高效水处理技术研究及成果报告

1.1　流化砂床生物过滤技术净水效果研究

深入开展了涡旋式流化床生物过滤技术的水质净化效果实验研究。设计制作涡旋式流化砂床生物滤器试验样机2台，构建实验台位1套；选用一种工业用玻璃珠子代替传统石英砂滤料作为生物膜载体；同时，通过单因子实验比较法对装置的运行参数和结构等方面进行了优化和调整。使得该滤器在淡水工况下对于氨氮的去除负荷达到673.11g/（m3·d），单位面积水处理量达到30m3/（h·m2），为后期该技术的推广应用奠定了良好的基础。

图1　流化床水质净化效果实验台位

图2　流化床实验系统水处理工艺流程

1.1.1　低污染负荷条件下的启动和挂膜效果研究

通过监测涡旋式流化砂床生物滤器在运行初期进出水中的氨氮和亚氮浓度水平，研究了滤器在低污染负荷条件下的启动挂膜特性。结果表明，滤器在氨氮浓度0.3～0.5mg/L条件下经过22天时间完成挂膜。

图3显示了以0.2～0.4mm粒径的玻璃珠为填料的生物挂膜状况，将床层膨胀率控制在130%进行自然挂膜。挂膜第1周，玻璃珠表面开始形成浅黄色的斑点，自下而上颜色逐渐加深，在表层尤为明显。此时，滤器对氨氮的平均去除率为5.28%±5.08%，而进出水亚硝氮浓度变化显著，出水亚硝氮浓度比进水平均升高32.03%±53.83%。说明氨氧化细菌群正逐步在滤器中建立起来，将氨氮迅速转为亚硝氮。挂膜第2、3周，玻璃珠表面颜色继续加深，表层30cm区域开始呈灰色。镜检发现，玻璃珠填料表面开始出现丝状菌和球形的菌胶团以及条纹条变形虫等原生动物。滤器对氨氮的去除能力逐渐增加，而进出水亚硝氮浓度变化开始不显著，表明硝化细菌群正逐步形成，开始将亚硝氮转化成硝氮。挂膜第4周，填料表面开始变成灰褐色，玻璃珠表面开始出现线虫、吸管虫等更加高等的原生动物，种类多样，没有出现占绝对优势的微生物，说明滤器处理效果良好。此时滤器对氨氮的去除率稳定在28.56%±13%，亚硝氮开始降低，去除率达到了25.85%±19.34%，说明硝化细菌群正逐步成熟，出水氨氮平均浓度为0.28mg/L±0.05mg/L，亚硝氮浓度为0.025mg/L± 0.011mg/L，标志生物膜已稳定成熟。流化床生物滤器在低污染负荷下成功启动。

图3　生物挂膜期间TAN和NO-2—N的变化情况

1.1.2　滤料粒径对滤器去除TAN和NO-2—N效果的影响研究

通过实验对比了滤器在使用不同粒径滤料条件下对氨氮和亚氮的去除效果，优化选择出0.2～0.4mm作为相对理想的滤料粒径范围。

由图4可知，当流化床生物滤器采用0.2～0.4mm玻璃珠粒径填料时，对TAN的去除率达到了41.25%±4.36%，对NO-2—N的去除率达到了88.39%±6.39%。而当使用0.4 ～0.6mm粒径时，流化床生物滤器对TAN的去除率只有15.26%±3.26%，去除率极显著低于前者（P＜0.01）。由于玻璃珠粒径对其比表面积影响较大，粒径细的玻璃珠可以为细菌等物质提供更大的附着场所，与养殖废水的接触也更加充分。另外，玻璃珠接近球形，表面相对较光滑，在小粒径情况下，通过镜检发现，颗粒与颗粒之间通过菌胶团等物质结合在了一起，一般是两两结合。菌胶团具有很强的吸附能力和分解有机物的能力，也为原生动物提供了良好的生存环境，对改善水质有着重要作用。而大粒径玻璃珠两两结合的能力相对弱很多，细菌等物质仅在其表面附着。大粒径的玻璃珠相对较难进行生物挂膜，挂膜期将其床层膨胀率保持在30%，所需提供的流量达到3m3/h，此时床层波动幅度也较大，颗粒剧烈的翻转不利于细菌在玻璃珠表面的附着。从进出水溶解氧浓度和pH值的变化情况分析，采用小粒径玻璃珠为填料时进出水溶解氧和pH变化显著，说明此工况下滤器中附着了更多的微生物，由于硝化反应需消耗一定的氧气和碱度，这也说明细粒径玻璃珠的硝化性能明显好于粗粒径的。

图4　不同玻璃珠粒径下TAN和NO-2—N的去除率

1.1.3　床层膨胀率对滤器去除TAN和NO-2—N效果的影响研究

通过实验对比了滤器在不同膨胀率条件下对氨氮和亚氮的去除效果。结果表明，膨胀率160%条件下滤器对TAN平均去除负荷和NO-2—N的去除率分别可以达到673.11 g/（m3·d）±23.26g/（m3·d）和90.24%±3.45%，整体性能相对最优。

实验设定床层膨胀率130%，160%，190%和220%，对应的HRT分别为85s，72s，68s 和63s，养殖水体中的TAN控制在0.6mg/L±0.1mg/L。由图5可知，当床层膨胀率从130%提高到220%时，流化床生物滤器对TAN的去除率略有变化，从60.23%±3.98%下降到40.25%±4.56%，而对NO-2—N依旧保持了较高的去除率，稳定在78.25%±4.98% 至93.25%±2.35%，出水NO-2—N浓度仅为0.014mg/L±0.004mg/L，说明硝化菌群建立较为完善，实现了NO-2—N的高速转化。在循环水养殖系统中，TAN的去除负荷代表着生物膜的净化能力。从去除负荷角度分析，当床层膨胀率设为130%时，虽对TAN保持了较高的去除率，但对TAN的去除负荷显著低于其他工况。随着床层膨胀率的继续增加，滤器对TAN的去除负荷有一定的提高，但差异不显著。相对于其他生物滤器，流化床的HRT较短，当床层膨胀率达到220%时，其HRT只有63s，但对TAN的去除负荷显著高于其他滤器，本装置对TAN的去除负荷可达到720.15g/（m3·d）。

图5　不同床层膨胀率下TAN和NO-2—N的去除效果

1.1.4　氨氮负荷对滤器去除TAN和NO-2—N效果的影响研究

图6　不同氨氮负荷下TAN和NO-2—N的去除率

通过实验对比了滤器在不同氨氮负荷条件下对氨氮和亚氮的去除效果。试验设置了4个氨氮负荷，对应的浓度分别为0.3、0.5、0.8、1.1mg/L，由图6可知，随着氨氮负荷的增加，流化床生物滤器对TAN的去除率在逐渐增加，而对NO-2—N的去除率有一定的下降，但去除率也维持在77.65%以上。养殖水体中的TAN处于波动中，随着罗非鱼体重的增加，投饲量也在加大。在较高的TAN负荷下，滤器依然保持极佳的硝化性能，将养殖水体中的TAN和NO-2—N维持在较低的水平。刘宏波等对进水氨氮浓度对好氧颗粒污泥的影响研究发现，提高进水氨氮浓度能刺激丝状菌的生长，利于反应器对有机物的去除。

1.1.5　碱度对滤器去除TAN和NO-2—N去除效果的影响研究

通过实验对比了滤器在不同碱度条件下对氨氮和亚氮的去除效果。在化学上，碱度被定义为水中所含的能与强酸发生中和反应的全部物质的总量，单位为mg/L　CaCO3。在高密度循环水养殖系统中，由于硝化反应的进行及鱼类呼吸产生大量的CO2，水体中的碱度会有一定程度的降低，寻求一合理的碱度范围对于生物滤器的高效运行具有一定的意义。由图7可知，随着碱度的增加，流化床生物滤器对TAN的去除率先有所提高，而后保持稳定，对NO-2—N的去除效果基本不变，去除率维持在80%。碱度与pH有一定的对应关系，当碱度为100mmol/L时，pH在7.45～7.55之间，此时也较有利于细菌的生长与繁殖。

图7　不同碱度梯度下TAN和NO-2—N的去除率

1.1.6　结语

研究结果表明，以玻璃微珠作为涡旋式流化床生物滤器的填料效果良好，在低污染工况条件下，仅用21天就通过自然挂膜成功启动。珠子粒径对滤器的硝化性能影响较大，选用0.2～0.4mm粒径的玻璃珠滤器对TAN和NO-2—N的去除率显著高于0.4～0.6mm粒径的滤器。床层膨胀率对滤器工作性能和填料流失现象有较大影响。随着床层膨胀率的提高，滤器对TAN和NO-2—N的去除率逐渐下降，玻璃珠流失也相应增加，但对TAN的去除负荷有一定的提高。综合考虑下来，认为床层膨胀率160%较为合适，即HRT　72s，此时滤器对TAN平均去除负荷和NO-2—N的去除率分别可以达到673.11m/（m3·d）±23.26 g/（m3·d）和90.24%±3.45%，显现出极佳的硝化性能。

1.2　机械气浮装置优化设计与应用

在传统机械气浮装置基础上对气浮轴结构、气浮反应腔、出沫方式等进行了优化设计。设计研制双轴承机械气浮装置实验样机1台，并对其水处理效果开展了实验研究。

1.2.1　气浮轴结构优化

机械气浮装置中气浮轴主要用以连接驱动电机和气泡发生器。为了使气泡能够与水体有充分的接触时间，达到水处理效果，气泡发生器一般都设计为浸没在水面以下0.8～1.2 m，整根气浮轴的长度会达到1m以上。因此，气浮轴设计的好坏往往决定了整个装置工作的可靠性和稳定性。

传统机械气浮装置的气浮轴设计为电机端（水面上）采用滚动轴承，气泡发生器端（水面下）采用滑动轴承。使用这种结构形式的出发点，主要是考虑滚动轴承在海水工况下容易受到腐蚀的影响，导致无法正常工作。采用滑动轴承则可以使用非金属材料，避免这一问题。但是，实际使用经验表明，该结构形式对于气浮轴的加工精度，包括同轴度、动平衡等要求较高。在加工精度不满足要求的条件下，气浮装置随着使用时间的延长，气浮轴长期高速运转，很容易出现电流过载甚至是卡死现象。有鉴于此，研究采用了两端滚动轴承来支撑气浮轴，同时在下端设计使用一组机械密封来避免轴承受到海水腐蚀的影响。具体设计结构如图8所示。

图8　机械气浮轴

使用该结构制作实验样机一台，驱动电机（三相异步电机）功率1.1kW，同步转速1　500 r/min，额定电流2.65A。测试了该气浮轴在不同水深条件下的工作电流。数据如表1所示。

表1　各种浸没水深条件下机械气浮轴实际工作电流

从表中可以看出，随着气泡发生器浸没深度的增加，电机工作电流有所提高，但是远没有达到额定电流数2.75A。而且，随着运转时间的延长，轴和轴承之间彻底磨合，电机工作电流还会有所下降。因此，可以认为在同样工况下，驱动电机的功率还有进一步下调的空间。(www.chuimin.cn)

1.2.2　气浮反应腔结构优化

传统机械气浮装置设计为圆筒形，上部采用收口设计以便于泡沫挤出。各方面使用经验表明，该方式在水位控制和泡沫收集方面存在一定的缺陷。有鉴于此，研究设计一种新的气浮反应腔，如图9所示。反应腔设计为方形密闭腔体箱体，水流从一侧进入反应腔后，翻过一道堰墙后再由高位流出反应腔。此处出水口处设计有水位调节闸，可根据系统实际运行情况调节合适的水位。在反应腔中上层填放规整填料，增加气泡在水体中的停留时间，另一方面，也可以避免在水体中形成漩涡。气泡上浮后，堆积在水面上方形成泡沫。由于腔体密闭，仅在泡沫收集槽一侧有出沫口，而空气又源源不断地注入反应器，因此，势必在液面上方产生压力，将泡沫往收集槽方向挤压，达到快速除沫的效果。

图9　多功能机械气浮装置结构原理图

1.2.3　水处理效果实验研究

实验系统（如图10所示）由鱼池（双排水系统）、竖流沉淀池、机械气浮装置、移动生物床、滴流溶氧装置、砂滤罐、紫外杀菌器等单元组成（图11）。机械气浮机电机功率1.1kw，气泡发生器转速1　400r/min，浸没深度0.8m，水体处理量为25m3/h。

试验对象为吉富罗非鱼（Tilapiasp.，GIFT　Strain）。试验开始时，养殖系统总水体为30m3，罗非鱼800kg。养殖期间，每日补充排污和蒸发而损失的水分，日换水率（补水量）约10%。试验期间，投饵量为鱼体重的3%，每日9：00和15：00各投喂1.5%。配合饲料的营养成分为：粗蛋白≥28.0%，粗脂肪≤4.0%，粗纤维≤8.0%，粗灰分≤18.0%，总磷≥0.8%。试验期间水温为25℃～27℃，溶解氧为5.5～7.2mg/L，盐度为7，pH使用碳酸氢钠调节在7.5，总碱度（以碳酸钙计）为150～186mg/L。气浮装置水力停留时间约3.83 min。

图10　机械气浮装置实验样机

图11　试验系统流程示意图

（1）对TSS的处理效果：

试验中气浮池进水TSS平均浓度为94.48mg/L±42.70mg/L，出水TSS平均浓度为59.62mg/L±28.32mg/L，气浮池TSS平均去除率为37.19%±12.04%，气浮池TSS最高去除率为54.54%（图12）。在本试验中TSS去除率与TSS进水浓度之间不存在显著的正相关关系。

图12　TSS去除效果

（2）对COD的处理效果：

试验中气浮池进水COD平均浓度为137.90mg/L±31.70mg/L，出水COD平均浓度为108.14mg/L±28.78mg/L，气浮池COD平均去除率为21.89%±6.19%，气浮池COD最高去除率为33.77%（图13）。

图13　COD去除效果

（3）对TN的处理效果：

试验中气浮池进水TN平均浓度为103.19mg/L±23.60mg/L，出水TN平均浓度为71.40mg/L±15.62mg/L，气浮池TN平均去除率为30.56%±3.62%，气浮池TN最高去除率为38.77%。

图14　TN去除效果

（4）对TP的处理效果：

试验中气浮池进水TP平均浓度为49.06mg/L±17.47mg/L，出水TP平均浓度为39.64mg/L±11.84mg/L，气浮池TP平均去除率为19.38%±5.27%，气浮池TP最高去除率为30.27%。

图15　TP去除效果

（5）对色度的处理效果：

试验中气浮池进水色度平均为199.48±19.40，出水色度平均为161.62±11.80，气浮池色度平均去除率为18.66%±5.56%，气浮池色度最高去除率为27.96%。

图16　色度去除效果

研究结果表明，多功能机械气浮装置对于养殖水体具有良好的综合净化与处理效果，其TSS、COD、TN、TP和色度的平均去除率分别可达37.19%±12.04%、21.89%±6.19%、30.56%±3.62%、19.38%±5.27%和18.66%±5.56%。

1.3　研究形成简易气浮池工艺

简易气浮池工艺是针对机械气浮装置单位水处理量受限，多台同时使用又会造成能耗偏高的问题而设计研发的，适合于生产型循环水养殖系统的设施化水处理工艺，单个气浮池单位水处理量可以达到80～140m3/h，运行功率不超过1.5kW。

简易气浮池工艺具体工作原理如图17所示。设计使用一个长条状矩形池，宽度1～2 m；长度2～3m；水深以不超过2m为宜。射流曝气机放置在池底靠近出沫口的一端，朝反方向射出气流。气流形成气泡后上浮与进来的水流形成充分接触后产生气浮效果，同时会在水面上形成大量泡沫。这些气泡在进水水流的冲击作用下会快速地聚集到气浮池另一端，通过泡沫收集槽排出系统。

图17　简易气浮池工作原理

该技术目前在大连湾鹤圣丰水产养殖公司和黄骅鸿远养殖公司2个示范点进行了推广，正在进行进一步的优化和完善，见图18。

图18　简易气浮池