采用微电极测定球形填料结构对传质过程的影响

采用微电极测定球形填料结构对传质过程的影响周小红，施汉昌，邱玉琴（清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家重点联合。2的连续流反应装置，反应器由聚丙烯有机玻璃制成，容积1.2L，底部安置穿孔圆环基金项目：国家自然科学基金资助项目国家“九七三”基础研究基金项目周小红女（汉），江西，博士研究生通讯联系人：施汉昌，教授，为曝气环，在曝气情况下反应器内可保持完全混合状态反应装置在室温18~22°C下运行，保持反应器中溶解氧的质量浓度为进水米用人工配水，其成分如表1所不。营养液体积含量1.0mLL―1每升营养液成分为：125mgFeCb，11.接种球形填料（snptm，桑德取自肖家河污水处理厂的生物滤池，保持反应器进水体积流量7.2L/d，对应的化学含氧量（COD）负荷为0.9kg/（m3‘d），NHH+-N负荷为通心多孔柱体球形填料结构图锯齿出水堰~穿孔曝气管计量泵人工配水箱连续流反应装置图表1人工配水组成成分物质计量物质**注：d为计量物质的质量浓度。2测试项目和方法对连续流反应器进出水各指标的监测方法参照国标：氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度用分光光度法测量；COD浓度用重铬酸钾滴定法测定；溶解氧浓度用电极法（溶解氧电极上海艾旺工贸有限公司）测定；pH用电极法（pH电极美国奥立龙）测定。2.3溶解氧微电极的拉制用于环境领域微环境检测的微电极通常做成吸管型，吸管型溶解氧微电极可以分为分离式和组合式2类鉴于组合式微电极的外观直径较大，不适于深入微电极测试通道中，故本试验中拉制的电极为分离式分离式溶解氧微电极的制作方法文测试中以Ag/AgCl饱和KCl电极为参比电极，2极间添的极化电压，产生极限扩散电流，此电流与溶解氧浓度成正比，用皮安计瑞典）记录此电流的变化情况，由数据采集卡（UA303，优采测控技术有限公司，北京）采集并连接计算机显示器显示，通过微电极标定曲线进一步换算出溶解氧浓度2.4填料内部溶解氧分布曲线的测定在填料投入反应器前，沿填料半径方向上插入一些开孔的薄塑料管，薄塑料管直径3mm左右，此塑料通道为微电极的测试通道。在试验负荷下连续运行10d左右，监测反应器进出水指标当反应器运行达到稳态时，开始用溶解氧微电极测试沿填料半径方向上的溶解氧分布曲线。为减小电磁干扰和机械振动对微电极测试的干扰，反应器及微电极测量系统均放于屏蔽箱中，整个屏蔽箱置于防震平台（AVT型，明立精机株式会社，日本）上。将球形填料固定在反应器中的一个三角支架上，测试通道垂直向上微电极由三维微动平台固定和控制方向，在体式显微镜泰克仪器有限公司，北京）的观察下，调节微动平台，使微电极尖端位于测试通道与主体溶液的交界面然后以1mm为调节步长向下移动微电极为避免电极尖端触及通心多孔柱体外壁，电极下降深度一般为29mm将Ag/AgCl饱和KCl电极（218型，上海罗素科技有限公司）固定于主体溶液中的某一位置充当参比电极在整个测试过程中，反应器仍处于连续运行状态在运行条件不变的情况下，用塑料泡沫堵塞通心多孔柱体，按照相同的步骤测试球形填料沿半径方向上的溶解氧分布情况，对比研究通心多孔柱体对球形填料内外传质所起的作用。向的溶解氧分布情况，其中横坐标0mm处表示球上的生物膜内，同时被微生物所降解假设：1）填3结果与讨论3.1溶解氧微电极的标定根据氧微电极对测定溶液的响应电流值与溶液中溶解氧浓度成正比这一定量关系式，对尖端直径在15m左右的多支微电极进行3点标定（氧分压分别是0%10.5%和21%），挑选出性能较佳者为防止电磁干扰及机械振动对微弱电流的影响，标定装置放于屏蔽箱内同时，记录了曝气由混合气体切换到标准空气时测试电极的动态响应情况，与本课题组曾经报道过的公司生产的溶解氧微电极相比较，性能是非常接近的3.2连续流反应器的运行效果为连续流反应器对氨氮和COD的去除负荷。不堵塞通心多孔柱体时，反应器去除负荷是：以N计为（m3‘d），平均去除率为26.5%和81.2%在堵塞通心多孔柱体的情况下，反应器去除负荷是：以N计均去除率为24%和64.4%试验数据表明堵塞通心多孔柱对氨氮的去除效果影响不大，而对COD的去除效果影响较大同时，2种情况下，反应器出水硝氮和亚硝氮均在1mg/L以下。这说明球形填料具有良好的反硝化潜力，能够在一个球体内实现同时硝化反硝化过程。3.3生物填料内部溶解氧分布情况除附着于纤维丝上的生物膜以外，球形填料内部还有一些悬浮的污泥絮体，由于网格外壳以及纤维丝的互相缠绕作用，使得这些悬浮污泥絮体滞留在填料内部填料内部的溶解氧分布情况与附着于纤维丝上的以及悬浮态的好氧微生物活性直接相关，是揭示填料内部生化传质特性的重要依据为稳态运行条件下球形填料内部沿半径方形填料球心，横坐标35mm处为球形填料的半径在不堵塞通心多孔柱体时，填料表面溶解氧的质量浓度为随着氨氮及有机物的降解作用，沿填料半径方向溶解氧的质量浓度逐渐下降，在半径6mm处下降至堵塞通心多孔柱体后，填料外层2/3区域（半径14mm~35mm）内溶解氧下降情况与未堵塞时相比较变化不大，由表面的6.56mg/L下降至半径14mm处的2.通常硝化反应发生在溶解氧充足的区域，因此，该试验结果解释了堵塞通心多孔柱体对氨氮去除效果影响不大的原因；但随后溶解氧下降趋势并没有变平缓，从而与未堵塞时形成明显差异从2种情况的溶解氧分布曲线可以看出，堵塞通心多孔柱体影响了填料内部的溶解氧分布，特别是在沿填料半径方向内层1/3区域（半径十14mm）范围内，通心多孔柱体结构促进了填料内外的传质过程，但与网格外壳的传质过程相比较，其传质作用并不占主导地位从连续流反应器运行效果来看，2种情况下反应器内均没有出现硝氮和亚硝氮的累积，说明球形填料内部应该存在缺氧反硝化区域通常认为，当溶解氧的质量浓度小于2mg/L时，反硝化过程才有可能发生。在堵塞通心多孔柱体时，沿填料半径方向内层1/3区域范围内溶解氧的质量浓度均小于2mg/L；但是，在未堵塞通心多孔柱体时，沿填料半径方向上的溶解氧的质量浓度均大于1.9mg/L，推测其良好的反硝化效果可能发生在悬浮污泥絮体内部或附着于纤维丝上的生物膜内部3.4填料内溶解氧传输动力学的研究对于附着生长的生物膜系统，理解生物膜内的传质和反应过程对于优化生物膜反应器的运行是至关重要的。同普通的生物膜系统不同的是，基质首先要在填料内部传输，而后才能进入到附着在纤维丝料内的基质传输符合Fick第一扩散定律的形式；2）在反应器的主体溶液中没有生物反应发生基于以上假设，可以用扩散-反应方程来描述填料内的物质传输过程取一厚度为dr的微层进行分析，在稳态下，根据微体积4cr2dr内的稳态条件下的质量守恒关系，并用一级方程来描述生物降解反应中溶解氧的消耗速率，边界条件为：r=R时时可以推导出微兀内的扩散-反应方程式其中：r为半径，m；Co为溶解氧的质量浓度为填料内部氧有效扩散系数，m2/d，本文假设D）沿填料半径方向上是常数；Ko为一级反应速率常数，d"1；R为球形填料半径，m；D为溶解氧有效扩散系数为填料表面的溶解氧浓度为rb处的溶解氧浓度，根据生化反应中电子供体与电子受体之间的计量关系，溶解氧的利用速率可以通过连续流反应器中有机物和氨氮的去处效果来获得。根据连续流反应器的运行效果计算得到，在忽略微生物的同化作用所消耗的溶解氧时，不堵塞和堵塞通心多孔柱体两种情况下单个填料的平均氧消耗速率为和假设一级反应速率常数K是不随着填料半径发生变化的常数，且满足以下表达式：通过上式计算得到的不堵塞和堵塞通心多孔柱体2种情况下K分别为和将K代入式（1）中，通过较小二乘法拟合测量的稳态溶解氧分布曲线，计算得到的D为4. 4结论堵塞通心多孔柱体对氨氮的去除效果影响不大，但对COD的去除效果影响较大溶解氧微电极的测试结果表明，球形填料的通心多孔柱结构能够促进填料内外的传质过程，其作用主要体现在沿填料半径方向1/3内层区域（半径6~14mm）范围内。基于扩散-反应方程，通过拟合测量的溶解氧分布曲线，可以获得填料内部的溶解氧扩散系数拟合结果表明，填料内传质过程以紊流扩散为主，堵塞通心多孔柱体后，填料内部的溶解氧有效扩散系数降低至原来的65%