基于多點布水的水解酸化工藝處理印染廢水中試研究*

張 宇 譚映宇 王曉敏 陳澤軍 馬 彬 王慧榮沈浙萍 徐 慧 包天欣 張 亮

(1.浙江省生態環境科學設計研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江環科環境研究院有限公司，浙江 杭州 311100；3.浙江《環境污染與防治》雜志社，浙江 杭州 310007；4.浙江省環境科技有限公司，浙江 杭州 311100；5.浙江省生態環境低碳發展中心，浙江 杭州 310012)

紡織染料種類繁多，加之一些新型助劑等難生物降解有機物大量使用，導致印染廢水色度重，有機物組成復雜，可生化性差，且具有毒性，對水環境和人類健康造成極大的威脅[1]。水解酸化工藝不僅能夠提高印染廢水可生化性，同時對色度具有一定去除能力，且運行成本低廉，因此被廣泛應用于印染廢水的預處理之中。然而，現有水解酸化工藝效率普遍較低，直接導致后續好氧生化段去除效果不佳，既影響企業的穩定達標排放，又影響中水回用效果[2]。為確保出水水質，企業往往增加后續處理藥劑投加量，從而導致污泥量增大，運行成本增加。因此亟需提升水解酸化反應效率，以確保印染廢水處理設施高效運行，出水水質穩定達標。

水解酸化工藝良好運行的重要條件之一是均勻布水，保障厭氧污泥與廢水之間的充分接觸[3]，因此改善布水均勻性是提升水解酸化效率的有效途徑，現有水解酸化工藝一般采用單點或者穿孔管布水，難以達到布水均勻的效果，加之水解酸化池內流場復雜，可能會造成水力短流，形成水力死區。計算流體力學(CFD)技術近年來被越來越多地應用在污水處理領域，用來指導污水處理構筑物及相關設施改進設計、優化運行方式等[4]。LARSEN[5]首次利用混合長度理論來計算平流式沉淀池中水流的紊動黏性系數，在此基礎上提出了沉淀池計算數學模型，對沉淀池運行過程進行分析。隨后一些學者利用CFD技術對沉淀池[6-7]、水解酸化池[8]403-407，[9]、氧化溝[10]、消毒池[11]等相關污水處理構筑物進行數值模擬，通過考察流場、污泥分布，或通過改變構筑物結構、運行條件，提出相應的設計及運行的優化方案。上述研究雖然對相關污水處理構筑物的診斷評價、指導設計、優化運行、提高污水處理效果等環節具有較好的指導意義，但大多缺乏對模擬結果的實測驗證。

本研究將CFD模擬和現場試驗相結合，首先通過CFD模擬對水解酸化工藝的布水方式進行了優化設計，對多種布水工況下水解酸化反應器內固液流動狀態進行了數值模擬和比較，確定了最佳布水點數；隨后，基于CFD模擬結果設計制作了多點布水水解酸化反應裝置，以實際印染廢水為處理對象，進行現場中試，以實測數據評估了水解酸化效率提高程度，對模擬結果進行了驗證。上述研究對目前水解酸化工藝的均勻布水工程改造具有參考意義，也為最大限度發揮水解酸化工藝對印染廢水處理效率提供了可能。

1 材料與方法

1.1 數值模擬模型

水解酸化反應器內固液兩相流動采用Euler-Euler模型描述，湍流特性采用標準k—ε模型來描述?？紤]固液兩相在組合填料間流動時產生了黏性阻力和慣性阻力，本研究引入多孔介質模型對彈性掛料區域進行模擬，并把多孔材料看作連續介質進行處理。多孔結構對流體特性的影響處理為將阻力加入到動量方程的源項中。對于各向同性材料，多孔介質動量控制方程附加源項的計算式為：

(1)

式中：Sporous為動量源項，N/m3；μ為黏度，Pa·s；ui為i方向速度，m/s；ρ為密度，kg/m3；1/a為黏性阻力系數，m-2；C2為慣性阻力系數，m-1。

按水解酸化池實際結構及尺寸建立水解酸化反應器的物理模型，水解酸化反應器尺寸為1.20 m(長)×1.20 m(寬)×3.35 m(高)，底部設有布水點，共4組模型(見圖1)：其中模型a中由1個內徑20 mm的布水軟管單點布水，而模型b、c、d分別由5、9、12個內徑16 mm的布水軟管多點布水，即5點布水、9點布水和12點布水。分別以X、Y、Z代表水解酸化反應器長、高、寬方向。

圖1 水解酸化反應器的物理模型

初始階段，0～1.60 m高度范圍內固相體積分數分布均勻，取值為12%，即水解酸化池內平均體積固含率約為0.058。污泥均勻分布，污泥粒徑設定為100 μm；污水入口采用速度入口邊界條件，且各個出水口速度相等，進水流量為300 L/h。出口采用壓力出口邊界條件。在壁面處，液相采用無滑移邊界條件，固相顆粒采用部分滑移邊界條件。

連續性方程、動量方程和湍動方程對流項均采用一階迎風格式，并采用Phase-coupled SIMPLE算法對壓力、速度進行耦合。當每個時間步長內所有控制方程的殘差小于10-4且入口壓力波動小于1%時，即認為計算收斂。

1.2 中試地點及廢水水質

中試地點位于嘉興市嘉善縣洪溪污水處理廠，廢水來源為某印染園區納管廢水，主體工藝為“調節+初沉+水解酸化+好氧生物+深度處理”，中試裝置進水(原水，取自初沉池)主要水質指標見表1。

表1 原水水質

該廠水解酸化池尺寸為35.0 m(長)×30.0 m(寬)×5.5 m(高)，有效水深為5.0 m，有效池容為5 250 m3(組合填料體積約2 000 m3)，池中布置潛水攪拌器兩臺，水力停留時間(HRT)為9 h，溶解氧(DO)為0.2～0.5 mg/L。布水方式為單點布水，即通過直徑700 mm布水管道由初沉池自流到水解酸化池。

1.3 水解酸化中試設備

水解酸化中試設備包含水解酸化池和斜管沉淀池，水解酸化池尺寸為1.20 m(長)×1.20 m(寬)×3.35m(高)。中試設備主要包括布水系統、組合填料、鋸齒堰板、轉子流量計、回流泵等(見圖2)。進水來源于現場初沉池，通過內置布水系統，將總水量均勻地分配到9個布水軟管上，并通過布水軟管輸送至設備底部的布水點，廢水再緩慢上升，流經中間填料層，最終從頂部鋸齒堰板溢流到斜管沉淀池。

圖2 水解酸化中試設備

1.4 中試設備啟動

取污水處理廠水解酸化池污泥，污泥混合液懸浮固體(MLSS)質量濃度約為8 000 mg/L，污泥接種量為中試設備有效容積的50%。最初每天進水4 h，期間間歇曝氣(避免污泥沉積，使污泥與填料充分接觸)，DO控制在0.2～0.5 mg/L，觀察污泥生長變化及掛膜情況，定期投加葡萄糖；20 d后采用連續進水，印染廢水進水流量為300 L/h，HRT約為9 h。

中試設備運行期間，考察COD、BOD5、脫色率、揮發性脂肪酸(VFAs)產量等指標變化情況；在中試設備運行的第20、40、60天，分別采集污泥，離心棄上清液后，-20 ℃保存備用，進行高通量測序，解析中試設備運行過程中微生物群落結構變化。

1.5 水質分析方法

COD和BOD5測定參照文獻[12]。

VFA測定采用滴定法，取100 mL水樣于蒸餾瓶中，加入10%(質量分數) NaOH調節至堿性，蒸餾至瓶中體積為50～60 mL時加蒸餾水至100 mL，冷卻后加入10 mL 10%(體積分數)磷酸酸化，在接收瓶中放入10～20 mL蒸餾水，并使接收瓶與蒸餾瓶的冷凝管連接，蒸餾至瓶中液體為15～20 mL時，再加入50 mL蒸餾水再次蒸餾至15～20 mL，最后用0.1 mol/L NaOH標準溶液滴定餾出液至淡粉色不消失為止。

脫色率采用水質色度儀(SD9011)測定處理前后色度后計算得出。

1.6 污泥高通量測序

取中試設備運行期間的污泥樣品，測序微生物主要為細菌，擴增區域為16S rDNA 的V3～V4可變區，測序平臺為Miseq 2×300 bp，將測序的條帶去除非特異性擴增序列及嵌合體后，按照基因頻譜相似度97%進行操作分類單元(OTU)聚類，在屬水平進行活性污泥菌群豐度分析。

2 結果與討論

2.1 布水均勻性的數值模擬分析

分別對單點、5點、9點及12點布水工況下水解酸化反應器內部的固液流動狀態進行了數值模擬和比較，固相速度和體積分數分布分別見圖3和圖4。模擬結果顯示：在反應器底部，固相速度較高，隨著高度增加，固相體積整體上逐漸減少。

圖3 水解酸化反應器在不同布水工況下的固相速度分布

圖4 水解酸化反應器在不同布水工況下的固相體積分數分布

不同布水工況下的流場如圖5所示，廢水噴射到底部后被反射，從不同區域反射的污水相互作用，形成了低流速條帶和高流速條帶間隔存在的流動結構。隨著布水點數增多，設備底部的水湍動作用更加強烈，底部的活性污泥就越容易充分攪拌。

圖5 水解酸化反應器在不同布水工況下的流場模擬

沿著Y方向將計算域分割為40個子域，子域的水深與反應器內固相體積分數的關系見圖6。單點布水時底部固相體積分數最大，說明污泥越易淤積，隨著布水點數的增多，底部的固相體積分數逐漸減小，污泥可流化高度逐漸增大；當布水點數達到9點時，固相可流化高度變化趨于穩定；當布水點數達到12點時，可流化高度與9點布水接近。沈鵬飛等[8]407對某污水處理廠水解酸化池進行數值模擬，針對池內流速分布不均、存在大面積流速幾乎為零的區域提出改進方案，但是模擬中只考慮到單相流，沒有考慮池中污泥的作用，而本研究同時引入流體-固體(污泥)兩相流及固液兩相通過組合填料的流動模擬。

圖6 水解酸化反應器在不同布水工況下固相體積分數變化曲線

綜上，多孔布水方式相比單點布水方式的污泥更易懸浮，泥水混合更加均勻，多點布水有利于泥水混合均勻，提高傳質效率。布水均勻性表現為9點布水≈12點布水>5點布水>單點布水。

2.2 中試設備運行效果分析

基于CFD模擬結果，中試設備設計采用9點布水，分別考察了HRT、VFAs、可生化性(以BOD5、COD質量比計，以下簡稱B/C)及脫色效果變化。

HRT是重要運行參數之一，直接影響水解酸化效率，調整設備進水流量，HRT分別設置為6、9、12、15 h，中試設備在不同HRT下運行，COD去除率以及B/C的變化見圖7(a)。隨著HRT的增加，COD去除率和B/C有逐漸提高趨勢。HRT為6 h時，由于反應時間較短，COD去除率較低，B/C較??；當調整HRT為9 h，COD平均去除率約為27%，B/C基本維持在0.32左右；當調整HRT為12 h時，COD去除率為25%～28%，B/C為0.30～0.34；繼續增大HRT至15 h，COD去除率及B/C與HRT為12 h時相差不大。綜上，HRT確定為9 h，這與該污水處理廠水解酸化池運行的HRT一致。

VFAs是水解酸化過程的重要中間產物，可被用來衡量系統微生物的活性，在水解酸化過程中，進出水的VFAs濃度差(即VFAs產量)越大，說明水解酸化效果越好[13]。中試設備進出水以及污水處理廠水解酸化池出水VFAs變化見圖7(b)。原水的VFAs為5.7～13.8 mg/L，經中試設備處理后出水的VFAs為11.1～18.7 mg/L，而污水處理廠水解酸化池出水的VFAs為8.8～15.6 mg/L。經中試設備處理，VFAs產量約為4.3 mg/L，而經污水處理廠水解酸化池處理，VFAs產量約為1.6 mg/L，中試設備將VFAs產量提高至原來的2.7倍。

B/C是衡量廢水可生化性的重要指標，中試運行期間B/C變化見圖7(c)。中試設備運行期間廢水B/C平均值為0.31，污水處理廠水解酸化池出水B/C平均值為0.27，中試設備將B/C提高至原來的1.1倍。

印染廢水中含有大量剩余染料，而脫色主要發生在水解酸化段，因此脫色率可以作為反映水解酸化效果的一項指標。中試設備進出水及污水處理廠水解酸化池出水色度的變化見圖7(d)。中試設備運行期間，脫色率在37%～67%波動，平均值為47%，而污水處理廠水解酸化池脫色率在11%～43%波動，平均值為21%，中試設備將脫色率提高至原來的2.2倍。

圖7 水解酸化過程對印染廢水的處理效果

綜上，相比污水處理廠水解酸化池，中試設備水解酸化效率顯著提高， CFD模擬結果與實測數據吻合，也驗證了CFD模擬結果具有較高的準確性。

2.3 微生物群落結構變化分析

高通量測序結果表明(見表2)，隨著中試設備的運行，微生物群落結構發生顯著變化，表現出不同的多樣性及豐富度，在中試設備啟動階段及正常運行階段，生絲微菌屬、擬桿菌屬為優勢菌屬，后者被證實廣泛存在于印染廢水生化處理系統中，對多種染料具有潛在的降解作用[14-15]；進入穩定運行階段后，紅假單胞菌屬成為的優勢菌屬，推測它可能對印染廢水中某些難降解有機物具有降解潛力。

表2 中試設備運行不同階段微生物群落結構變化

3 結 論

(1) 利用CFD模擬技術，采用Euler-Euler模型、標準k—ε模型及多孔介質模型，對多種布水工況下水解酸化反應器內固液流動狀態進行數值模擬分析，結果表明，對于1.20 m (長)×1.20 m (寬)×3.35m (高)的反應器，采用9點布水可達到最佳效果，此時底部的水湍動作用強烈，污泥可流化高度提升，有效遏制污泥淤積，有利于泥水充分混合，從而提高傳質效率。

(2) 基于CFD模擬結果，設計制作了9點布水的水解酸化中試設備，以印染廢水為處理對象，相比污水處理廠單點布水水解酸化池，中試設備的水解酸化效率顯著改善，VFAs產量、B/C及脫色率分別提高至原來的2.7、1.1、2.2倍，驗證了CFD模擬結果具有較高的準確性。

(3) 隨著中試裝置運行時間延長，系統中微生物群落結構發生了顯著的變化，在中試設備啟動及正常運行階段，水解解酸化系統中優勢菌屬為生絲微菌屬、擬桿菌屬；進入穩定運行階段后紅假單胞菌成為的優勢菌屬，推測它可能是水解酸化處理印染廢水過程中的功能菌群。