泥水自循環(huán)反應(yīng)器的水力流態(tài)特性及生活污水處理效能

陳思遠(yuǎn)，呂錫武，戴喆秦，許 坤

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；2. 無(wú)錫太湖水環(huán)境工程研究中心，江蘇無(wú)錫 214000)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小城鎮(zhèn)污水排放在城鎮(zhèn)污水中比重加大，且呈分散型，并且這些地區(qū)沒有配置相關(guān)的市政管網(wǎng)，污水隨意排放，對(duì)周圍的人居環(huán)境帶來(lái)了不良影響，迫切需要對(duì)這些分散式污水進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后排放。針對(duì)這種分散式的污水，本文主要探討了一種具有良好除磷脫氮效能、占地和投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、自動(dòng)化水平高的泥水自循環(huán)活性污泥工藝[1]。

該工藝通過(guò)5個(gè)矩形池子厭氧、缺氧、好氧和沉淀交替，可實(shí)現(xiàn)一體化除磷脫氮功能。其中有兩個(gè)池子交替作為出水池，依靠水流換向流動(dòng)實(shí)現(xiàn)污泥和混合液的循環(huán)流動(dòng)和自動(dòng)回流，沒有強(qiáng)制性污泥回流和混合液回流措施[2-5]。泥水自循環(huán)活性污泥工藝是在傳統(tǒng)AO工藝上的改革創(chuàng)新，具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、節(jié)省能耗、脫氮除磷效率高等優(yōu)勢(shì)。

呂錫武教授科研團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)[1-5]，泥水自循環(huán)活性污泥工藝為一體化設(shè)置，恒水位運(yùn)行，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面與常規(guī)工藝有很大的優(yōu)越性：工藝占地面積為0.30～0.60 m2/m3，與氧化溝工藝的0.70～1.0 m2/m3相比，單位面積設(shè)計(jì)污水處理能力提高了25%；工藝單位運(yùn)行成本為0.49元/m3左右，比AAO的0.97元/m3節(jié)約了50%；由于采用智能型的電腦專家控制系統(tǒng)，管理操作人員人數(shù)只有同等規(guī)模常規(guī)污水處理廠的1/2～1/8。此外，泥水自循環(huán)活性污泥工藝為反硝化菌和聚磷菌提供了合適的厭氧/缺氧、好氧的交替環(huán)境，讓反硝化菌和聚磷菌在系統(tǒng)中有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使脫氮除磷效率高于常規(guī)工藝，尤其是TP的去除效率較一般活性污泥法提高了15%左右。

泥水自循環(huán)活性污泥工藝相較于常規(guī)工藝，污染物去除率較高、運(yùn)行費(fèi)用較低，具有非常好的推廣運(yùn)用前景。但是，泥水自循環(huán)活性污泥工藝作為一種新工藝，反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，采用多點(diǎn)進(jìn)水會(huì)使水力條件更復(fù)雜，而反應(yīng)器的水力流態(tài)特性和混合程度是影響物質(zhì)傳輸、基質(zhì)和微生物的接觸程度、生化性能和反應(yīng)效率的最基本因素[6-8]。鑒于此，為進(jìn)一步研究反應(yīng)器內(nèi)部水力狀況，提高泥水自循環(huán)工藝反應(yīng)器的運(yùn)行效率，通過(guò)脈沖響應(yīng)法和示蹤試驗(yàn)，采用停留時(shí)間分布法(RTD)[9]，對(duì)泥水自循環(huán)反應(yīng)器(AMTR)進(jìn)行不同水力停留時(shí)間(HRT)下清水試驗(yàn)的水流流態(tài)的研究，探討反應(yīng)器在空載條件下的水力特性，并考察AMTR穩(wěn)定運(yùn)行情況下對(duì)城市生活污水處理的效能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 裝置

試驗(yàn)裝置如圖1和圖2所示。反應(yīng)器由5 mm厚的有機(jī)玻璃制成，以便于觀察反應(yīng)器內(nèi)的狀態(tài)。其外觀尺寸：長(zhǎng)×寬×高=490 mm×330 mm×440 mm，有效水深為368 mm，總?cè)莘e為65 L，有效容積為54.4 L。整個(gè)反應(yīng)器由5個(gè)格室組成，如圖1所示，從水流方向來(lái)說(shuō)，1#、5#池為邊池，2#、3#、4#三池為中間池，兩個(gè)邊池和3個(gè)中間池體積大小各相同，邊池體積∶中間池體積=3∶2。五池之間水力連通，每池都設(shè)曝氣和攪拌系統(tǒng)，1#、5#兩池設(shè)有出水口和污泥排放口，交替作為攪拌/曝氣、沉淀出水池[1]。污水可進(jìn)入除 3#池中的任一個(gè)，采用連續(xù)進(jìn)水，周期交替運(yùn)行。

圖1 泥水自循環(huán)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of AMTR Structure

圖2 水力特性試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Equipments of Experiment

1.2 試驗(yàn)方法

水樣由蠕動(dòng)泵定量進(jìn)入AMTR進(jìn)口處，整套裝置由可編程序控制器(PLC)控制，按照預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行方式，將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)來(lái)控制進(jìn)出水電磁閥、排泥電磁閥、曝氣電磁閥、攪拌機(jī)、水泵和鼓風(fēng)機(jī)的開關(guān)及運(yùn)轉(zhuǎn)。

AMTR的水力特性試驗(yàn)通過(guò)采用脈沖信號(hào)的示蹤劑試驗(yàn)法進(jìn)行RTD的測(cè)定。以分析純NaCl為示蹤劑，待反應(yīng)器內(nèi)流速穩(wěn)定后，用蠕動(dòng)泵按當(dāng)前清水流量在進(jìn)水口處加入50 mL NaCl溶液，此時(shí)Cl-注入量約為30 g，再過(guò)一定時(shí)間間隔，在檢測(cè)口測(cè)定示蹤劑濃度[10]。

具體試驗(yàn)步驟：(1)配置一定濃度的示蹤劑溶液(600 g/L)，密封于試劑瓶中；(2)在取樣口(第一、第三、第五隔室)取適量出水，測(cè)定該組試驗(yàn)條件下反應(yīng)器內(nèi)示蹤劑的本底濃度；(3)將示蹤劑溶液用蠕動(dòng)泵按當(dāng)前清水流量在進(jìn)水口處加入，同時(shí)開始計(jì)時(shí)；(4)每隔10 min從取樣口取出適量水樣，測(cè)定離子濃度(扣除了水相的豐底值)并記下取樣時(shí)間，試驗(yàn)?zāi)┪舶措妼?dǎo)率變化量，延長(zhǎng)測(cè)樣時(shí)間至20 min，整個(gè)取樣歷時(shí)為反應(yīng)器理論水力停留時(shí)間的3倍[11]。

2 RTD標(biāo)準(zhǔn)化曲線的理論分析(流態(tài)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算公式)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量濃度

標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量濃度計(jì)算如式(1)。

(1)

Ci—t時(shí)刻反應(yīng)器出水中示蹤劑的濃度。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間

標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間計(jì)算如式(2)。

θ=t/HRT

(2)

t—示蹤劑離開反應(yīng)器的時(shí)刻。

RTD曲線是以標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量濃度C(θ)為縱軸，以標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間θ為橫軸，作出的C(θ)-θ曲線稱為RTD曲線[6]，此曲線所圍面積為1。這樣，對(duì)于某種運(yùn)行條件下的RTD研究，以θ為橫軸、C(θ)為縱軸可繪得一系列的離散點(diǎn)，由這些離散點(diǎn)擬合所得的曲線即為該種條件下的RTD標(biāo)準(zhǔn)化曲線[9-10]。

2.3 平均停留時(shí)間

平均停留時(shí)間計(jì)算如式(3)。

(3)

其中：△t—示蹤劑測(cè)定的取樣時(shí)間間隔。

2.4 方差

方差計(jì)算如式(4)。

(4)

無(wú)因次方差計(jì)算如式(5)。

(5)

2.5 多級(jí)全混流模型

假設(shè)以N個(gè)等體積的全混流反應(yīng)器(CSTR)來(lái)模擬實(shí)際的反應(yīng)器，以反應(yīng)器串聯(lián)級(jí)數(shù)N作為模型參數(shù)，如式(6)。

(6)

N越大，串聯(lián)個(gè)數(shù)越多，越趨于理想推流流態(tài)；反之，越趨于完全混合流態(tài)。即N=1時(shí)為完全混合流態(tài)，N=∞時(shí)為理想推流流態(tài)[12]。

2.6 軸向擴(kuò)散模型

軸向擴(kuò)散模型在反應(yīng)器存在某種程度的返混時(shí)使用，該模型的唯一參數(shù)是D/UL(其中D為軸向分散系數(shù)，U為流體速度，L為特征長(zhǎng)度)，其意義為軸向擴(kuò)散流動(dòng)與軸向?qū)α髁鲃?dòng)的相對(duì)大小，計(jì)算如式(7)。

(7)

軸向擴(kuò)散模型參數(shù)表示偏移推流的程度，D/UL越大，偏移推流的程度越大，越趨于完全混合，反之亦然[10-14](理想完全混合反應(yīng)器D/UL=∞，而理想平推流D/UL=0)。

2.7 死區(qū)率

死區(qū)率計(jì)算如式(8)～式(9)。

Vd/V=1-υaμa

(8)

(9)

其中：Vd—反應(yīng)器死區(qū)，L；

V—反應(yīng)器的有效容積，L；

υa—當(dāng)θ=2時(shí)，示蹤劑流出量占注入量的比值；

μa—C-θ曲線的平均值[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 同一HRT對(duì)不同工藝運(yùn)行方式的影響

清水試驗(yàn)是在反應(yīng)器內(nèi)不加污泥的條件下，采用自來(lái)水作為進(jìn)水，加入示蹤劑進(jìn)行試驗(yàn)。首先，考察在同一HRT下，HRT對(duì)AMT和AAO工藝的影響。五箱正常運(yùn)行，進(jìn)行階段轉(zhuǎn)換；此后，通過(guò)改變PLC程控柜設(shè)置，讓反應(yīng)器一直處在階段一狀態(tài)，無(wú)階段轉(zhuǎn)化，即為簡(jiǎn)易的AAO工藝。試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)果如圖3所示，對(duì)應(yīng)的RTD 曲線的特征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖3 HRT=9.7 h時(shí)不同工藝運(yùn)行方式的RTD曲線Fig.3 RTD Curves of Different Processes under HRT=9.7 h

表1 HRT=9.7 h時(shí)不同工藝運(yùn)行方式RTD曲線數(shù)值分析結(jié)果Tab.1 Effect of Different Processes on RTD Curve under HRT=9.7 h

由圖3可知，AMT時(shí)的C(θ)-θ曲線峰值高于AAO，且前者峰值出現(xiàn)的時(shí)間較早。AMT時(shí)C(θ)-θ曲線不是連續(xù)曲線，主要是因?yàn)锳MT運(yùn)行時(shí)存在著進(jìn)出水的交替，在階段交替時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)存在一定的間斷。AMT時(shí)峰值出現(xiàn)的時(shí)間與HRT相差較大，因此AMT時(shí)裝置內(nèi)水流并非趨于平推流，且混合程度較大[8,15-16]。

由表1可知，代表反應(yīng)器串聯(lián)級(jí)數(shù)的N由AAO運(yùn)行時(shí)的3.49降低到了AMT時(shí)的2.87，與之相反，反應(yīng)器混合程度參數(shù)D/UL由AAO時(shí)的0.173增加到了AMT時(shí)的0.223，死區(qū)率由AAO時(shí)的17.4%下降到了AMT時(shí)的14.4%。主要是因?yàn)?當(dāng)AMT運(yùn)行時(shí)，進(jìn)出水交替，池內(nèi)水的返混程度較高，水流在各個(gè)格室之間縮放流動(dòng)且連續(xù)不斷，以至形成眾多的小旋渦，死區(qū)率及推流效果相比于呈推流狀態(tài)的AAO工藝均有下降。

3.2 不同HRT對(duì)AMTR的影響

清水條件下，加入NaCl示蹤劑，考察HRT為9.7、11.7、13.75 h時(shí)對(duì)泥水自循環(huán)反應(yīng)器流態(tài)的影響，并進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)果如圖3所示，對(duì)應(yīng)的RTD曲線的特征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖4 不同HRT時(shí)的RTD曲線Fig.4 Curves of Effect of RTD on Different HRT

表2 不同HRT時(shí)泥水自循環(huán)反應(yīng)器RTD曲線數(shù)值結(jié)果分析Tab.2 Effect of HRT on RTD Curve in AMTR

由圖4可知，三個(gè)HRT條件下，AMTR的RTD曲線均較相似，說(shuō)明AMTR的結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的曲線影響程度一致[10]。各HRT下的C-θ曲線均為不對(duì)稱單峰曲線，反映的變化規(guī)律是在峰值之前，示蹤劑濃度C值迅速增大；峰值過(guò)后，C值逐漸減小[10]。各HRT條件下，反應(yīng)器出口處示蹤劑的濃度出現(xiàn)峰值均是在t=0.5 HRT左右，且峰高變化不大。根據(jù)眾數(shù)停留時(shí)間指數(shù)的定義，即對(duì)于平推流，該比值趨近于1；對(duì)于完全混合流態(tài)，該比值趨近于0[15]。此外，同一HRT下，單獨(dú)觀察5個(gè)箱子，發(fā)現(xiàn)每個(gè)箱子的D/UL均較大，混合程度較好，單個(gè)箱體的空間可視為CSTR，五個(gè)箱子的CSTR型單元反應(yīng)器串聯(lián)起來(lái)就接近于推流型反應(yīng)器[11]，與眾數(shù)停留時(shí)間指數(shù)相符合。因此，AMTR的流態(tài)處在完全混合與平推流之間，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

通常，串聯(lián)級(jí)數(shù)N隨著HRT的增大而增大，即反應(yīng)器的流態(tài)隨著HRT的增大由完全混合態(tài)向推流態(tài)轉(zhuǎn)變[10,16-17]。由表2可知，隨著HRT的增大，AMTR的串聯(lián)級(jí)數(shù)N由2.87降低到了2.27，混合程度指數(shù)D/UL由0.223增加到了0.317，這與常規(guī)反應(yīng)器的變化規(guī)律完全相反[17-19]。主要原因是AMTR階段轉(zhuǎn)換進(jìn)出水方向，由于進(jìn)出水方向的不斷交替，反應(yīng)器內(nèi)的水流返混程度劇烈，相同的運(yùn)行周期條件下，HRT越大，水流的返混次數(shù)越多。因此，隨著HRT的增大，反應(yīng)器完全混合作用增強(qiáng)，推流作用削弱。

3.3 死區(qū)分析

示蹤試驗(yàn)為清水試驗(yàn)，反應(yīng)器死區(qū)指水力死區(qū)，是由于反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的。由圖5可知，當(dāng)HRT由9.7 h變化到10.5 h再增加到11.7 h時(shí)，死區(qū)率由14.4%減少到13.26%再減少到12.4%，呈遞減趨勢(shì)。隨后繼續(xù)增大HRT，死區(qū)率反而增大，從12.7 h時(shí)的15.06%增加到13.75 h時(shí)的16.89%。分析原因主要是，隨著HRT的增大，反應(yīng)器內(nèi)部水流的流速變慢，返混現(xiàn)象減弱，死區(qū)率減小[10,16,19]，此時(shí)HRT的變化占主導(dǎo)因素；隨著HRT進(jìn)一步增大，反應(yīng)器內(nèi)部水流流速的變慢速率降低，而反應(yīng)器交替進(jìn)水所導(dǎo)致的返混現(xiàn)象程度加深，使得死區(qū)率增高[20]。另外，由于1#、5#池在階段轉(zhuǎn)換中間歇性作為沉淀池，導(dǎo)致整個(gè)泥水自循環(huán)工藝死區(qū)率略高于一般反應(yīng)器。

圖5 HRT對(duì)Vd/V的影響Fig.5 Impact of HRT on Vd/V

3.4 污泥接種培養(yǎng)(效能驗(yàn)證)

為了驗(yàn)證泥水自循環(huán)反應(yīng)器對(duì)城市生活污水的實(shí)際處理能力，對(duì)其進(jìn)行除磷脫氮工藝的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)地點(diǎn)為南京市江寧區(qū)科學(xué)園污水處理廠。

由圖6可知，污泥培養(yǎng)時(shí)間由2017年9月6日～2017年10月5日，試驗(yàn)的第1 d就直接將污水處理廠 Orbal氧化溝中的混合液(MLSS=3 310 mg/L，SV=24%)加入到試驗(yàn)裝置中，采取直接進(jìn)水培養(yǎng)方式，從沉砂池出口取水，開始3 d間歇進(jìn)水(進(jìn)水3 h，停止進(jìn)水1 h，進(jìn)水量緩慢增加[9])。之后采取連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水流量緩慢增加至第13 d時(shí)，流量穩(wěn)定在5 L/h。2017年4月22號(hào)開始切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置為主體段2 h、過(guò)渡段1 h、沉淀段1 h[1-4]， HRT=11.7 h。

圖6 污泥培養(yǎng)期間污泥沉降比和污泥濃度Fig.6 SV and MLSS during Sludge Cultivation

污泥培養(yǎng)馴化過(guò)程中，反應(yīng)器內(nèi)污泥量逐漸增加，在污泥濃度提高的同時(shí)，污泥活性增強(qiáng)，絮凝效果改善，污泥沉降比相應(yīng)提高。培養(yǎng)開始階段不排泥，待5個(gè)反應(yīng)池平均污泥濃度達(dá)到3 000 mg/L時(shí)，通過(guò)PLC自動(dòng)排泥，控制污泥齡在12 d左右，維持污泥量穩(wěn)定在3 500 mg/L。

污泥濃度由第1 d的2 101 mg/L，至后期穩(wěn)定為3 500 mg/L；污泥沉降比由第1 d的15%緩慢上升到最后的25%。

隨著污泥量的緩慢增加和混合液中微生物的多樣化，泥水自循環(huán)活性污泥系統(tǒng)的處理效果也不斷提高，COD、TN、TP的去除率均得到明顯改善。對(duì)AMTR系統(tǒng)進(jìn)行了3次污染物去除率的測(cè)定，在污泥培養(yǎng)馴化結(jié)束后(即系統(tǒng)后期穩(wěn)定時(shí))，去除率分別在85%、70%和85%左右。如圖7所示，出水COD、TN、TP基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)要求，出水效果趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)表明，泥水自循環(huán)反應(yīng)器對(duì)城市生活污水的處理效能較高。

圖7 污泥培養(yǎng)期間污染物去除率變化圖Fig.7 Change of Pollutant Removal Rate during Sludge Cultivation

4 結(jié)論

(1)同一HRT，泥水自循環(huán)工藝與AAO工藝相比，具有較低的死區(qū)率以及較高的混合程度，流態(tài)處于完全混合與平推流之間，且具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

(2)HRT是影響AMTR水力特性的主要因素。隨著水力停留時(shí)間的增大，與一般的反應(yīng)器變化規(guī)律相反，AMTR的N值減小，D/UL增大，水流推流程度減弱，混合程度加強(qiáng)。

(3)HRT對(duì)泥水自循環(huán)工藝死區(qū)率影響顯著。隨著HRT的增大，死區(qū)率先減小后升高，在HRT=11.7 h時(shí)，取得最小死區(qū)率為12.4%，對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)確定具有指導(dǎo)意義。

(4)泥水自循環(huán)工藝處理城市生活污水效能較高。污泥培養(yǎng)馴化結(jié)束后即系統(tǒng)后期穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，COD、TN、TP的去除率分別為85%、70%和85%，出水穩(wěn)定，且基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)要求。