生物盤轉(zhuǎn)式水處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

生物盤轉(zhuǎn)式水處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

生物旋轉(zhuǎn)是一種生物膜法廢水處理技術(shù)，始于20世紀(jì)50年代。生物轉(zhuǎn)盤主要由盤片、接觸反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸及驅(qū)動裝置所組成,其整個處理過程為:轉(zhuǎn)盤浸入或部分浸入充滿廢水的接觸反應(yīng)槽內(nèi),在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下,轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)盤一起以一定的線速度不停地轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)盤交替的與廢水和空氣接觸,經(jīng)過一段時間的轉(zhuǎn)動后,盤片上將附著一層生物膜。在轉(zhuǎn)入廢水中時,生物膜吸附廢水中的有機污染物,并吸收生物膜外水膜中的溶解氧,分解有機物,微生物在這一過程中以有機物為營養(yǎng)進(jìn)行自身繁殖;轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)出廢水時,空氣不斷的溶解到水膜中去,增加其溶解氧。生物膜交替的與廢水和空氣接觸,變成一個連續(xù)的吸氧、吸附、氧化分解過程。生物轉(zhuǎn)盤法常采用多級串聯(lián)處理方式,以取得更好的效果。2生物轉(zhuǎn)盤廢水處理研究與應(yīng)用2.1生物膜法氧化反應(yīng)器中的應(yīng)用過去城市污水多采用懸浮生長的活性污泥法處理,由于水量大,負(fù)荷高,對曝氣量的需求也隨之增加,因此能源消耗費用高,且占地面積很大,處理效率也比較低。為此環(huán)境專家們研究了大量基于生物膜法的高效反應(yīng)器,如生物流化床、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤等。表1列舉了一些生物轉(zhuǎn)盤用于生活污水方面的中試研究及工程應(yīng)用實例。從表1可知,生物轉(zhuǎn)盤是一種高效的廢水處理反應(yīng)器,在水力停留時間小于2.5h的情況下,對生活污水的處理效率平均能達(dá)到90%左右,但另一方面,在工程應(yīng)用中生物轉(zhuǎn)盤處理量不大,因此在大水量城市污水處理方面還需進(jìn)一步的研究。2.2生物盤盤脫氮廢水生物脫氮包含缺氧與好氧兩個環(huán)境。用于氨氮廢水的處理工藝紛繁復(fù)雜,其微生物的生長方式主要可分為懸浮生長及附著生長兩種。長期以來,生物轉(zhuǎn)盤法用于該類廢水的處理實例也屢見不鮮。Weng、Torpey等采用多級生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)對合成廢水及城市污水中的碳、氮去除進(jìn)行了研究,而碳氮比對系統(tǒng)處理效果的影響也已見報道。起初,生物轉(zhuǎn)盤脫氮工藝中反硝化過程靠缺氧部分的加入來完成,其可放在好氧的前或后,若在好氧之后,反硝化過程則需補加碳源;若在之前,則不需外加碳源。后來,研究發(fā)現(xiàn)硝化、反硝化過程可在同一反應(yīng)器內(nèi)同時完成,Watanabe、Gupta等采用單級和多級生物轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了這類研究。表2列舉了采用生物轉(zhuǎn)盤處理氨氮廢水的效果數(shù)據(jù)。由表2可看出,在碳氮比很低的情況下,其氨氮的平均去除率也可達(dá)90%。另外,對于含磷廢水處理,生物轉(zhuǎn)盤也有研究,Ouyang等采用A2/O生物轉(zhuǎn)盤對含磷為4mg/L的合成廢水進(jìn)行了中試研究,該系統(tǒng)包括四級生物轉(zhuǎn)盤,盤片為PVC材料,每級12個盤片,系統(tǒng)總體積是160L,在各段HRT分別為1.65、0.71、2.01的條件下,出水中含磷僅0.6mg/L,去除率達(dá)到了85%。因此生物轉(zhuǎn)盤用于廢水的脫氮除磷是合理且高效的。2.3生物盤法反應(yīng)器苯酚及其同系物均屬于芳香族化合物,主要由苯環(huán)結(jié)構(gòu)及其上連接的羥基、氨基和磺酸基組成。該類化合物對生態(tài)環(huán)境的危害性極大,然而作為一類主要原料許多工廠都在生產(chǎn),造成大量的含酚廢水被排放到環(huán)境中,因此為了防止環(huán)境被污染,環(huán)境專家們對各種條件下不同濃度的酚降解進(jìn)行了大量的研究。生物轉(zhuǎn)盤作為一種高效生物膜法反應(yīng)器,在含酚廢水處理方面也有大量的應(yīng)用研究報道。表3列舉了含酚廢水處理的試驗研究。從表3可知,由于生物轉(zhuǎn)盤具有微生物濃度高、抗沖擊能力強等優(yōu)點,對酚類有毒物質(zhì)的降解效果非常好,幾乎可達(dá)到完全去除。2.4生物盤特征可去除污水中重金屬的能力生物轉(zhuǎn)盤對高濃度染料廢水的脫色效果很明顯,對重金屬及其他毒性化合物的去除更是有效,如對重金屬的去除率可達(dá)90%以上,對SCN-的去除能達(dá)99.99%,對多環(huán)芳烴PAH的去除率也能達(dá)90%以上;對高濃度有機廢水的CODCr去除率能達(dá)90%以上。因此,生物轉(zhuǎn)盤在工業(yè)廢水的處理中具有極其重要的作用。3生物轉(zhuǎn)盤廢水處理影響因素3.1生物將盤片浸沒位置作為轉(zhuǎn)速過線模式,系統(tǒng)運行生物轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)線是生物處理的最優(yōu)轉(zhuǎn)速的選擇盤片是生物轉(zhuǎn)盤的主要組成部分,它與生物轉(zhuǎn)盤的處理效率直接相關(guān)。盤片的有效面積及表面粗糙度是影響生物轉(zhuǎn)盤處理效率的重要因素,盤片材料的價格與輕重直接影響著整個系統(tǒng)的投資及運行成本。盤片材料有效面積越大,其上生長的微生物就越多;盤片材料表面越粗糙,其越容易長上生物膜,而且生物膜厚度也越大;盤片材料越輕,能耗越少,運行費用越低。目前國內(nèi)常用的盤片材料有:泡沫塑料板、塑料光板、塑料波紋板、玻璃鋼、鋼板、木板、竹板等。Apilánez等研究了玻璃顆粒、硅藻土、砂、不銹鋼、聚氯乙烯以及活性炭等六種轉(zhuǎn)盤表面材料對生物膜生長的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)盤在4~8r·min-1的轉(zhuǎn)速以及40%的浸沒百分比的情況下,表面粗糙度最高的活性炭是最有利于生物膜形成及生長的轉(zhuǎn)盤材料。因此,盤片材料有效面積越大、表面粗糙度越高、質(zhì)量越小,系統(tǒng)處理效果的性價比就會越高。3.2轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速(ω)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)處理效果之間存在一種拋物線關(guān)系,在一個特定的轉(zhuǎn)速值(最優(yōu)轉(zhuǎn)速)時,系統(tǒng)處理效果達(dá)到最優(yōu),在低于或高于該轉(zhuǎn)速下運行生物轉(zhuǎn)盤,系統(tǒng)處理效果都會下降。原因是:起初轉(zhuǎn)速由0逐漸增加到最有轉(zhuǎn)速值時,反應(yīng)器內(nèi)液體混合也逐漸趨于均勻,基質(zhì)與轉(zhuǎn)盤上附著的生物膜得到越來越充分的接觸,系統(tǒng)處理效果逐漸增加到最高;但當(dāng)轉(zhuǎn)速超過該最優(yōu)轉(zhuǎn)速并繼續(xù)增高時,液體剪力也越來越大,生物膜脫落加速,且轉(zhuǎn)盤邊界層越來越薄,最終基質(zhì)已無時間傳遞到生物膜,微生物的濃度也不夠了,造成了系統(tǒng)處理效果的降低。Lu等通過實驗得到,一套4級厭氧生物轉(zhuǎn)盤在容積負(fù)荷為6.3kgCODCr/m3·d的條件下運行時,轉(zhuǎn)速由0升到12r/min,CODCr去除率增加;轉(zhuǎn)速超過12r/min時,去除率下降。在6~24r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),CODCr去除率可達(dá)較優(yōu)的值:70%~78%。因此,在運行生物轉(zhuǎn)盤之前,必須通過實驗選擇最佳的轉(zhuǎn)速范圍,以免達(dá)不到預(yù)期的效果或消耗不必要的能源,使整個系統(tǒng)在最優(yōu)的條件下運行。3.3轉(zhuǎn)盤浸沒百分比(Ω)轉(zhuǎn)盤在接觸槽內(nèi)廢水中的浸沒百分比與系統(tǒng)處理效果之間是一種正比的關(guān)系,浸沒百分比越大,轉(zhuǎn)盤單位面積負(fù)荷就越高,CODCr去除率也就越高:對于厭氧生物轉(zhuǎn)盤而言,浸沒百分比越小,轉(zhuǎn)盤就越容易帶入氧份,厭氧環(huán)境將難以控制;可是對于好氧生物轉(zhuǎn)盤,若浸沒面積越小,其所帶入的空氣越多,對曝氣機的要求就會降低,能源消耗得到減少,但同時轉(zhuǎn)盤單位面積負(fù)荷也會降低,基質(zhì)消化效果變差。Lu等采用4級生物轉(zhuǎn)盤處理實驗表明,轉(zhuǎn)盤浸沒百分比分別為40%,70%和100%時,系統(tǒng)CODCr去除率分別得到64%,70%,78%。因此,對于厭氧生物轉(zhuǎn)盤而言,盡量將盤片全部浸沒在廢水中,而對于好氧生物轉(zhuǎn)盤,則需要找到盤片浸沒比最大與能源消耗最小之間的交點,達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)控制。3.4水力停留時間(HRT)HRT增加,基質(zhì)與生物膜的接觸機會與時間也增加,能被更加充分的降解,系統(tǒng)的處理效果得到提高;但HRT越長,反映器的體積就需要增大很多,占地面積隨之增加,投資費用急劇上升;而且HRT過長,即進(jìn)水流量太低的情況下,廢水得不到充分的混合,其中的可溶性物質(zhì)無法及時擴散到生物膜中,因而得不到降解。Yeh等實驗得到,在HRT分別為8,16h和32h時,系統(tǒng)CODCr去除率分別得到87%,90%,90%