褶皱型微生物载体在污水处理中的水动力特性及应用效果

王 锐,韦 兵,朱 健,赵旭东,喻国良,*

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;2.广西泰能工程咨询有限公司,广西南宁 530000)

随着污水处理排放标准和节能减碳的日趋严格,新的处理工艺不断涌现。生物膜法由于其运行管理简单、占地面积小、出水水质好,在污水处理中得到越来越广泛的应用[1-2]。作为生物膜法中核心部分的微生物载体,经过了近20年的研究和实践,在材料[3]、空间结构[4-5]、表面性能[6-7]等方面取得了良好的进展。目前,填充在生物膜反应器内的微生物载体多为圆柱状的19孔和36孔结构,其比表面积多为400～600 m2/m3[8],均相对较低,因而给予微生物附着生长的空间较少,污水处理效果有待提升。此外,传统微生物载体常由单一材料[如高密度聚乙烯(HDPE)]构成,密度较低,多为0.95～0.96 g/cm3,且亲水能力差,应用于好氧情况能够满足要求,但在一些非曝气情况,则不能实现微生物载体的流化[9]。且材料密度偏低会导致部分微生物载体漂浮在水面,和水体接触偏少,增大挂膜难度[10]。Zhong等[11]采用改性尼龙丝代替传统膜曝气生物反应器(MABR)中的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)中空纤维膜,可降低成本,提高机械强度和亲水性,不易堵塞。然而,对于这种新结构、新材料的微生物载体在反应器中的水动力特性尚不清楚,其应用效果也待深入研究。

本研究研制了一种褶皱型大比表面积的微生物亲和性生物载体,并基于多相流耦合动态网格模型,采用Flow 3D软件对其水动力特性进行了数值模拟,着重从速度、轨迹和气含率等关键因素分析微生物载体结构对流场的影响,并对微生物载体的挂膜性能和污水处理效果进行了试验研究,为微生物载体设计提供参考依据。

1 微生物载体的制备

从水动力分析可知,微生物载体的理想密度接近于水,且略大于水,须保证其能充分地浸入水中,又能在水流作用下能够充分地流化。微生物载体的理想结构须具有最大比表面积,且亲水性好,易于微生物挂膜。因此,本研究从材料、结构两方面入手,研制新型微生物载体。

1.1 制备材料

选用丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺树脂(PA)、高密度聚乙烯(HDPE)等不同材料,利用3D打印技术制备了多种材质的传统结构微生物载体,其密度和体积如表1所示。通过对比分析可知,PA材料的耐磨性、吸湿性及耐化学品性(耐酸碱腐蚀)相比于HDPE、ABS和PC材料较好,并且成型后的密度满足制备要求,因此,设计过程中选用PA材料与HDPE材料混合,制备新型微生物载体。

表1 各材料微生物载体样品的密度和体积

1.2 结构比选

对微生物载体结构的探索在于如何增大单个微生物载体的比表面积。传统的微生物载体多为19孔和36孔,虽然64孔微生物载体具有更大的比表面积,但传统工艺制作的64孔微生物载体其直径与19孔/36孔微生物载体的直径相近,而高度减小,并且孔数增加导致孔隙减小,微生物生存的空间仍然相对有限,故在高污染物浓度的污水处理过程中64孔微生物载体反而应用较少。因此,本研究主要对如何增大36孔微生物载体的比表面积进行探索,制作如图1所示的褶皱型结构的微生物载体,相比于传统微生物载体结构,其内部各个支撑边框也做了褶皱处理。利用3D打印技术制作成型后,通过比表面积分析仪分析,褶皱型微生物载体的比表面积相对于传统结构相同孔数和材质的微生物载体提升了约5.1%。

图1 褶皱型微生物载体

1.3 制造方法

褶皱型微生物载体的大量制备仍采用注塑工艺,首先向某公司定制生产出用于制备褶皱型微生物载体的磨具,然后将PA和HDPE原材料在注塑机前部装置中按比例投料溶解,之后将定制生产的磨具与注塑机器配合使用进行微生物载体的铸型,铸型完成后进行冷却、牵引切割,形成一个个微生物载体。为使微生物载体的密度达到接近于水、略大于1 g/cm3的要求,经过反复试验和计算,最终在前部投料溶解过程中将PA和HDPE材料按质量比为1∶3进行投料溶解,制备出PA和HDPE混合材质的微生物载体。

1.4 参数对比

分别对19、36孔不同结构的微生物载体的质量、堆积密度、填料密度及比表面积进行了测试,测试的结果如表2所示。PA-HDPE型褶皱结构微生物载体相比于传统微生物载体在密度和比表面积方面均有了显著提升。

表2 不同孔数和结构的微生物载体样品的主要参数

2 水动力特性研究

2.1 物理试验

为分析褶皱型微生物载体的水动力特性,在1 L/min曝气流量下进行了单个微生物载体的曝气试验,分别观测36孔的传统微生物载体和褶皱型微生物载体的运动速度及运动轨迹,对比分析两种微生物载体的运动情况,其中传统微生物载体为HDPE材质,褶皱型微生物载体为PA-HDPE材质。试验布置如图2所示,曝气试验桶使用透明亚克力制作,高为160 mm,直径为120 mm,底部安装了直径为68 mm的曝气装置。

图2 水动力特性试验布置

试验开始时,微生物载体布置在曝气盘的中央,通过逐步增加曝气盘出气速率,使微生物载体在气流和水流的作用下产生运动。试验过程中,曝气盘的出气速率使用气流量计测量,曝气筒的边壁上附有刻度尺,便于观测和计算微生物载体的运动速度、翻滚速度和运动轨迹。使用高帧率摄影机记录曝气筒内流场的变化和微生物载体的整个运动过程。截取微生物载体从刚开始运动起15 s内的观测录像,使用Free Video将记录微生物载体运动过程的录像转换成一帧一帧的图片(24帧/s),进而捕捉载体运动过程中每12帧(0.5 s)的运动距离,获得载体的运动轨迹和运动周期,以此获得载体运动速度。

36孔传统微生物载体在1 L/min气流作用下的运动如图3所示。由图3(a)可知,36孔传统微生物载体在气射流的作用下迅速升到水面,而后一直漂浮在水面附近运动。而36孔褶皱型微生物载体在到达水面后会沿边壁向下继续移动,随后又在气射流作用下向水面方向运动,如此形成了上下交替往复的循环运动,如图3(b)所示。

图3 试验中微生物载体的运动轨迹

图4和图5分别展示了36孔传统微生物载体和褶皱型载体在相同试验条件下的运动速度和运动轨迹变化。由图4可知,传统微生物载体在上升到水面后,垂向速度几乎趋近于0,水平向速度的变化亦较小,试验表现为传统微生物载体长时间处于边壁周围,横向流化效果亦较差;而褶皱型微生物载体上升到水面后,一直处于较大幅度的循环运动状态,载体时而下沉,时而上浮,垂向和水平向流化效果较好,如图5所示。

图4 传统微生物载体速度和位移随时间的变化

图5 褶皱型微生物载体速度和位移随时间的变化

2.2 数值模拟

进一步地,基于Flow 3D软件对微生物载体的水动力特性进行数值模拟研究。采用Flow 3D中的GMO(general moving objects)流固耦合模型模拟流体和固体的相互作用。在GMO模型中,微生物载体被设置为在流场作用下做动态耦合运动,这对微生物载体的水动力特性模拟更具有准确性。为精确模拟筒体内掺气情况,采用漂移通量(Drift-Flux)模块来模拟多相流运动,设置液体密度为1 000 kg/m3,气体密度为1.225 kg/m3,设置阻力系数为0.5,平均液滴直径设置为0.000 5 m。

根据物理试验的水流、气流条件设置边界条件,如图6所示,设置底面边界为速度边界,并设置气流速度为0.212 m/s,所对应的气流流量为1 L/min;设置左面边界为速度边界,以模拟左下通道的水流进口,流速为0.006 4 m/s,对应水力停留时间(HRT)为1 h;设置右面边界为自由出流边界;设置顶面为压力边界,压强为1个大气压强,并设置流体分数为0;前后边界设置为对称边界。

图6 边界条件设置

计算域全部采用结构化正交网格,由于载体相对于筒体很小,为反映每个载体小孔中的流体运动情况,单元网格尺寸设置为0.6 mm×0.6 mm×0.6 mm,计算域总网格数为1 300余万。数值计算方法和过程相似,详见文献[12],在初始条件中,压力条件设为静水压力,水位为0.12 m,模型的表面粗糙度设置为 0.000 3 m,起始时间步长定为0.01 s,为了保证计算的稳定性,最小时间步长定为0.1 μs。对于筒体内流体的能量交换与耗散,选用 RNGk-ε模型来计算。载体选定为GMO碰撞模型,因载体为PA-HDPE材质且筒体由有机玻璃材料制成,设置碰撞恢复系数为 0.5,摩擦系数为0.3。计算得到的速度分布如图7所示、压力分布如图8所示、含气浓度分布如图9所示。

图8 压力的分布

图9 含气浓度分布

由图7可知,容器中水体在底部气射流的作用下向上流动,并推动微生物载体向上运动,同时水流碰到微生物载体后沿中线向四周运动形成三维环形流。由于本阶段模拟的网格数量巨大,耗时长,此处仅展示了0～0.6 s的数据。同样地,由图8可知,气射流的存在改变了容器内水流的初始压强,使底部压强变大,与顶部形成压强差,推动微生物载体向上运动。在Y轴方向沿模型中点做横切面,得到含气浓度二维分布(图9),气射流的存在显著增大了容器内水体的气含率,并呈向四周扩散的趋势,有利于微生物载体上的微生物与气体交换。

3 污水处理效果对比

3.1 试验装置

在对褶皱型微生物载体水动力特性研究的基础上,设计了一个模拟试验装置(图10),以开展褶皱型微生物载体的污水处理效果研究。该装置主要由曝气实验桶、气泵、水泵、循环水箱、气流量计、水流量计及高清摄像机构成。其中,曝气桶的高度为60 cm,直径为60 cm;曝气桶的底部布置一个圆形的曝气盘,其直径为18 cm;气泵与曝气盘通过软管连接,用以模拟实际曝气条件,曝气速率可以通过阀门控制在0～30 L/min;水泵用以输送污水和控制水流速度,使待处理的污水在曝气桶和循环水槽之间形成循环回路;同时利用水流量计实时监测试验装置的入流速度,利用气流量计实时监测气泵的曝气流量,利用高帧率摄像机实时记录试验装置内生物载体的运动情况。

图10 处理效果试验装置布置

3.2 运动情况

为方便观测大量微生物载体在试验装置中的运动情况,在曝气桶内装有清水,水深为40 cm,并投入体积分数为40%的微生物载体,曝气速率控制在10 L/min。俯视视角观测微生物载体的运动情况如图11所示。曝气盘产生的气泡上升到水面后,由中心位置向四周扩散,曝气气流带动水流向边壁运动,水流带动生物载体从桶体上升到水面以后继续向四周扩散,而又在水流的带动下向桶底运动,形成循环运动,并且微生物载体碰壁次数较少,流化效果较好。

图11 新型微生物载体的运动情况(试验)

利用Flow 3D软件对试验装置中微生物载体的运动情况进行模拟。模拟中桶体尺寸与试验装置尺寸相同;微生物载体和清水的相互作用采用Flow 3D中的粒子(particles)模块和质量(mass)粒子模型模拟,设置粒子密度和半径为微生物载体的密度和半径,粒子数为10 000;设置扩散系数(diffusion coefficient)为0,碰撞恢复系数为 0.5,并设定微生物载体在流场作用下做动态耦合运动;采用漂移通量模型(drift flux)模块模拟桶体内掺气情况,具体参数设置与2.2小节相同;利用表面张力(surface tension)模块,模拟水面处载体的水动力特性,设置表面张力系数为0.073 kg/s2,接触角为90°,并选择基于压力的显式求解模式对桶体内流体的能量交换与耗散,选用 RNGk-ε模型来计算。根据物理试验的水流、气流条件设置边界条件,设置底面边界为流量边界,气流流量为0.000 166 7 m3/s;设置左面边界为流量边界,以模拟左下通道的水流进口,水流流量为0.000 046 8 m3/s,对应HRT为10 h;设置右面及顶面边界为压力边界,压强为1个大气压强,并设置流体分数为0;前后边界设置为对称边界。计算域全部采用结构化正交网格,单元网格尺寸设置为12 mm×12 mm×12 mm,计算域总网格数为35万。试验装置中微生物载体运动情况的模拟结果如图12所示。试验装置稳定运行27 s后,曝气桶的流线和微生物载体的分布均匀,微生物载体在掺气水流作用下从底部快速到达水面,随后向四周扩散,并沿桶壁向下运动,形成循环运动,数值模拟的结果与物理试验的观测结果一致。

图12 褶皱型微生物载体的运动情况(数值模拟)(27.001 s)

3.3 挂膜性能

采用人工接种的方法进行生物膜培养,将预培养的活性污泥加入试验反应器中。首先,培养液中CODCr控制在300 mg/L左右,按CODCr∶N∶P=100∶5∶1添加15 mg/L氮盐(NH4NO3)和3 mg/L磷盐(KH2PO4),持续曝气24 h后,移除上层清液,加入等量的新鲜培养液后再继续曝气24 h;然后,使用试验装置开始连续试验,起初进水速率设置为6 L/min,每3 d增加2 L/min,到第6 d后进水速率达到10 L/min,之后并保持进水速率不变。在此期间,连续测定进水和出水的CODCr和氨氮,生物膜培养过程中CODCr和氨氮的去除率如图13所示。褶皱型微生物载体的成膜速度较快,反应器运行14 d后,CODCr和氨氮的去除率稳定在80%～90%。抗冲击性能良好,每次提高进水率后,反应器受到的冲击较小,可在短时间内恢复。

图13 生物膜培养过程中CODCr和氨氮的去除率

以氨氮的填料负荷为重要指标评价微生物载体的挂膜性能。氨氮的填料负荷是指单位体积的微生物载体在单位时间内接纳的氨氮污染物含量,其计算方法如式(1)。

(1)

其中:Ns——氨氮填料负荷,g/(m2·d);

Q——出水量,m3/d;

S1——进水中氨氮质量浓度,mg/L;

S2——出水中氨氮质量浓度,mg/L;

n——微生物载体的体积,m3;

s——微生物载体的比表面积,m2/m3。

褶皱型微生物载体与传统微生物载体生物膜培养过程中氨氮的填料负荷如图14所示。褶皱型微生物载体的氨氮填料负荷从生物膜培养第1 d起逐步增大,第8 d后氨氮填料负荷逐渐趋于稳定,并在随后几天保持在0.4～0.5 g 氨氮/(m2·d)。传统微生物载体的氨氮填料负荷从生物膜培养第1 d起也在逐步增大,在第5 d出现较大波动,直到第11 d才趋于稳定,保持在0.41～0.46 g/(m2·d)。试验结果表明,PA-HDPE材料制备成的褶皱型微生物载体的挂膜速度优于HDPE材料的传统微生物载体,并且稳定后褶皱型微生物载体的氨氮填料负荷略高。

图14 生物膜培养过程中氨氮填料负荷的变化

3.4 去除效果

待试验设备运行稳定后,曝气速率为10 L/min情况下,HRT分别控制在2～6 h连续运行 25 d后测得的CODCr和氨氮去除效果如图15所示。在相同的工作条件下,将褶皱型微生物载体与传统微生物载体的处理效果进行比较发现,HRT为4 h时,褶皱型微生物载体的平均CODCr去除率达到87.75%,对氨氮平均去除率达到95.00%;HRT为5 h时,传统微生物载体对CODCr和氨氮的平均去除率最高达到86.00%和85.62%。显然,褶皱型微生物载体对CODCr和氨氮的处理能力比传统微生物载体强。

图15 褶皱型微生物载体和传统微生物载体对CODCr和氨氮去除效率对比

4 结论

本文研制了一种可用于移动床生物膜处理方法的褶皱型微生物亲和性生物载体,并对其水动力特性及在污水处理中的应用效果进行了对比研究。主要研究结论如下。

(1)采用褶皱型圆柱体结构、PA-HDPE混合材质的褶皱型微生物载体相较于常规的HDPE材料生物载体具有更大的比表面积和更大的密度。

(2)在相同曝气条件(10 L/min)下,添加褶皱型微生物载体的反应器具有更好的充氧能力。

(3)新型微生物载体对CODCr的平均去除率达87.75%,对氨氮的平均去除率达95.00%,褶皱型微生物载体对CODCr和氨氮的处理能力比传统微生物载体强。