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生物蒸发膨胀剂和微生物载体由大量的载体颗粒及空隙组成。当向膨胀剂和微生物载体引入高浓度有机废水时,堆体存在于固-液-气三相混合介质中,包含水、惰性物质、难溶物质、可溶性物质以及微生物。在该介质中,空隙可以减小氧气传质阻力从而形成良好的通风效果,使堆体处于有氧状态。微生物利用介质中的溶解性有机质进行好氧发酵,该过程在满足微生物自身生长繁殖的同时释放大量的代谢热。随着堆体内有机质底物浓度增加,微生物活性增强,耗氧速率增加,代谢热释放量也增加。代谢热在堆体内积累形成高温,可达70 ℃。堆体内水分受热汽化,由液态转化为气态,被汽化的水分子通过自由扩散和强制对流进入堆体中的空隙,并由气流带出堆体。由于生物蒸发所需热量来自于废水中有机物的降解,不需外加热源,所以生物蒸发是一项经济、节能、环保的高浓度有机废水处理技术。
1.2 污染物浓度与水分去除的关系
在生物蒸发过程中,微生物代谢热释放量和水分的去除率与有机质底物浓度正相关,当废水中的有机质含量达到一定量时才能实现水分和污染物质的同步去除。如表1所示,Benqin Yang等利用不同浓度葡萄糖溶液从理论上模拟出葡萄糖浓度与热量释放和水分蒸发的线性关系。葡萄糖浓度跟水分去除率成正相关,这是因为较高浓度的葡萄糖溶液会产生大量的代谢热。当葡萄糖溶液中挥发性固体(volatile solid,VS)质量浓度为200 g/L时,1 L葡萄糖溶液会产生3 129 kJ的代谢热,并由此蒸发869 g的水,而1 L葡萄糖溶液中含有855 g水,所以葡萄糖溶液中包含的几乎所有的水分都可通过代谢热蒸发去除。
表 1 不同浓度葡萄糖产生的热量和水分蒸发的理论计算
在理论值验证和实际处理验证实验中,将不同浓度的葡萄糖溶液和不同浓度的餐厨垃圾加入到生物干化污泥床进行生物蒸发处理,结果表明,代谢热产生及水分去除与葡萄糖溶液浓度和餐厨垃圾浓度相关,随着葡萄糖溶液浓度和餐厨垃圾浓度的增加,堆体温度增加的更快更高,且高温阶段也维持的更久,更多水分被去除。当葡萄糖溶液和餐厨垃圾中的VS质量浓度为120 g/L时,就可以实现葡萄糖溶液和餐厨垃圾中水分和可生物降解挥发性固体(biodegradable volatile solid,BVS)的全部去除。这是因为生物干化污泥内含有部分BVS,这部分BVS在生物蒸发过程中与葡萄糖溶液和餐厨垃圾中的BVS共同产生代谢热蒸发废水。
1.3 生物蒸发膨胀剂和微生物载体
由于高浓度有机废水的高水分会阻碍氧气传质,且缺少用于生物蒸发的微生物,因此在生物蒸发过程中应用膨胀剂和微生物载体至关重要。膨胀剂和微生物载体在生物蒸发过程中的作用机理如图2所示。
(M/O:微生物) 图 2 膨胀剂和微生物载体在生物蒸发过程中的作用机理
膨胀剂和微生物载体的吸水性可维持其一定的湿度以保证自身微生物代谢活动的进行;另外,其丰富的微孔结构和庞大的比表面积可使高浓度有机废水在其表面形成的液膜不至于太厚而影响氧气的传质。废水可迅速渗入微生物载体内部并在其表面形成一层液膜,废水中溶解性有机质为微生物载体中的微生物提供充足的营养物质,在良好的通风环境下微生物被刺激生长,使微生物的总数逐级上升,产生的代谢热也不断增加并逐渐积累,从而实现水分的蒸发去除。目前应用的生物蒸发膨胀剂和微生物载体有生物干化污泥和生物膜海绵,二者都具有多孔、比表面积大、吸水和渗透性强的特点,在生物蒸发过程中各有优势。
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