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1、移动床生物膜反应器中模拟微生物耗氧速率对微孔曝气氧传质效率的影响研究-论文 19798字 投稿：沈捨捩移动床生物膜反应器 中模拟微生物耗 氧速率对微孔 曝气氧传质效率的影响研 究 魏 延苓 宫一 洧 齐 鲁 王洪 臣 尹训 飞 （ 中 国人 民大 学 环 境 学 院 ， 北京 ） 摘 要 为研究 移动床生物膜反应器（ ） 中微生物呼吸作用对 微 曝气 氧传质效 率（ ） 的影 响 ， 向清水 中持续通人一定 浓 度 的 消 氧剂 亚 硫 酸 钠 溶 液 ， 通 过 亚 硫 酸 钠 的 氧化 来 模 拟 微 生 物 的呼 吸 耗 氧 。基 于 不 同 填充 率 和曝 气 量 工 况 条 件 下
2、， 考 察 了微 生 物耗 氧 速率 （ ） 对 的 影 响 。 结 果 表 明 ： 在 曝 气 量条 件下 ， 装 置填 充 率在 时， 标 准 氧 传 质 效 率 （ ） 与 存 在 着 明 显 的 正 相 关 性 ， 其线 性 拟合 介于 ； 填充 率 为 时， 随 的 增 大 无 明 显 变化 。 装置 填 充 率 在 、 曝气量分别为 、 、 时， 随 的 增 大 无 明 显 变 化 ； 而 曝气 量 为 时， 随 的增 大 明显 增 大 。进 一 步 分 析 试 验结 果 得 出 ， 中 ， 微 生物 可 用 来 近 似 表 征 ， 但 不 同 填 充 率 和 曝 气 量 会 对
3、两 者 的相 关性产生一定影响 。 关 键 词 移 动 床 生 物 膜 反 应 器 氧 传 质 效 率 耗 氧 速 率 曝 气 量 填 充 率 ： ， ， “， ， （ ， ， ） ： ， ， ， （ ） （ ） ， 一 ， （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 随着 我 国城 市 化进 程 的不 断 加 快 、 公 众 对 污 水 处 理厂操 作 环境要 求 的 日益 提 高及 能源 供 给形 势 的 日趋 紧张 ， 以活 性 污泥 法 为 主 要 方 法 的传 统 污水 处理 工艺在 国内众 多城镇 二级 污水 处理 厂 中逐 渐暴 露其是 在复 杂水质 的深 度处
4、理 中得到 了广 泛应用 。 在实 际污 水 好 氧 生物 处 理 过 程 中 ， 曝 气 是 一 个非 常重要 的环 节 ， 其 效 率 直接 影 响整 个 污 水 处 理 工 艺 的运行 效率 。曝气 过程 的 能耗 占污水 处 理 总能 耗 的 ， 因此 提 高 曝 气 效 率 一 直 是 污 水出诸 如 占地 面积 大 、 剩余 污 泥易产 生 二次 污 染 、 对 水 质水 量 的变化 适应 性较 低及冬 季 出水 氨 氮效 果不 稳 定 等问 题 。而移 动床 生 物 膜 反 应 器 （ ） 则 以 向曝气 池 中加人悬 浮 填料来 增加 生 物量 同时增 强混合 液流 化效 果
5、的方法 ， 在解 决 上 述 问题 的过 程 中 取得 了很 好 的效 果 ， 在 工 业 废水 和城 镇 生 活 污 水 尤处理 领域 的研 究 热 点 。在 现 有 对 氧 传 质 过程影 响 因素 的研 究 中 ， 一般 将重 点放 在 了水 质 、 悬 浮 填料 的加 入 和曝气 头 的选 择上 ， 但 有关 微生 物 耗 氧速 率（ ） 对 氧传 质效 率 （ ） 的影响规律 目 前还 不清 楚 。研 究 微 生 物 对 的 影 响 以第一作者 ： 魏延苓 ， 女， 年 生 ， 硕 士研 究 生 ， 主要 从 事 水 污 染 控 制 研 究 工 作 。 通讯作者。 国家 自然 科 学
6、 基 金 资 助 项 目（ ） 。 环 境污 染与 防治 第 卷第 期 年 月 及不 同工况 条件下 该影 响程度 的变 化规 律对 于选择 恰 当的方式 提高 ， 分析 工艺 运行 状 态具 有 重要意义 。 本 试 验 旨在 研 究 不 同 工 艺 条件 下 模 拟微 生 物 对 中微孔 曝气 的影 响 。通 过 向 清水 中持 续通入 一定浓 度 的消 氧剂 亚 硫 酸钠 溶酸钠 溶液并 使用 蠕动 泵控 制进水 流速 的方法 模 拟不 同的 。调节 每组试 验溶 解 氧 质量 浓 度 在 呈梯 度变 化 ， 在 溶 解 氧 浓度 稳 定 时 ， 测 定 相 应 填 充率 和曝气 量条件
7、 下 的 和 。 表 生物 悬 浮 填 料 的主 要 性 能 参 数 液来 模拟 微生 物 的 呼吸 耗 氧 ， 对 比不 同填 充 率 和 曝 气 量 两 个 工 况 条 件 下 系 统 中 标 准 氧 传 质 效 率（ ） 随 的变化规 律 ， 归 纳 出 与 参 数尺 寸数 值中 质 量 表面积 （ ） 的关 系及 工艺 条 件 的改 变 对两 者相 关 性 的影 响 ， 并进 一步分 析 了以 表征 的可行 性 。 材 料 与 方 法 试 验 装 置数量 （ 个 ） 填充率 的测定 及标 准化 ： 采 用氧 综合 效 率分 析 仪 分 析尾 气 和 进 气 中 的 氧 体 积 分 数
8、， 两 者 之 比 即 为 ； 考 虑到溶 解氧 浓度 与温度 的影 响 ， 为 增强试 验 数 据 的可 比性 ， 采 用美 国土木 工程 师协 会 （ ） 提试验 装置 如 图 所示 。试验 装 置 的主体 为 一个直径 、 高 的圆柱 形有 机 玻璃 ， 其 体积 约为 ， 有 效体 积 为 ， 顶端 开 口； 微 孔 曝气 器 供 的方 法按 式 （ ） 将 转化 为 。 安 置在装 置底 部 ， 并 与气泵 和转 子流 量计 相 连 ； 在水下 处安 置荧 光溶 解 氧 传 感 器 ， 连 接溶 解 氧记 录仪与无 纸记 录仪 ， 在线 采集记 录溶 解氧浓 度 。 刁 一 。 。
9、（ ） 式中： 叩 为标 准 氧传 质 效 率 ， ； 为 实 测 氧 传质效 率 ， ； 为 实 测 溶 解 氧 质 量 浓 度 ， ； 为测 试温度 下 氧 饱 和质 量 浓 度 ， ； 三 为标 准 条件 （ ） 下氧 饱 和 质量 浓 度 ， ； 为 温度 校正 因子 ； 为测试 水温 ， 。 的测 定 ： 从 中取 出一 定 填 充 率 的混合 液置 于密 闭 容器 中 ， 使 用 氧 综 合 效 率 分 析仪 测量溶 解 氧浓 度 的 变化 并 作 。 一时 间（ ， ） 曲线 ， 按 一 氧 综 合 效 翠 分析 仪 ； 出水 ； 一 集气 罩 ； 一溶解氧记录仪 ； 式（ ）
10、计算 。 一 荧 光 溶 解 氧 传感 器 ； 玻璃装置 ； 进水 ； 一微孔曝气器 ； 一 悬 浮 生 物 填 料 一（ ） 图 试 验 装 置 式中： 。 为耗 氧 速率 ， （ ） ； 。 为耗 氧 时 的溶解 氧 质量浓 度 ， 。 结 果 与 讨 论 主 要 设 备 与 仪 器微孔 曝气器 ； 氧综 合效 率分 析仪 ； 蠕 动泵 ； 气泵 ； 转 子流量 计 ； 荧 光 法 溶解 氧测 定 仪 ； 溶解氧记录仪 ， 并 连接无 纸记 录仪 ， 对数据 进行 实时记 录和保 存 。 试 验材料有 关微生 物 呼吸作 用对 氧传质 过 程影 响 的研 究认为， 微 生物 呼 吸作 用
11、对 氧 传 质过 程 可 以起 到 一 定 的促进 作用 ， 且 这种 促 进 作 用 产 生 的机 制 主要 体 现在两个 方 面 ： 一方 面 ， 微 生物 呼吸 作用 可使 氧 从气 泡选用 典 型的 一 生 物悬 浮 填 料 ， 采 用 高 密度聚 乙烯材 质 ， 其 主要 性能参 数见 表 。 催化 剂 ： ， 工业纯 ； 消 氧剂 ： 亚 硫 酸 钠， 工业 纯 ； 试验用水 ： 自来 水 ， 初 始 总 溶 解 性 固体 （ ） 约为 ， 水 温为 。 试 验 方 法经过 气膜直 接在气泡 与微 生物之 间进 行传质 ， 无需通 过 围绕在气 泡 及微 生物 体 之 间的 液膜
12、； 另一 方 面 ， 呼 吸作用越强 ， 液 相 的氧传 质 推动 力越 大 ， 氧传 质 速 率 也就越 快 。笔 者 旨在 研 究 中不 同填 充 率本 试验 通过 向清水 中持 续通入 一 定浓 度 的亚硫和曝气量条 件下 ， 与 的相关性 。 魏 延 苓 等 移 动床 生 物 膜 反 应 器 中 模 拟 微 生 物 耗 氧 速 率 对 微 孔 曝 气 氧 传 质 效 率 的 影 响 研 究 不 同填 充 率 条 件 下 对 的 影 响不 同填 充率下 的 对 促进 作 用不 同 。总有关 悬 浮生物 填料 的加 入对氧 传 质过 程影 响 的 研究 认 为 ， 曝 气 量 一 定 时，
13、 随着 填 充 率 的增 大， 呈 现 先 增 大 后 减 小 的趋 势 。在 填 充 率 较 小 时， 悬 浮生 物填 料 的加 入 对混 合 液 的扰 动 以及 气 泡 的分 散都 能起 到 很好 的促 进 作 用 ， 而 填 充 率 过 大 则体上 ， 随着 填 充率 的增 大 ， 线 性 拟合 斜率 先 增 大 后 减 小 。进 一 步 分 析 可 得 ， 、 、 和 填 充率 对应 的 线性 拟 合斜 率 分别 为 、 、 、 ， 而 填充 率 下 的 线 性 拟 合 斜 率 则 仅 为一会影 响混 合液 的整 体流 化情 况 ， 导 致 降低 口 。 等 在 不 同曝气量 条件 下
14、对 随填 充率 的 变化 规律 进行 了二次 多项 式 拟 合 ， 其 均达 ， 与前 个 斜率 差距 十分 明显 。 由试验结 果 分析发 现 ， 曝气量 一 定条 件 下 ， 虽 然 线性 拟合斜 率 随填 充率 由 增 大 到 过 程 中同样 有 着 先增 大后 减 小 的趋 势 ， 但 填 充 以上 。本 研究 控制 曝 气量 恒 定 为 ， 考 察 填 充 增 大到 时， 斜 率 变 化 幅 度 明 显增 大 ， 率分 别 为 、 、 、 、 条 件下 率由 线性 拟合 斜 率 与 填 充 率并 不 满足 二 次 随 的变化 规 律 ， 见图 。从 图 可 知 ： 装 置 填 充率
15、在 时， 与 存 在 明 显 的 正相 关性 ， 线性 拟合 。 介于 ； 但 在 函数 的关系 。观 察试 验 过 程 发 现 ， 曝气 量 条 件下 ， 当填 充 率 达 时， 系统 内混 合 液 的流 化 情装 置 上 方 填料 基 本 处 于堵 塞 状 态 。由此 的填 充 率 时 ， 的 变 化基 本 上 对 没 况 相 当差 ， 推 断填 充 率 由 增大到 时， 线 有影 响 ， 稳 定 在 左右 。 性 拟合 斜 率 下 降 幅度 较 大 是 由装 置 内 流 化 状 态 变差、 气 体 传 质 过 程 受 阻 所 引 起 的 。 而 填 充 率 在 ， 系 统 流化 状 态
16、较好 ， 与 呈 现较 明显 的正相 关 性 ， 且 斜 率 变 化 十分 微 小 。通 过以上分 析 可以认 为 ： 控 制 曝气量 一定 时 ， 系统 内流化状 态会 对 与 的相 关 性起 到 较 大 影 响 ， 在 流化 状 态 较 好 的 情 况 下 ， 与 存 在 相 对 稳定 的正 相关 性 。 不 同曝 气量条件 下 对 的影 响 （ 、 有 关 曝 气量 对 影 响 的研 究 发 现 ， 随 曝气量 的增 大而 减 小 ， 且基本呈 叩 的幂 函数 关 系 （ 式 中： 、 均 为 常 数 ； 为 曝气 量 ， 图 不同填充率条件下 随 的 变化 规 律 采用 线 性 回归
17、法 对 试 验 数 据 进 行 处 理 ， 见图 ） 。在本 试 验研究 条件 下 ， 曝气 量 变化 梯 度较 广， 从 多相 流态 角 度考 虑 ， 填 充率 较 大 ， 研 究 的现 象 及规律 较 明 显 ， 故选取填充率为 ， 考 察 曝气 量 分别 为 、 、 、 条件下 ， 随 （ 图中 线 性 拟 合 斜 率 表 征 了 相 应 填 充率 条 件 下 对 的促 进 作 用 ） 。 由图 可知 ， 的变化 规律 ， 见图 。 由图 分 析 可得 ： 在 曝 气 量 分甜别为 、 、 时， 并 不会 随着 的 变化 产生太 大波 动 但 曝气 量 为 时， 则会 随 的增 大 明显
18、增 大 。 蒜 采用 线 性 回归 法对 试验 数 据进 行 处 理 ， 见图 。 由图 可 知 ： 曝气量 分别为 、 、 时， 以 对 作 图所 得 的 线性 拟 合 斜 率基 本 在 附近 小 范 围 波 动 ； 而在 的 曝气 量 条 件 下 ， 斜 率则 明显增 大 。 填 充率冒 昌 考 虑 到添 加 悬 浮生 物 填 料 后 ， 填 料 的 扰 动会 影图 线 性 拟 合 斜 率 与填 充 率 的 关 系 曲 线 响氧传 质 过程 ， 系统 流化 情况会 导致 与曝气 量的 关系发生变 化 。 为 准 确 探 明与 曝 气 量 的关 环境污染与防治第 卷 第 期 年 月曝气 量
19、的增大 而减小 。 ， 目 影响 的规 律在 实际工程 中的应 用 考虑 到实 际测定 的过程 中 ， 由于尾气 成分 及仪 器测 试性 能 的波 动导 致 的测 定 通 常会 存 在 一定 的不 稳 定 性 ， 且测定过程 较为耗 时； 尤 其 在 中 ， 填 料本 身 的扰 动会 对测定 结果 产生 影 响 ， 使 得实 际工程 中准 确测 定 存 在 一 定 困难 。但 与之相 比 ， 的测定 方 法 则 相 对 较 为 灵 活 、 易行且 比较 成熟 ， 所 以通过 来分 析 不 失 为 一 （ ） 图 不 同 曝气 量 条件 下 随 的 变 化 规 律 种 检验 测 定结 果准确 性
20、 的实用 方法 。 上 述试 验结 果 已经说 明在 实 际 工 程 应 用 中 ， 微 生物 可 以用 作一 种表 征 的指标 ， 可 以通过测定 系统 中 的 来 近 似表 征 的变 化 情 况 并 检 验 测 定 的 准 确 性 。但 需 要 注 意 ： 在菇 中， 与 的相 关 性会 在 一 定 程度 上 受 到填充 率和 曝 气量 的影 响 ， 故 在应 用 两 者相 关 性时需 要考 虑实 际 工 况 的 因素 。在 实 际运 行 过 程 中 ， 甚 填料 上会 生长微 生物 。但 在保持 曝气 量及 填 充 率等工 况不 变的情 况 下 ， 微 生物 呼 吸 速 率 会 在误 差
21、 范 围内进行 变化 ， 故 与 具有 稳 定 的相 关性 ， 曝气量札 ） 两 者 的实际变 化 曲线呈现 规律 性偏 移 。 结 论 与 展 望图 线 性 拟 合 斜 率 与 曝 气 量 的 关 系 曲 线 系以进 一步解 释 不 同曝 气 量 下 随 的变 化 规律 ， 本研 究 另设 计 附加 试 验 ： 在填充率为 的条件 下 ， 不 断增 大曝气 量 ， 观 察系 统 内的 整体 流化情 况并 同时测 定 。试 验发 现 ， 曝气量从 （ ）曝气 量 一 定条 件 下 ， 填充率在 时， 随 的增 大 而 增 大 ， 且 不 同 填 充 率下， 线 性拟合 斜 率 相 近 ； 但在
22、 的填充率下 ， 的 变 化 则 基 本 上 对 没 有 影 响 。 增大到 时， 仅 有 略 微 降 低 ， 而从 增 大到 过程中 降低 速度较 快 ， 超该试验 条件 下 ， 系统 内流化 状 态 会 对 与 的相关 性起 到较 大影 响 ， 在 流化状 态 较好 的情 况 下 ， 过 时 变 化 速度 再 次趋 于缓 慢 ； 就 流 化情况 而言 ， 的曝气量 可 以作 为 一个 分 界点 ， 低 于 此曝气量 时混 合 液整 体 流 化 情 况 并 不理 想 ， 而在此 曝气量 之上 流化情 况相对 较好 。 通过上 述试 验规律 可 以认 为 ： 线性 与 存 在着相 对稳 定 的
23、正相关 性 。 （ ）在填 充率 为 下， 曝气 量 分别 为 、 、 时， 并不 会 随 着 的变化 产 生 太 大波 动 ； 但 在曝气 量 为 的条件 下 ， 则会随 的 增 大 明 显 增 大 。 拟合 斜率 随曝气 量 由 增大到 的过 程 中呈 增大趋 势 可 能 是 因为 在 的 曝 气 量 条 件（ ） 中， 微 生物 可 以用作 一种 表征的指标 ， 但 与 之 间 的相 关 性 会 在一下， 系统 内混合 液较 差 的整 体 流 化状 态 对 的抑制 作用 与 对 的促 进 作 用 相抵 消 ， 故 的变化 表 现 出对 基 本 无 影 响 ； 而 当曝定程度 上受 到填 充率 和曝气 量 的影 响 。在 考 虑 到实 际工况 的影 响 下 灵 活运 用 两 者 的关 系 ， 对 实 际工 程 中通过 来 分 析 检 验 具 有 一 定 的指 导意义 。 （ 下转 第 页） 气量 达 以 上 时 ， 流 化 情 况 已不 再 是 影 响 的关 键性 因素 ， 线性 拟合 斜率 随 环境污染与防治第 卷第 期 年 月 镇江 ： 江苏科技大学 ， ， ： ， ， ：