明玻璃体,结构尺寸为300mm×150mm×950mm(长×宽×高),总容积为42.75L,折流板底部缝隙高度为72mm,倾斜角度为35°,导流锥倾斜角度为30°.膜组件为中空纤维膜超滤膜组件,采用聚偏氟乙烯材质制成,膜壁厚40~50μm,微孔平均孔径为0.1~0.2μm,膜尺寸为40mm×300mm,标准膜通量为L·h-1.曝气系统中曝气管管径为5.8mm,曝气头尺寸为34mm×43mm,曝气孔孔径为0.1~0.3mm.实验中为防止膜组件和曝气头的摆动,将曝气头固定在膜组件正下方的流化床底部,膜组件通过自制T型支架固定,且进水管、曝气头和膜组件布置在同一轴线上.

图1四边形折流式膜生物流化床实验测试系统流程图(a)、拍摄分区(b)和激光断面分布图(c)(1.出水箱,2.蠕动泵,3.激光电源,4.激光器,5.同步器,6.气体流量计,7.空气压缩机,8.膜组件,9.气泡,10.椰壳活性炭,11.进气管,12.进水管,13.导流锥,14.液体流量计,15.潜水泵,16.计算机,17.相机,18.四边形流折流式膜生物流化床,19.曝气头,20.激光断面)

2.2实验用水和填料

实验用水采用自来水.填料采用椰壳活性炭,其外观为黑色不定型颗粒(粒径约为0.4~2.8mm),堆积密度为60