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滤料运动提高往复式微珠生物过滤器效率
作者:管理员    发布于:2017-07-05 14:21:04    文字:【】【】【

  使用浮性发泡聚苯乙烯颗粒(expandedpolystyrene beads,EPS)作为生物滤料的过滤装置,效率高、成本低、运行稳定,自20世纪70年代开发以来,一直在不断改进和发展中,近年来在美国的循环水养殖系统中获得广泛应用。传统形式的微珠生物过滤器采用滴滤的形式往下喷洒在滤料层上。这种过滤形式简单可靠,但是其缺点是受到滤料层厚度的限制。一旦滤料层厚度太厚就会出现水沟现象(waterchanneling),甚至造成堵塞。Timmons等认为,在使用这种过滤方式时,其滤料层厚度必须低于55cm,导致传统微珠生物过滤器的占地面积较大,布水困难。

  往复式微珠生物过滤器(sequencingmicrobead基金项目:国家虾产业技术体系(CARS-47);农业部渔业装备与工程重点开放。反应器直径30cm,有效高度50cm;过滤器内填充EPS滤料,粒径为3mm,滤料层高度26cm,水泵驱动进水。试验温度(29±1)°C.试验过程不曝气。

  滤料直径密度滤料比表面积⑴滤料层填充滤料层高度体积注:⑴=/F,F为滤料层体积,m3;r为滤料半径平均值,mm;6为滤料孔隙率,6值测定为0.42.注:过滤器分为两腔,通过电动阀3和液位开关4进行控制,实现两腔交替进水。腔A进水时,腔B排水,腔A水位和滤料上升,腔B的水位和滤料下降,腔A的水位达到液位开关的位置时,由液位开关控制的电动阀启动,注水电动阀由向腔A注水切换到向腔B注水,同时,腔A的排水电动阀开启,腔B的排水电动阀关闭,腔B水位和滤料开始上升,腔A的水位和滤料开始下降;腔B进水时,则情况相反。Note:Theexperimentalbiofilter往复式微珠生物过滤器的结构。2试验方法构建所示循环水养殖试验系统,试验过滤器经接种驯化并稳态运行3个月后,采用人工配水(表2)为进水,分别从硝化反应效率和动力学2个方面研究滤料运动对往复式微珠生物过滤器的影响:1)过滤器运行稳定后,关闭电动阀和液位开关,检测过滤器静止状态硝化反应速率变化,之后打开电动阀和液位开关,检测过滤器往复运动状态硝化反应速率变化;2)理论推导动力学模型,分滤料层运动状态和静止状态2部分试验,分别求解参数,比较2种状态下过滤器的硝化反应动力学变化。

  表2人工配水营养盐组成营养盐质量注:人工配水根据具体试验要求稀释。

  养殖试验系统工艺流程。3分析测定方法相关水质指标测定水和废水检测分析方法。

  2结果与讨论2.1滤料层往复运动对氨氮去除效果的影响滤料层运动与静止状态氨氮去除负荷的比较关系如所示。

  滤料层运动和静止状态氨氮去除效率比较从可以看出,从滤料层停止运动的第1天到第6天,生物过滤器的氨氮去除效率缓慢下降,6d后的氨氮去除负荷由625g/(m3.d)降低到455g/(m3.d),降低了27.1%.此后恢复滤料层的往复运动,生物过滤器的的氨氮去除效率迅速上升,2d后恢复到滤料层运动停止前的水平。由此可见,滤料层的往复运动明显增加了反应器的氨氮处理效果。

  在滤料静止的状态下,滤料之间不存在相对位移,水流通过各滤料颗粒之间的间隙时,存在一定的堵塞区,这些区域实为过滤器死区。微珠生物过滤器的滤料颗粒小,数量多,各滤料颗粒之间的接触面大量存在,这些死区的存在大大降低了过滤器的实际有效比表面积。另外,静止的微粒滤料,容易留存悬浮物,使生物膜的表面附着一层悬浮物,影响生物氧化作用的进行,从而导致硝化效果的大幅度下降。所示的试验结果显示,滤料的运动有效解决了这2个问题,滤料的自身滚动避免了死区的产生,滤料颗粒相互之间的摩擦、挤压使黏附在滤料表面的污物脱落,沉降到过滤器底部。

  2.2滤料层往复运动对硝化反应动力学的影响氨氮生物硝化动力学可以用Monod方程来表示,过滤器的底物浓度和出水浓度可用下述公工式表/示。

  零级反应:半级反应:氨氮的质量浓度,mg/L;为过滤器零级反应速率常数,mg/(L.h);Aw为过滤器半级反应速率常数,mg1/2/(L1/2.h);册7为水力停留时间,h.本研究根据所示不同进水氨氮浓度条件下测试的试验数据,将硝化反应速率与氨氮浓度的平方根(S1/2)作图,结果如。利用MathCAD编程建立分段函数,应用最小二乘法原理得出:在滤料静止的状态下,进水氨氮质量浓度7.84mg/L是硝化反应动力学的一个分界点,氨氮质量浓度>7.84mg/L时,硝化反应符合零级动力学,最大反应速率rmax为0.49g/(m2.d),氨氮质量浓度<7.84mg/L时,硝化反应为半级反应。在滤料运动的状态下,硝化反应自零级向半级反应升级的分界点降低到4.66mg/L,氨氮质量浓度>4.66mg/L时,硝化反应符合零级动力学,Sax为0.99g/(m2.d),氨氮质量浓度<4.66mg/L时,硝化反应出现变化,升级为半级反应。

  据Monod方程可知,硝化反应级数越大,速率常数尤越小,硝化速率越低。因此,如何在水体氨氮浓度较低的情况下,仍保持较低的硝化反应级数,是生物硝化反应器研究领域的热点,也是难点之一。由以上结果可知,滤料运动使过滤器的硝化反应动力学产生变化,与静止状态相比,硝化反应自零级动力学向半级动力学升级的分界点显著降低,表明滤料运动使过滤器更容易保持零级硝化反应,即硝化效率更高。

  氨氮浓度对硝化反应速度的影响Fig.4Effectofammoniaconcentration硝化速率与氨氮浓度的平方根S1/2的关系Fig.5Relationshipbetweenthesquare 3讨论在循环水养殖系统中,生物滤器的高效化和小型化是重要的研究方向。提高填料的比表面积是提升过滤器硝化反应效率的有效手段,在此基础上,通过改变过滤器的运行方式提高水流的紊流程度和传质效率的研究成为热点。在生物滤器硝化反应过程中,基质和营养物向生物膜的质量传递过程是影响硝化效率的一个非常重要的制约因素,营养物的质量流量决定着生物过滤器的氨氮去除效率。同时,生物过滤器中水流的紊流状态影响着水膜的厚度,从而影响到基质从水体中传递到生物膜的阻力。因而,生物过滤器中的紊流状态对生物膜的传质过程和硝化效率有着重大影响。Stoodley等米用微电极和共焦扫描电镜方法研究了异养生物膜中局部传质系数与水流速度之间的关系,发现平均水流速度对生物膜传质的不均匀性影响极大。ZhuSongming等研究了生物膜总氨氮去除率与雷诺数之间的关系,表明水流的雷诺数对氨氮去除率有重大影响,从而证实了生物膜表面的水力状况是影响氨氮去除率的主要因素。Kugaprasatham等在柱形反应器中研究了低氨氮浓度环境下水力状况对生物膜的硝化反应影响。当改变紊流强度,并保持数天后,观测到在高紊流强度下生物膜传质增大,在低紊流强度下传质减少。Lingian等也报道了高紊流水平的生物过滤器,其硝化效率较高。

  这些研究结果显示,营养物的传质速度很大程度上取决于生物膜表面的水流速度,增大紊流可以显著提高硝化效率,为生物过滤器的设计和优化提供了重要理论依据。

  往复式微珠生物过滤器中的滤料依靠本身的浮力和水位的上升下降,使滤料层整体产生位移,同时格栅的设置使滤料和滤料之间产生相对位移,滤料运动以及水流的切割,大大改善了滤料表面的水力情况,增大了紊流强度,提高了微生物、溶解氧和营养物之间的传质效率,提高了生物膜活性和硝化反应效率。本研究在硝化反应效率和动力学2个方面对滤料运动的影响进行了试验,结果显示,滤料运动不仅提高了硝化效率,还改变了生物过滤器的硝化反应动力学特性。有研究认为,生物膜动力学反应受水体运动的影响,决定扩散率的因素,如局部化学环境和水流状况,会影响基质的供给率和梯度分布,这可能对许多使用中的生物过滤器产生间接影响。本研究的试验结果与该观点一致,证实水流状况的改变影响营养物的扩散和传播过程,使过滤器的硝化反应动力学产生变化。

  4结论在生物滤器硝化反应过程中,滤料运动显著影响过滤器的硝化反应效果,滤料运动停止后,过滤器的效率缓慢下降,6d后的氨氮去除负荷降低到原来的72.9°%.恢复滤料层运动后,生物过滤器的的氨氮去除效率迅速恢复到滤料层运动停止前的水平。

  滤料运动改变了过滤器的硝化反应动力学特性,与静止状态相比,硝化反应自零级动力学向半级动力学升级的分界点由7.84mg/L降低到4.66mg/L,显示滤料运动使过滤器更容易保持零级硝化反应,即硝化效率更高。

  3)滤料层的往复运动可以改善营养物质的传质情况和滤料表面的水流状态,提高生物膜活性,提升过滤器硝化反应效率。

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脚注信息

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