生物盘转式水处理技术的应用与发展

生物盘转式水处理技术的应用与发展

生物旋转是一种生物膜法废水处理技术，始于20世纪50年代。生物转盘主要由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成,其整个处理过程为:转盘浸入或部分浸入充满废水的接触反应槽内,在驱动装置的驱动下,转轴带动转盘一起以一定的线速度不停地转动,转盘交替的与废水和空气接触,经过一段时间的转动后,盘片上将附着一层生物膜。在转入废水中时,生物膜吸附废水中的有机污染物,并吸收生物膜外水膜中的溶解氧,分解有机物,微生物在这一过程中以有机物为营养进行自身繁殖;转盘转出废水时,空气不断的溶解到水膜中去,增加其溶解氧。生物膜交替的与废水和空气接触,变成一个连续的吸氧、吸附、氧化分解过程。生物转盘法常采用多级串联处理方式,以取得更好的效果。2生物转盘废水处理研究与应用2.1生物膜法氧化反应器中的应用过去城市污水多采用悬浮生长的活性污泥法处理,由于水量大,负荷高,对曝气量的需求也随之增加,因此能源消耗费用高,且占地面积很大,处理效率也比较低。为此环境专家们研究了大量基于生物膜法的高效反应器,如生物流化床、曝气生物滤池、生物转盘等。表1列举了一些生物转盘用于生活污水方面的中试研究及工程应用实例。从表1可知,生物转盘是一种高效的废水处理反应器,在水力停留时间小于2.5h的情况下,对生活污水的处理效率平均能达到90%左右,但另一方面,在工程应用中生物转盘处理量不大,因此在大水量城市污水处理方面还需进一步的研究。2.2生物盘盘脱氮废水生物脱氮包含缺氧与好氧两个环境。用于氨氮废水的处理工艺纷繁复杂,其微生物的生长方式主要可分为悬浮生长及附着生长两种。长期以来,生物转盘法用于该类废水的处理实例也屡见不鲜。Weng、Torpey等采用多级生物转盘系统对合成废水及城市污水中的碳、氮去除进行了研究,而碳氮比对系统处理效果的影响也已见报道。起初,生物转盘脱氮工艺中反硝化过程靠缺氧部分的加入来完成,其可放在好氧的前或后,若在好氧之后,反硝化过程则需补加碳源;若在之前,则不需外加碳源。后来,研究发现硝化、反硝化过程可在同一反应器内同时完成,Watanabe、Gupta等采用单级和多级生物转盘进行了这类研究。表2列举了采用生物转盘处理氨氮废水的效果数据。由表2可看出,在碳氮比很低的情况下,其氨氮的平均去除率也可达90%。另外,对于含磷废水处理,生物转盘也有研究,Ouyang等采用A2/O生物转盘对含磷为4mg/L的合成废水进行了中试研究,该系统包括四级生物转盘,盘片为PVC材料,每级12个盘片,系统总体积是160L,在各段HRT分别为1.65、0.71、2.01的条件下,出水中含磷仅0.6mg/L,去除率达到了85%。因此生物转盘用于废水的脱氮除磷是合理且高效的。2.3生物盘法反应器苯酚及其同系物均属于芳香族化合物,主要由苯环结构及其上连接的羟基、氨基和磺酸基组成。该类化合物对生态环境的危害性极大,然而作为一类主要原料许多工厂都在生产,造成大量的含酚废水被排放到环境中,因此为了防止环境被污染,环境专家们对各种条件下不同浓度的酚降解进行了大量的研究。生物转盘作为一种高效生物膜法反应器,在含酚废水处理方面也有大量的应用研究报道。表3列举了含酚废水处理的试验研究。从表3可知,由于生物转盘具有微生物浓度高、抗冲击能力强等优点,对酚类有毒物质的降解效果非常好,几乎可达到完全去除。2.4生物盘特征可去除污水中重金属的能力生物转盘对高浓度染料废水的脱色效果很明显,对重金属及其他毒性化合物的去除更是有效,如对重金属的去除率可达90%以上,对SCN-的去除能达99.99%,对多环芳烃PAH的去除率也能达90%以上;对高浓度有机废水的CODCr去除率能达90%以上。因此,生物转盘在工业废水的处理中具有极其重要的作用。3生物转盘废水处理影响因素3.1生物将盘片浸没位置作为转速过线模式,系统运行生物转转线是生物处理的最优转速的选择盘片是生物转盘的主要组成部分,它与生物转盘的处理效率直接相关。盘片的有效面积及表面粗糙度是影响生物转盘处理效率的重要因素,盘片材料的价格与轻重直接影响着整个系统的投资及运行成本。盘片材料有效面积越大,其上生长的微生物就越多;盘片材料表面越粗糙,其越容易长上生物膜,而且生物膜厚度也越大;盘片材料越轻,能耗越少,运行费用越低。目前国内常用的盘片材料有:泡沫塑料板、塑料光板、塑料波纹板、玻璃钢、钢板、木板、竹板等。Apilánez等研究了玻璃颗粒、硅藻土、砂、不锈钢、聚氯乙烯以及活性炭等六种转盘表面材料对生物膜生长的影响。结果发现,转盘在4~8r·min-1的转速以及40%的浸没百分比的情况下,表面粗糙度最高的活性炭是最有利于生物膜形成及生长的转盘材料。因此,盘片材料有效面积越大、表面粗糙度越高、质量越小,系统处理效果的性价比就会越高。3.2转盘转速(ω)转盘转速与系统处理效果之间存在一种抛物线关系,在一个特定的转速值(最优转速)时,系统处理效果达到最优,在低于或高于该转速下运行生物转盘,系统处理效果都会下降。原因是:起初转速由0逐渐增加到最有转速值时,反应器内液体混合也逐渐趋于均匀,基质与转盘上附着的生物膜得到越来越充分的接触,系统处理效果逐渐增加到最高;但当转速超过该最优转速并继续增高时,液体剪力也越来越大,生物膜脱落加速,且转盘边界层越来越薄,最终基质已无时间传递到生物膜,微生物的浓度也不够了,造成了系统处理效果的降低。Lu等通过实验得到,一套4级厌氧生物转盘在容积负荷为6.3kgCODCr/m3·d的条件下运行时,转速由0升到12r/min,CODCr去除率增加;转速超过12r/min时,去除率下降。在6~24r/min的转速范围内,CODCr去除率可达较优的值:70%~78%。因此,在运行生物转盘之前,必须通过实验选择最佳的转速范围,以免达不到预期的效果或消耗不必要的能源,使整个系统在最优的条件下运行。3.3转盘浸没百分比(Ω)转盘在接触槽内废水中的浸没百分比与系统处理效果之间是一种正比的关系,浸没百分比越大,转盘单位面积负荷就越高,CODCr去除率也就越高:对于厌氧生物转盘而言,浸没百分比越小,转盘就越容易带入氧份,厌氧环境将难以控制;可是对于好氧生物转盘,若浸没面积越小,其所带入的空气越多,对曝气机的要求就会降低,能源消耗得到减少,但同时转盘单位面积负荷也会降低,基质消化效果变差。Lu等采用4级生物转盘处理实验表明,转盘浸没百分比分别为40%,70%和100%时,系统CODCr去除率分别得到64%,70%,78%。因此,对于厌氧生物转盘而言,尽量将盘片全部浸没在废水中,而对于好氧生物转盘,则需要找到盘片浸没比最大与能源消耗最小之间的交点,达到系统的最优控制。3.4水力停留时间(HRT)HRT增加,基质与生物膜的接触机会与时间也增加,能被更加充分的降解,系统的处理效果得到提高;但HRT越长,反映器的体积就需要增大很多,占地面积随之增加,投资费用急剧上升;而且HRT过长,即进水流量太低的情况下,废水得不到充分的混合,其中的可溶性物质无法及时扩散到生物膜中,因而得不到降解。Yeh等实验得到,在HRT分别为8,16h和32h时,系统CODCr去除率分别得到87%,90%,90%