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反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性

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金秋, 陈昊, 崔敏华, 张衍, 郑志永, 刘和. 反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
引用本文: 金秋, 陈昊, 崔敏华, 张衍, 郑志永, 刘和. 反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
shu
JIN Qiu, CHEN Hao, CUI Minhua, ZHANG Yan, ZHENG Zhiyong, LIU He. Optimization of backwashing cycle and hydraulic characteristics of denitrifying biofilter[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
Citation: JIN Qiu, CHEN Hao, CUI Minhua, ZHANG Yan, ZHENG Zhiyong, LIU He. Optimization of backwashing cycle and hydraulic characteristics of denitrifying biofilter[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
shu

反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性

  • 1.

    江南大学环境与土木学院，无锡 214122

  • 2.

    江苏省厌氧生物技术重点实验室，无锡 214122

  • 3.

    江苏省水处理技术与材料协同创新中心，苏州 215009

  • 基金项目:

    江苏省太湖水环境综合治理科研课题资助项目TH2016201

    江苏省自然科学基金资助项目BK20180633江苏省太湖水环境综合治理科研课题资助项目(TH2016201)

    江苏省自然科学基金资助项目(BK20180633)

Optimization of backwashing cycle and hydraulic characteristics of denitrifying biofilter

  • 1.

    School of Environmental and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

  • 2.

    Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Wuxi 214122, China

  • 3.

    Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou 215009, China

  • Fund Project:

摘要

  • 摘要: 为探究反硝化生物滤池(DNBF)的最适运行参数和反冲洗周期，分别以石英砂和火山岩构建起2套DNBF，优化了水力停留时间(HRT)和碳氮比(C/N)；通过滤池的处理效果、停留时间分布(RTD)分析和水力模型拟合确定了最佳的反冲洗周期。结果表明：在DNBF稳定运行后，2种填料的滤池处理效果相近，当HRT和C/N分别为2 h和4∶1时，出水的化学需氧量(COD)和总氮(TN)分别是(28.3±1.2) mg·L-1和(2.5±0.3) mg·L-1，此时碳源利用率较高；由脱氮性能和RTD分析得出的最佳反冲洗周期为1 d，出水COD和TN可分别达到(17.9±1.4) mg·L-1和(1.8±0.2) mg·L-1；当反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅度下降，RTD曲线出峰从1θ (标准化时间)提前到0.5θ处、1.25θ和1.5θ处出现沟流现象，滤池中的流态趋向于混流式的多釜串联模型。通过RTD实验揭示不同反冲洗工况下DNBF内部水力特性的变化，可用于优化滤池的反冲洗周期。
    Abstract: To explore the optimal operating parameters and backwashing cycle of denitrifying biofilters (DNBFs), two DNBFs were constructed with quartz sand and volcanic rock served as their respective filter material. Hydraulic retention time (HRT) and carbon/nitrogen ratio (C/N) of DNBFs were optimized. Then the optimal backwashing cycle was determined by the treatment effect, residence time distribution (RTD) and hydraulic model fitting. The results showed that two DNBFs had the similar performances after their stable operation. At 2 h HRT and 4:1 C/N ratio, chemical oxygen demand (COD) and total nitrogen (TN) of the effluent were (28.3±1.2) mg·L-1 and (2.5±0.3) mg·L-1, respectively, and a good carbon source utilization efficiency for denitrification was achieved. Through nitrogen removal performance and RTD analysis, the optimal backwashing period was determined as 1 d, then COD and TN concentrations in the DNBFs effluent reached (17.9±1.4) mg·L-1 and (1.8±0.2) mg·L-1, respectively. When the backwashing cycle was extended, the effluent COD concentration increased and the denitrification performance deteriorated. The time for peak appearance of the RTD curve moved forward from 1θ (normalized time) to 0.5θ, the channeling phenomena occurred at 1.25θ and 1.5θ, and the flow regime in the DNBF approached a mixed-flow multi-tank series model. The study indicated that the RTD experiment could reveal the change of internal hydraulic characteristics of DNBFs under different backwashing conditions, which can be used to optimize the backwashing cycle of the filter.

    • 摘要

      为探究反硝化生物滤池(DNBF)的最适运行参数和反冲洗周期，分别以石英砂和火山岩构建起2套DNBF，优化了水力停留时间(HRT)和碳氮比(C/N)；通过滤池的处理效果、停留时间分布(RTD)分析和水力模型拟合确定了最佳的反冲洗周期。结果表明：在DNBF稳定运行后，2种填料的滤池处理效果相近，当HRT和C/N分别为2 h和4∶1时，出水的化学需氧量(COD)和总氮(TN)分别是(28.3±1.2) mg·L-1和(2.5±0.3) mg·L-1，此时碳源利用率较高；由脱氮性能和RTD分析得出的最佳反冲洗周期为1 d，出水COD和TN可分别达到(17.9±1.4) mg·L-1和(1.8±0.2) mg·L-1；当反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅度下降，RTD曲线出峰从1θ (标准化时间)提前到0.5θ处、1.25θ和1.5θ处出现沟流现象，滤池中的流态趋向于混流式的多釜串联模型。通过RTD实验揭示不同反冲洗工况下DNBF内部水力特性的变化，可用于优化滤池的反冲洗周期。

      Abstract

      To explore the optimal operating parameters and backwashing cycle of denitrifying biofilters (DNBFs), two DNBFs were constructed with quartz sand and volcanic rock served as their respective filter material. Hydraulic retention time (HRT) and carbon/nitrogen ratio (C/N) of DNBFs were optimized. Then the optimal backwashing cycle was determined by the treatment effect, residence time distribution (RTD) and hydraulic model fitting. The results showed that two DNBFs had the similar performances after their stable operation. At 2 h HRT and 4:1 C/N ratio, chemical oxygen demand (COD) and total nitrogen (TN) of the effluent were (28.3±1.2) mg·L-1 and (2.5±0.3) mg·L-1, respectively, and a good carbon source utilization efficiency for denitrification was achieved. Through nitrogen removal performance and RTD analysis, the optimal backwashing period was determined as 1 d, then COD and TN concentrations in the DNBFs effluent reached (17.9±1.4) mg·L-1 and (1.8±0.2) mg·L-1, respectively. When the backwashing cycle was extended, the effluent COD concentration increased and the denitrification performance deteriorated. The time for peak appearance of the RTD curve moved forward from 1θ (normalized time) to 0.5θ, the channeling phenomena occurred at 1.25θ and 1.5θ, and the flow regime in the DNBF approached a mixed-flow multi-tank series model. The study indicated that the RTD experiment could reveal the change of internal hydraulic characteristics of DNBFs under different backwashing conditions, which can be used to optimize the backwashing cycle of the filter.

      近年来，污水处理领域的焦点逐渐从有机物的高效降解，转向氮磷营养元素的深度去除。过量的氮磷元素排放进入水体，极易形成水华等环境问题[1]。因此，国家和地方政府逐渐提高污水的排放标准，减少氮磷污染物的排放量。相对而言，废水中的磷可以通过化学手段实现高效去除，而深度脱氮是制约污水提标的主要瓶颈[2]。传统污水处理工艺对氮的去除效率不高，造成出水中氮含量偏高[3]。后置反硝化滤池是一种有效的二级出水深度处理工艺，其具有占地面积小、出水水质好的特点，同时不影响前序工艺，可以降低改造成本[4]。由于其具有较好的脱氮效果，已成为污水深度处理领域研究和应用的热点技术[5,6]。

      反硝化生物滤池(DNBF)在运行过程中，进水中所含的生物絮体、悬浮固体以及填料表面过度生长的生物膜都可能会引起滤料层的堵塞，影响滤池的处理效果，因此，需要对滤池进行反冲洗以恢复其正常的净水功能[7]。反冲洗是控制生物膜厚度，防止滤池堵塞必不可少的环节。反冲洗周期作为生物滤池的重要运行参数，对于DNBF的工程应用具有重要意义[8]。目前，关于DNBF反冲洗过程的研究大多集中在反冲洗前后出水水质指标或者生物膜特性的变化上。LIU等[8]通过在线监测出水浊度的变化来实时优化和控制滤池的反冲洗周期；周晓黎等[9]通过对反冲洗前后生物膜特征的研究，发现反冲洗能大幅提高生物膜脱氢酶活性从而提高反应器的处理效果。

      反冲洗周期过长，滤池形成堵塞，池体内的流态会发生变化，并且大多数反应器的处理效果都与其内部的流体力学特性相关[10]。停留时间分布(RTD)实验可以依据流出反应器的示踪剂浓度和时间的关系分析反应器内部的水力流态，是一种有效的原位解析反应器内部水力流动特征的技术[11]。目前，通过出水基本参数优化反冲洗程序的研究已较为成熟[12]，而通过RTD实验反映不同反冲洗工况的水力特性的研究较少。因此，RTD实验可作为一种优化滤池的反冲洗周期的研究手段，揭示不同反冲洗周期工况下，DNBF内部水力特性的变化。基于此，本研究对反硝化生物滤池的基本参数(HRT和C/N)进行优化，通过不同反冲洗周期下DNBF的处理效果、RTD特性曲线分析、不同水力模型拟合与的RTD实验数据的相关性来确定和优化DNBF的反冲洗周期。

    • 1 材料与方法

    • 1.1 实验装置

      实验使用的DNBF为有机玻璃材质，圆柱形筒体(内尺寸为φ50 mm×650 mm)，如图1所示，自下而上分别为配水层、承托层、填料层、自由水层和超高层，高度分别为50、50、400、100和50 mm，DNBF的有效容积为0.98 L。填料采用石英砂和火山岩填料，填充率分别为65%和60%，经过筛选后的当量直径均为2~4 mm。滤池采用上向流的形式，底部设有进水口及反冲洗布水管，原水通过蠕动泵从进水管流入，经过滤料，从上部溢流口排出。同时，反冲洗水也从滤池底部进入，从滤池上部出水口排出。

      图1 实验装置示意图

      图1 实验装置示意图

      Fig. 1 Schematic diagram of experimental set-up

    • 1.2 实验用水和分析方法

      实验用水采用人工配制废水，碳源和总氮分别由无水乙酸钠(CH3COONa)和硝酸钾(KNO3)提供，并添加0.4 g·L-1的氯化钾(KCl)。矿物质和维生素溶液采用WOLF配方[9]，各按1 mL·L-1的比例添加。进水pH控制在7.0左右，NO3--N控制在20 mg·L-1左右，进水碳源浓度随着实验需求而改变。实验在恒温室中进行，温度保持在(25±2) ℃。

      实验过程中检测的水质指标有COD、TN、硝酸氮(NO3--N)、亚硝酸氮(NO2--N)，COD采用重铬酸钾法，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，NO3--N和NO2--N分别采用紫外分光光度法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法[13]。RTD实验中的示踪剂采用锂离子(Li+)，其具有吸附性小、干扰少、测量精度高的特点[14]，可作为RTD实验中一种良好的示踪剂。Li+浓度采用电感耦合等离子发射光谱法[13](ICP)测定。

    • 1.3 实验方案

      首先是石英砂和火山岩填料的DNBF挂膜启动。接种污泥取自无锡市硕放污水处理厂的缺氧池，按上向流方式用蠕动泵将接种污泥和生活废水混合后接入反应器内，培养2 d后排空。从第3天起开始连续进水运行反应器并监测进出水指标，控制进水条件为COD (121.4±2.1) mg·L-1、NO3--N (20.3± 0.6) mg·L-1、HRT为4 h。稳定运行14 d后，N的去除率稳定达到90%以上，认为挂膜成功。

      接着分别在水力停留时间(HRT)为4、3、2和1 h的条件下，比较DNBF的脱氮效果，确定最优HRT；设置C/N分别为6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2.5∶1，比较反应器的TN去除效果，确定最适C/N。

      最后是对反冲洗周期的优化。分别在不同反冲洗周期(1、2和3 d)下运行稳定3个周期后，在应该进行第4次反冲洗时不对滤池进行反洗操作，此时向反应器入口注入4 mL的示踪剂Li+溶液(浓度约为 1 000 mg·L-1)，运行2.5个HRT，每隔0.25 HRT在出口处取样。通过ICP监测出口样品中的Li+浓度，绘制E-θ曲线(标准化浓度-时间曲线)。另外在滤池刚清洗完成时进行一组RTD实验。最后分别以常用的2种非理想流动模型(多釜串联模型和轴向扩散模型)计算并拟合，分析拟合曲线的特点及不同反冲洗周期下的E-θ曲线和模型的拟合度。

    • 2 结果与讨论

    • 2.1 反硝化生物滤池参数的优化

      挂膜完成后，同时运行石英砂和火山岩2种不同填料的DNBF，保证碳源充足的条件下(C/N=6∶1)，考察不同HRT下反硝化生物滤池出水指标的变化情况，实验结果如图2所示。挂膜稳定后，当HRT为4 h时，反应器出水TN基本能稳定在0.6 mg·L-1以下，去除率大于97%。随着HRT的缩短，出水TN和COD呈现持续升高的趋势。当HRT缩短至3、2和1 h时，出水TN分别为(1.8±0.2)、(2.3±0.2)和(4.2± 0.3) mg·L-1。缩短HRT导致DNBF中滤速过高，水中TN与反硝化微生物接触不够充分；同时较大的水流紊动剪切作用易造成滤料上生物膜大量脱落[15]，导致出水TN变高，出水水质变差。当HRT为1 h时，出水TN接近于5 mg·L-1，出水COD最高也稳定在35 mg·L-1以下。由于较低的HRT有利于经济性的保证，又要使得出水稳定低于5 mg·L-1，因此，综合经济性和反硝化生物滤池的出水指标，最终确定HRT为2 h，此时，出水TN能稳定在3 mg·L-1以下，COD稳定在30 mg·L-1以下。同时，由2种填料的出水总氮的指标对比，二者脱氮效果相似。

      图2 不同HRT下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      图2 不同HRT下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      Fig. 2 Variations of NO3--N, NO2--N, TN and COD under different HRTs

      在前期确定的2 h HRT下，比较不同C/N条件对DNBF运行效能的影响。图3是不同C/N下DNBF的进出水水质指标。当C/N从6∶1降低到2.5∶1时，2种填料滤池的出水COD都能稳定在30 mg·L-1以下。但是，出水NO2--N和TN呈现上升的趋势，图中每个C/N下的出水TN分别为(1.3±0.3)、(2.3±0.2)、(2.5±0.3)、(4.9±0.2)和(8.9±0.3) mg·L-1。当C/N从6∶1降低到4∶1时，出水TN平缓上升，当C/N继续降低到3∶1和2.5∶1时，TN去除效果骤降，这是由于反硝化细菌缺乏足够的电子供体驱动反硝化反应[16]，这与宋慧敏等[17]研究结果一致。此时出水中NO2--N有所积累，这是由于当碳源不足时，乙酸钠直接在代谢时被反硝化细菌转化为乙酰辅酶A进入TCA循环，而未能形成中间还原力NADH2，导致NO2--N的积累[18,19]。水体中累积高浓度NO2--N将会对人体健康造成很严重的危害，所以要控制出水中的NO2--N浓度在较低的范围。对于本实验水质条件，在满足出水TN低于5 mg·L-1的前提下，选择较低的C/N来减小实际工程运行成本，因此，确定C/N为4∶1，此时，出水COD在(28.0±1.2) mg·L-1。

      图3 不同C/N下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      图3 不同C/N下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      Fig. 3 Variations of NO3--N, NO2--N, TN and COD under different C/N ratios

      图4对进水C/N与DNBF实际消耗C/N作了比较，当进水C/N为6∶1和5∶1时，2种填料滤池进水所提供的碳源充足，实际消耗C/N小于进水的C/N (P<0.05)。此时，部分碳源未被反硝化过程利用，碳源利用率不高。当C/N为2.5∶1时，进水提供电子供体不足，实际消耗C/N高于进水C/N (P<0.05)，表明提供的有机物不足以维持微生物进行反硝化反应[18]，影响脱氮效果以及生物膜的稳定。当C/N为4∶1和3∶1时，进水所提供的C/N与实际消耗C/N基本相当，DNBF的碳源利用率较高。结合之前的脱氮效果，在满足出水TN低于5 mg·L-1的情况下，确定C/N为4∶1是较为合适的运行参数。2种填料滤池的处理效果相近，由于石英砂在工程上应用广泛且成本略低于火山岩，因此，在未来工程应用中可优先考虑使用石英砂填料。

      图4 进水C/N与实际消耗C/N对比

      图4 进水C/N与实际消耗C/N对比

      Fig. 4 Comparison of theoretical carbon to nitrogen ratio and actual consumption of carbon to nitrogen ratio

    • 2.2 反冲洗周期对DNBF处理效果的影响

      图5是滤池分别在1、2和3 d未进行反冲洗后COD、TN、NO3--N和NO2--N变化。从图5中可知，随着反冲洗间隔时间的延长，出水污染物浓度呈现上升趋势。反冲洗周期为1 d时，石英砂和火山岩填料滤池出水的TN分别是(1.8±0.2) mg·L-1和(2.0±0.1) mg·L-1。反冲洗周期为2 d时，石英砂填料滤池的出水TN浓度提高了约2.8倍，已不能满足出水TN≤5 mg·L-1。火山岩填料的滤池在反冲洗周期为2 d时，出水指标升高了约1.1倍，但当反冲洗周期为3 d时，出水TN比反冲洗周期为1 d时提高了2.6倍。当反冲洗周期为2 d时，2种填料的滤池中NO2--N也开始出现了一定程度的积累。这表明，滤池长时间不经过反冲洗，脱氮能力大大下降并开始积累有害的NO2--N。

      图5 不同反冲洗周期下DNBF的COD和NO3--N、NO2--N、TN的变化

      图5 不同反冲洗周期下DNBF的COD和NO3--N、NO2--N、TN的变化

      Fig. 5 Variations of COD and NO3-N, NO2-N, TN of DNBFs under different backwashing cycles

    • 2.3 不同反冲洗周期下DNBF的RTD特性曲线分析

      将RTD实验下的取样时间和ICP测得的相对应的示踪剂浓度依据公式[20](见式(1)和式(2))作归一化，最终得到标准化时间θ和标准化浓度E(θ)，绘制出不同反冲洗周期下2种填料的DNBF的RTD特性曲线(如图6所示)。

      E(θ)=CtC0
      (1)
      θ=ttHRT
      (2)
      图6 不同反冲洗周期下2种填料的DNBF的RTD特性

      图6 不同反冲洗周期下2种填料的DNBF的RTD特性

      Fig. 6 RTD characteristics of two DNBFs under different backwashing cycles

      式中：C0为示踪剂总投加量/反应器体积，mg·L-1；Ct为t时刻反应器出水中示踪剂的浓度，mg·L-1；t为示踪剂流出反应器的时间，h；E(θ)为标准化浓度；θ为标准化时间；tHRT为水力停留时间，h。

      由RTD曲线知，刚刚反冲洗后和反冲洗周期为1 d时，2种填料滤池的RTD曲线均基本呈单峰对称，这和理想流态的RTD图形是相似的[21]。随着反冲洗周期的增加，RTD曲线总体呈现出单峰且不对称，即正偏态。起初E(θ)值迅速增加，并于0.5θ附近时达到顶峰，而后缓慢减小，到2.5θ时基本趋于0。RTD出峰随着反冲洗后时间间隔的增加而提前，2 d和3 d时出峰已从1θ提前至0.5θ处，说明滤池内出现短流[22]，可能是生物膜生长造成了填料之间空隙的堵塞，滤池填料层内出现水力死区，可供水流通过的路径减少并且变短，致使停留时间发生变化，形成了所谓的短流[23]。在反冲洗周期为2 d和3 d均出现多次的沟流，如石英砂填料曲线中1.25θ处和火山岩填料的1.25θ和1.5θ。推测是未反冲洗的滤料区出现厚度较大的生物膜或者未被洗脱出去的气泡，阻碍了流体的正常流动，流体打开了一条阻力很小的通道，形成沟流[22]。为保证滤池运行的最佳状态，应在出峰提前和沟流形成的现象出现之前进行反冲洗，因此，2种填料滤池的最佳反冲洗周期应控制在1 d，这和WEI等[24]研究中反冲洗周期为1 d时，出水水质稳定的结论相符。但这个结果小于FENG等[25]确定的72 h的反冲洗周期，原因可能是他们选择的填料为沸石，和本研究中的石英砂和火山岩填料有所不同，且HRT为3 h，滤池容积负荷较小，因此，确定的反冲洗周期较大。

    • 2.4 RTD曲线与不同水力模型的拟合

      多釜串联模型和轴向扩散模型是用来研究流体流动特性的两种理想模型[26]。多釜串联模型是将实际反应器分成N个大小相同的反应器，其总容积等于实际反应器的容积，用来描述非理想流态的单参数模型，唯一参数是假设完全混流反应单元的串联级数N[27]；轴向扩散模型是对理想模型的一种修正，适用于返混程度不大的流态[27]。其中Pe (Peclet准数)是这个模型唯一的参数，表明对流传递速率和扩散传递速率的相对大小。2种基本模型的拟合公式[26]如式(3)和式(4)所示。

      多釜串联模型：

      E(θ)=NN(N-1)!θN-1e-Nθ
      (3)

      轴向扩散模型：

      E(θ)=12π1Peθe-1-θ24θ1Pe
      (4)

      式中：N为串联级数；e为指数常数；Pe为Peclet准数。

      拟合模型中各项参数由公式[26](式(5)~式(9))计算。

      N=1σ2
      (5)
      σ2=σt2(t¯)2
      (6)
      σt2=∑0∞t2C(t)∑0∞C(t)-(t¯)2
      (7)
      t¯=∑0∞tC(t)∑0∞C(t)
      (8)
      σ2=21Pe+31Pe2
      (9)

      式中：σ2为停留时间分布的散度(方差)；σt2为标准化方差；t¯为平均停留时间，h。

      依据式(3)~式(9)计算所得不同填料不同反冲洗周期下的模型主要参数的值如表1所示，代入到公式中得到16条曲线，将它们分别与实验所得RTD数据拟合，得到如图7所示的拟合图形。同时，计算了不同反冲洗周期下的RTD与模型的拟合度，结果如表2所示。

      图7 不同反冲洗周期下的RTD实验值与模型的拟合曲线

      图7 不同反冲洗周期下的RTD实验值与模型的拟合曲线

      Fig. 7 Fitting curves of RTD experimental values and models under different backwashing cycles

      表1 不同填料不同反冲洗周期下拟合模型的主要参数

      Table 1 Main parameters of fitting model under different backwashing cycles of DNBFs with different fillers

      反冲洗周期填料方差σ2标准化方差σt2串联级数NPeclet准数Pe
      刚反冲洗后石英砂0.1780.9015.71212.812
      火山岩0.1720.9025.82113.027
      1 d石英砂0.1890.8735.28911.893
      火山岩0.1820.8425.51413.421
      2 d石英砂0.3411.1142.9107.143
      火山岩0.2781.1333.5318.298
      3 d石英砂0.3821.1892.6206.510
      火山岩0.3411.0782.8957.078

      表2 不同反冲洗周期下的RTD与模型的拟合度

      Table 2 Goodness of model fit for RTDs under different backwashing cycles

      填料拟合模型拟合度R2
      刚反冲洗后1 d2 d3 d
      石英砂多釜串联模型0.3810.6420.9230.830
      轴向扩散模型0.6290.6530.3500.050
      火山岩多釜串联模型0.3780.6820.9370.849
      轴向扩散模型0.6590.6940.5000.205

      由图7和表2可知，2种填料滤池的流态拟合结果相似，石英砂和火山岩填料的不同并没有影响反应器中的流态。当滤池刚反冲洗后和反冲洗周期为1 d时，2种填料滤池的流态趋向于轴向扩散模型。随着反冲洗周期的增加，填料区出现堵塞，反应器中的流态发生变化，RTD与多釜串联模型的拟合度迅速升高，最高拟合度已大于0.937，表明反应器中的流态趋向于多釜串联模型。由流体模型的特性可知，滤池中水体的流动从运行初期的推流为主转变为2 d和3 d的混流为主。可能是由于滤池随着脱氮的进行，附着在填料上的生物膜变厚，堵塞了部分水流通路，导致滤池中水流通路变少，水流通过填料区可能会绕动前行，形成返混，因此，流动模型趋向于混流式的多釜串联模型。

      拟合结果表示，2种填料的DNBF在反冲洗后2 d时流态转变为多釜串联模型，需要在流动模型变更前进行反冲洗操作，以确保滤池中流态的稳定性，由此确定最佳反冲洗周期为1 d。

    • 3 结论

      1) 反硝化生物滤池在稳定运行14 d后挂膜完成。稳定运行后，石英砂和火山岩2种填料的滤池处理效果相近，基于石英砂填料成本略低于火山岩，在未来工程应用中可优先考虑使用石英砂填料。

      2) 在本研究的实验条件下，确定了最适的HRT和C/N分别为2 h和4∶1，此时，碳源利用率最高，出水COD和TN分别为(28±1.2) mg·L-1和(2.5±0.3) mg·L-1。

      3) 反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅下降； RTD曲线出峰从1θ提前到0.5θ处，同时在1.25θ和1.5θ处出现沟流；滤池中的流态由轴向扩散模型向多釜串联模型趋近，由此进一步优化了DNBF的反冲洗周期为1 d，此时，出水COD和TN可分别达到(17.9±1.4) mg·L-1和(1.8±0.2) mg·L-1。

    • 参 考 文 献

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出版历程
  • 刊出日期:  2019-06-18
金秋, 陈昊, 崔敏华, 张衍, 郑志永, 刘和. 反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
引用本文: 金秋, 陈昊, 崔敏华, 张衍, 郑志永, 刘和. 反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性[J]. 环境工程学报, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
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JIN Qiu, CHEN Hao, CUI Minhua, ZHANG Yan, ZHENG Zhiyong, LIU He. Optimization of backwashing cycle and hydraulic characteristics of denitrifying biofilter[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
Citation: JIN Qiu, CHEN Hao, CUI Minhua, ZHANG Yan, ZHENG Zhiyong, LIU He. Optimization of backwashing cycle and hydraulic characteristics of denitrifying biofilter[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(6): 1425-1434. doi: 10.12030/j.cjee.201810175
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反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性

  • 1. 江南大学环境与土木学院，无锡 214122
  • 2. 江苏省厌氧生物技术重点实验室，无锡 214122
  • 3. 江苏省水处理技术与材料协同创新中心，苏州 215009
基金项目:

江苏省太湖水环境综合治理科研课题资助项目TH2016201

江苏省自然科学基金资助项目BK20180633江苏省太湖水环境综合治理科研课题资助项目(TH2016201)

江苏省自然科学基金资助项目(BK20180633)

摘要: 为探究反硝化生物滤池(DNBF)的最适运行参数和反冲洗周期，分别以石英砂和火山岩构建起2套DNBF，优化了水力停留时间(HRT)和碳氮比(C/N)；通过滤池的处理效果、停留时间分布(RTD)分析和水力模型拟合确定了最佳的反冲洗周期。结果表明：在DNBF稳定运行后，2种填料的滤池处理效果相近，当HRT和C/N分别为2 h和4∶1时，出水的化学需氧量(COD)和总氮(TN)分别是(28.3±1.2) mg·L-1和(2.5±0.3) mg·L-1，此时碳源利用率较高；由脱氮性能和RTD分析得出的最佳反冲洗周期为1 d，出水COD和TN可分别达到(17.9±1.4) mg·L-1和(1.8±0.2) mg·L-1；当反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅度下降，RTD曲线出峰从1θ (标准化时间)提前到0.5θ处、1.25θ和1.5θ处出现沟流现象，滤池中的流态趋向于混流式的多釜串联模型。通过RTD实验揭示不同反冲洗工况下DNBF内部水力特性的变化，可用于优化滤池的反冲洗周期。

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      摘要

      为探究反硝化生物滤池(DNBF)的最适运行参数和反冲洗周期，分别以石英砂和火山岩构建起2套DNBF，优化了水力停留时间(HRT)和碳氮比(C/N)；通过滤池的处理效果、停留时间分布(RTD)分析和水力模型拟合确定了最佳的反冲洗周期。结果表明：在DNBF稳定运行后，2种填料的滤池处理效果相近，当HRT和C/N分别为2 h和4∶1时，出水的化学需氧量(COD)和总氮(TN)分别是(28.3±1.2) mg·L-1和(2.5±0.3) mg·L-1，此时碳源利用率较高；由脱氮性能和RTD分析得出的最佳反冲洗周期为1 d，出水COD和TN可分别达到(17.9±1.4) mg·L-1和(1.8±0.2) mg·L-1；当反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅度下降，RTD曲线出峰从1θ (标准化时间)提前到0.5θ处、1.25θ和1.5θ处出现沟流现象，滤池中的流态趋向于混流式的多釜串联模型。通过RTD实验揭示不同反冲洗工况下DNBF内部水力特性的变化，可用于优化滤池的反冲洗周期。

      Abstract

      To explore the optimal operating parameters and backwashing cycle of denitrifying biofilters (DNBFs), two DNBFs were constructed with quartz sand and volcanic rock served as their respective filter material. Hydraulic retention time (HRT) and carbon/nitrogen ratio (C/N) of DNBFs were optimized. Then the optimal backwashing cycle was determined by the treatment effect, residence time distribution (RTD) and hydraulic model fitting. The results showed that two DNBFs had the similar performances after their stable operation. At 2 h HRT and 4:1 C/N ratio, chemical oxygen demand (COD) and total nitrogen (TN) of the effluent were (28.3±1.2) mg·L-1 and (2.5±0.3) mg·L-1, respectively, and a good carbon source utilization efficiency for denitrification was achieved. Through nitrogen removal performance and RTD analysis, the optimal backwashing period was determined as 1 d, then COD and TN concentrations in the DNBFs effluent reached (17.9±1.4) mg·L-1 and (1.8±0.2) mg·L-1, respectively. When the backwashing cycle was extended, the effluent COD concentration increased and the denitrification performance deteriorated. The time for peak appearance of the RTD curve moved forward from 1θ (normalized time) to 0.5θ, the channeling phenomena occurred at 1.25θ and 1.5θ, and the flow regime in the DNBF approached a mixed-flow multi-tank series model. The study indicated that the RTD experiment could reveal the change of internal hydraulic characteristics of DNBFs under different backwashing conditions, which can be used to optimize the backwashing cycle of the filter.

      近年来，污水处理领域的焦点逐渐从有机物的高效降解，转向氮磷营养元素的深度去除。过量的氮磷元素排放进入水体，极易形成水华等环境问题[1]。因此，国家和地方政府逐渐提高污水的排放标准，减少氮磷污染物的排放量。相对而言，废水中的磷可以通过化学手段实现高效去除，而深度脱氮是制约污水提标的主要瓶颈[2]。传统污水处理工艺对氮的去除效率不高，造成出水中氮含量偏高[3]。后置反硝化滤池是一种有效的二级出水深度处理工艺，其具有占地面积小、出水水质好的特点，同时不影响前序工艺，可以降低改造成本[4]。由于其具有较好的脱氮效果，已成为污水深度处理领域研究和应用的热点技术[5,6]。

      反硝化生物滤池(DNBF)在运行过程中，进水中所含的生物絮体、悬浮固体以及填料表面过度生长的生物膜都可能会引起滤料层的堵塞，影响滤池的处理效果，因此，需要对滤池进行反冲洗以恢复其正常的净水功能[7]。反冲洗是控制生物膜厚度，防止滤池堵塞必不可少的环节。反冲洗周期作为生物滤池的重要运行参数，对于DNBF的工程应用具有重要意义[8]。目前，关于DNBF反冲洗过程的研究大多集中在反冲洗前后出水水质指标或者生物膜特性的变化上。LIU等[8]通过在线监测出水浊度的变化来实时优化和控制滤池的反冲洗周期；周晓黎等[9]通过对反冲洗前后生物膜特征的研究，发现反冲洗能大幅提高生物膜脱氢酶活性从而提高反应器的处理效果。

      反冲洗周期过长，滤池形成堵塞，池体内的流态会发生变化，并且大多数反应器的处理效果都与其内部的流体力学特性相关[10]。停留时间分布(RTD)实验可以依据流出反应器的示踪剂浓度和时间的关系分析反应器内部的水力流态，是一种有效的原位解析反应器内部水力流动特征的技术[11]。目前，通过出水基本参数优化反冲洗程序的研究已较为成熟[12]，而通过RTD实验反映不同反冲洗工况的水力特性的研究较少。因此，RTD实验可作为一种优化滤池的反冲洗周期的研究手段，揭示不同反冲洗周期工况下，DNBF内部水力特性的变化。基于此，本研究对反硝化生物滤池的基本参数(HRT和C/N)进行优化，通过不同反冲洗周期下DNBF的处理效果、RTD特性曲线分析、不同水力模型拟合与的RTD实验数据的相关性来确定和优化DNBF的反冲洗周期。

    • 1 材料与方法

    • 1.1 实验装置

      实验使用的DNBF为有机玻璃材质，圆柱形筒体(内尺寸为φ50 mm×650 mm)，如图1所示，自下而上分别为配水层、承托层、填料层、自由水层和超高层，高度分别为50、50、400、100和50 mm，DNBF的有效容积为0.98 L。填料采用石英砂和火山岩填料，填充率分别为65%和60%，经过筛选后的当量直径均为2~4 mm。滤池采用上向流的形式，底部设有进水口及反冲洗布水管，原水通过蠕动泵从进水管流入，经过滤料，从上部溢流口排出。同时，反冲洗水也从滤池底部进入，从滤池上部出水口排出。

      图1 实验装置示意图

      图1 实验装置示意图

      Fig. 1 Schematic diagram of experimental set-up

    • 1.2 实验用水和分析方法

      实验用水采用人工配制废水，碳源和总氮分别由无水乙酸钠(CH3COONa)和硝酸钾(KNO3)提供，并添加0.4 g·L-1的氯化钾(KCl)。矿物质和维生素溶液采用WOLF配方[9]，各按1 mL·L-1的比例添加。进水pH控制在7.0左右，NO3--N控制在20 mg·L-1左右，进水碳源浓度随着实验需求而改变。实验在恒温室中进行，温度保持在(25±2) ℃。

      实验过程中检测的水质指标有COD、TN、硝酸氮(NO3--N)、亚硝酸氮(NO2--N)，COD采用重铬酸钾法，TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，NO3--N和NO2--N分别采用紫外分光光度法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法[13]。RTD实验中的示踪剂采用锂离子(Li+)，其具有吸附性小、干扰少、测量精度高的特点[14]，可作为RTD实验中一种良好的示踪剂。Li+浓度采用电感耦合等离子发射光谱法[13](ICP)测定。

    • 1.3 实验方案

      首先是石英砂和火山岩填料的DNBF挂膜启动。接种污泥取自无锡市硕放污水处理厂的缺氧池，按上向流方式用蠕动泵将接种污泥和生活废水混合后接入反应器内，培养2 d后排空。从第3天起开始连续进水运行反应器并监测进出水指标，控制进水条件为COD (121.4±2.1) mg·L-1、NO3--N (20.3± 0.6) mg·L-1、HRT为4 h。稳定运行14 d后，N的去除率稳定达到90%以上，认为挂膜成功。

      接着分别在水力停留时间(HRT)为4、3、2和1 h的条件下，比较DNBF的脱氮效果，确定最优HRT；设置C/N分别为6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2.5∶1，比较反应器的TN去除效果，确定最适C/N。

      最后是对反冲洗周期的优化。分别在不同反冲洗周期(1、2和3 d)下运行稳定3个周期后，在应该进行第4次反冲洗时不对滤池进行反洗操作，此时向反应器入口注入4 mL的示踪剂Li+溶液(浓度约为 1 000 mg·L-1)，运行2.5个HRT，每隔0.25 HRT在出口处取样。通过ICP监测出口样品中的Li+浓度，绘制E-θ曲线(标准化浓度-时间曲线)。另外在滤池刚清洗完成时进行一组RTD实验。最后分别以常用的2种非理想流动模型(多釜串联模型和轴向扩散模型)计算并拟合，分析拟合曲线的特点及不同反冲洗周期下的E-θ曲线和模型的拟合度。

    • 2 结果与讨论

    • 2.1 反硝化生物滤池参数的优化

      挂膜完成后，同时运行石英砂和火山岩2种不同填料的DNBF，保证碳源充足的条件下(C/N=6∶1)，考察不同HRT下反硝化生物滤池出水指标的变化情况，实验结果如图2所示。挂膜稳定后，当HRT为4 h时，反应器出水TN基本能稳定在0.6 mg·L-1以下，去除率大于97%。随着HRT的缩短，出水TN和COD呈现持续升高的趋势。当HRT缩短至3、2和1 h时，出水TN分别为(1.8±0.2)、(2.3±0.2)和(4.2± 0.3) mg·L-1。缩短HRT导致DNBF中滤速过高，水中TN与反硝化微生物接触不够充分；同时较大的水流紊动剪切作用易造成滤料上生物膜大量脱落[15]，导致出水TN变高，出水水质变差。当HRT为1 h时，出水TN接近于5 mg·L-1，出水COD最高也稳定在35 mg·L-1以下。由于较低的HRT有利于经济性的保证，又要使得出水稳定低于5 mg·L-1，因此，综合经济性和反硝化生物滤池的出水指标，最终确定HRT为2 h，此时，出水TN能稳定在3 mg·L-1以下，COD稳定在30 mg·L-1以下。同时，由2种填料的出水总氮的指标对比，二者脱氮效果相似。

      图2 不同HRT下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      图2 不同HRT下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      Fig. 2 Variations of NO3--N, NO2--N, TN and COD under different HRTs

      在前期确定的2 h HRT下，比较不同C/N条件对DNBF运行效能的影响。图3是不同C/N下DNBF的进出水水质指标。当C/N从6∶1降低到2.5∶1时，2种填料滤池的出水COD都能稳定在30 mg·L-1以下。但是，出水NO2--N和TN呈现上升的趋势，图中每个C/N下的出水TN分别为(1.3±0.3)、(2.3±0.2)、(2.5±0.3)、(4.9±0.2)和(8.9±0.3) mg·L-1。当C/N从6∶1降低到4∶1时，出水TN平缓上升，当C/N继续降低到3∶1和2.5∶1时，TN去除效果骤降，这是由于反硝化细菌缺乏足够的电子供体驱动反硝化反应[16]，这与宋慧敏等[17]研究结果一致。此时出水中NO2--N有所积累，这是由于当碳源不足时，乙酸钠直接在代谢时被反硝化细菌转化为乙酰辅酶A进入TCA循环，而未能形成中间还原力NADH2，导致NO2--N的积累[18,19]。水体中累积高浓度NO2--N将会对人体健康造成很严重的危害，所以要控制出水中的NO2--N浓度在较低的范围。对于本实验水质条件，在满足出水TN低于5 mg·L-1的前提下，选择较低的C/N来减小实际工程运行成本，因此，确定C/N为4∶1，此时，出水COD在(28.0±1.2) mg·L-1。

      图3 不同C/N下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      图3 不同C/N下NO3-N、NO2-N、TN和COD的变化

      Fig. 3 Variations of NO3--N, NO2--N, TN and COD under different C/N ratios

      图4对进水C/N与DNBF实际消耗C/N作了比较，当进水C/N为6∶1和5∶1时，2种填料滤池进水所提供的碳源充足，实际消耗C/N小于进水的C/N (P<0.05)。此时，部分碳源未被反硝化过程利用，碳源利用率不高。当C/N为2.5∶1时，进水提供电子供体不足，实际消耗C/N高于进水C/N (P<0.05)，表明提供的有机物不足以维持微生物进行反硝化反应[18]，影响脱氮效果以及生物膜的稳定。当C/N为4∶1和3∶1时，进水所提供的C/N与实际消耗C/N基本相当，DNBF的碳源利用率较高。结合之前的脱氮效果，在满足出水TN低于5 mg·L-1的情况下，确定C/N为4∶1是较为合适的运行参数。2种填料滤池的处理效果相近，由于石英砂在工程上应用广泛且成本略低于火山岩，因此，在未来工程应用中可优先考虑使用石英砂填料。

      图4 进水C/N与实际消耗C/N对比

      图4 进水C/N与实际消耗C/N对比

      Fig. 4 Comparison of theoretical carbon to nitrogen ratio and actual consumption of carbon to nitrogen ratio

    • 2.2 反冲洗周期对DNBF处理效果的影响

      图5是滤池分别在1、2和3 d未进行反冲洗后COD、TN、NO3--N和NO2--N变化。从图5中可知，随着反冲洗间隔时间的延长，出水污染物浓度呈现上升趋势。反冲洗周期为1 d时，石英砂和火山岩填料滤池出水的TN分别是(1.8±0.2) mg·L-1和(2.0±0.1) mg·L-1。反冲洗周期为2 d时，石英砂填料滤池的出水TN浓度提高了约2.8倍，已不能满足出水TN≤5 mg·L-1。火山岩填料的滤池在反冲洗周期为2 d时，出水指标升高了约1.1倍，但当反冲洗周期为3 d时，出水TN比反冲洗周期为1 d时提高了2.6倍。当反冲洗周期为2 d时，2种填料的滤池中NO2--N也开始出现了一定程度的积累。这表明，滤池长时间不经过反冲洗，脱氮能力大大下降并开始积累有害的NO2--N。

      图5 不同反冲洗周期下DNBF的COD和NO3--N、NO2--N、TN的变化

      图5 不同反冲洗周期下DNBF的COD和NO3--N、NO2--N、TN的变化

      Fig. 5 Variations of COD and NO3-N, NO2-N, TN of DNBFs under different backwashing cycles

    • 2.3 不同反冲洗周期下DNBF的RTD特性曲线分析

      将RTD实验下的取样时间和ICP测得的相对应的示踪剂浓度依据公式[20](见式(1)和式(2))作归一化，最终得到标准化时间θ和标准化浓度E(θ)，绘制出不同反冲洗周期下2种填料的DNBF的RTD特性曲线(如图6所示)。

      E(θ)=CtC0
      (1)
      θ=ttHRT
      (2)
      图6 不同反冲洗周期下2种填料的DNBF的RTD特性

      图6 不同反冲洗周期下2种填料的DNBF的RTD特性

      Fig. 6 RTD characteristics of two DNBFs under different backwashing cycles

      式中：C0为示踪剂总投加量/反应器体积，mg·L-1；Ct为t时刻反应器出水中示踪剂的浓度，mg·L-1；t为示踪剂流出反应器的时间，h；E(θ)为标准化浓度；θ为标准化时间；tHRT为水力停留时间，h。

      由RTD曲线知，刚刚反冲洗后和反冲洗周期为1 d时，2种填料滤池的RTD曲线均基本呈单峰对称，这和理想流态的RTD图形是相似的[21]。随着反冲洗周期的增加，RTD曲线总体呈现出单峰且不对称，即正偏态。起初E(θ)值迅速增加，并于0.5θ附近时达到顶峰，而后缓慢减小，到2.5θ时基本趋于0。RTD出峰随着反冲洗后时间间隔的增加而提前，2 d和3 d时出峰已从1θ提前至0.5θ处，说明滤池内出现短流[22]，可能是生物膜生长造成了填料之间空隙的堵塞，滤池填料层内出现水力死区，可供水流通过的路径减少并且变短，致使停留时间发生变化，形成了所谓的短流[23]。在反冲洗周期为2 d和3 d均出现多次的沟流，如石英砂填料曲线中1.25θ处和火山岩填料的1.25θ和1.5θ。推测是未反冲洗的滤料区出现厚度较大的生物膜或者未被洗脱出去的气泡，阻碍了流体的正常流动，流体打开了一条阻力很小的通道，形成沟流[22]。为保证滤池运行的最佳状态，应在出峰提前和沟流形成的现象出现之前进行反冲洗，因此，2种填料滤池的最佳反冲洗周期应控制在1 d，这和WEI等[24]研究中反冲洗周期为1 d时，出水水质稳定的结论相符。但这个结果小于FENG等[25]确定的72 h的反冲洗周期，原因可能是他们选择的填料为沸石，和本研究中的石英砂和火山岩填料有所不同，且HRT为3 h，滤池容积负荷较小，因此，确定的反冲洗周期较大。

    • 2.4 RTD曲线与不同水力模型的拟合

      多釜串联模型和轴向扩散模型是用来研究流体流动特性的两种理想模型[26]。多釜串联模型是将实际反应器分成N个大小相同的反应器，其总容积等于实际反应器的容积，用来描述非理想流态的单参数模型，唯一参数是假设完全混流反应单元的串联级数N[27]；轴向扩散模型是对理想模型的一种修正，适用于返混程度不大的流态[27]。其中Pe (Peclet准数)是这个模型唯一的参数，表明对流传递速率和扩散传递速率的相对大小。2种基本模型的拟合公式[26]如式(3)和式(4)所示。

      多釜串联模型：

      E(θ)=NN(N-1)!θN-1e-Nθ
      (3)

      轴向扩散模型：

      E(θ)=12π1Peθe-1-θ24θ1Pe
      (4)

      式中：N为串联级数；e为指数常数；Pe为Peclet准数。

      拟合模型中各项参数由公式[26](式(5)~式(9))计算。

      N=1σ2
      (5)
      σ2=σt2(t¯)2
      (6)
      σt2=∑0∞t2C(t)∑0∞C(t)-(t¯)2
      (7)
      t¯=∑0∞tC(t)∑0∞C(t)
      (8)
      σ2=21Pe+31Pe2
      (9)

      式中：σ2为停留时间分布的散度(方差)；σt2为标准化方差；t¯为平均停留时间，h。

      依据式(3)~式(9)计算所得不同填料不同反冲洗周期下的模型主要参数的值如表1所示，代入到公式中得到16条曲线，将它们分别与实验所得RTD数据拟合，得到如图7所示的拟合图形。同时，计算了不同反冲洗周期下的RTD与模型的拟合度，结果如表2所示。

      图7 不同反冲洗周期下的RTD实验值与模型的拟合曲线

      图7 不同反冲洗周期下的RTD实验值与模型的拟合曲线

      Fig. 7 Fitting curves of RTD experimental values and models under different backwashing cycles

      表1 不同填料不同反冲洗周期下拟合模型的主要参数

      Table 1 Main parameters of fitting model under different backwashing cycles of DNBFs with different fillers

      反冲洗周期填料方差σ2标准化方差σt2串联级数NPeclet准数Pe
      刚反冲洗后石英砂0.1780.9015.71212.812
      火山岩0.1720.9025.82113.027
      1 d石英砂0.1890.8735.28911.893
      火山岩0.1820.8425.51413.421
      2 d石英砂0.3411.1142.9107.143
      火山岩0.2781.1333.5318.298
      3 d石英砂0.3821.1892.6206.510
      火山岩0.3411.0782.8957.078

      表2 不同反冲洗周期下的RTD与模型的拟合度

      Table 2 Goodness of model fit for RTDs under different backwashing cycles

      填料拟合模型拟合度R2
      刚反冲洗后1 d2 d3 d
      石英砂多釜串联模型0.3810.6420.9230.830
      轴向扩散模型0.6290.6530.3500.050
      火山岩多釜串联模型0.3780.6820.9370.849
      轴向扩散模型0.6590.6940.5000.205

      由图7和表2可知，2种填料滤池的流态拟合结果相似，石英砂和火山岩填料的不同并没有影响反应器中的流态。当滤池刚反冲洗后和反冲洗周期为1 d时，2种填料滤池的流态趋向于轴向扩散模型。随着反冲洗周期的增加，填料区出现堵塞，反应器中的流态发生变化，RTD与多釜串联模型的拟合度迅速升高，最高拟合度已大于0.937，表明反应器中的流态趋向于多釜串联模型。由流体模型的特性可知，滤池中水体的流动从运行初期的推流为主转变为2 d和3 d的混流为主。可能是由于滤池随着脱氮的进行，附着在填料上的生物膜变厚，堵塞了部分水流通路，导致滤池中水流通路变少，水流通过填料区可能会绕动前行，形成返混，因此，流动模型趋向于混流式的多釜串联模型。

      拟合结果表示，2种填料的DNBF在反冲洗后2 d时流态转变为多釜串联模型，需要在流动模型变更前进行反冲洗操作，以确保滤池中流态的稳定性，由此确定最佳反冲洗周期为1 d。

    • 3 结论

      1) 反硝化生物滤池在稳定运行14 d后挂膜完成。稳定运行后，石英砂和火山岩2种填料的滤池处理效果相近，基于石英砂填料成本略低于火山岩，在未来工程应用中可优先考虑使用石英砂填料。

      2) 在本研究的实验条件下，确定了最适的HRT和C/N分别为2 h和4∶1，此时，碳源利用率最高，出水COD和TN分别为(28±1.2) mg·L-1和(2.5±0.3) mg·L-1。

      3) 反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅下降； RTD曲线出峰从1θ提前到0.5θ处，同时在1.25θ和1.5θ处出现沟流；滤池中的流态由轴向扩散模型向多釜串联模型趋近，由此进一步优化了DNBF的反冲洗周期为1 d，此时，出水COD和TN可分别达到(17.9±1.4) mg·L-1和(1.8±0.2) mg·L-1。

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参考文献 (27)

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