基于正交实验的气提反应器参数优化(精)

基于正交实验的气提反应器参数优化（1．新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046；2．新疆大学绿洲生态教育部重点实验室决策支持系统实验室，乌鲁木齐830046；3．新疆大学干旱生态环境研究所）摘要：用正交实验方法研究了水力停留时间，曝气量和泥龄对气提反应器处理生活污水效果的影响。

通过对正交实验结果进行分析，得出气提反应器处理生活污水的最佳工艺条件：水力停留时间10h，曝气量0.55m3/h，泥龄5d。

实验表明：该条件下气提反应器对COD，NH4+-N和SS的平均去除率分别达到90.17%，91.45%和91.85%。

关键词：正交实验；气提反应器；参数优化Research on parameters optimization of vapor stripping reactor based onorthogonal experiment methodCHEN Xiang-Yun1,LIU Zhi-hui1,2,3,CHEN Tai1,2(1.College of Resources & environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046; 2. DSS laboratory, Oasis Ecology Key Laboratory of Ministry of Education, Xinjiang University, Urumqi 830046;3. Xinjiang University arid ecologic environmental institution, Urumqi 830046) Abstract:The effects of HRT,Q L and SRT on the vapor stripping reactor are studied by the orthogonal experiment method. Experimental results revealed the optimal conditions: the HRT was 10h,the Q L was 0.55m3/h and the SRT was 5d.The result of experiment under those conditions shows that the average removal rate of COD, NH4+-N and SS were 90.17%,91.45% and 91.85% respectively.Keywords: orthogonal experiment method; vapor stripping reactor; parameters optimization基金项目：新疆维吾尔自治区重点实验室绿洲生态实验室开放课题（040079）;新疆大学“国家大学生创新性实验计划”项目（081075508）随着我国城市化建设步伐的加快，城市生活污水排放量不断增加，国内现行生活污水处理工艺主要为活性污泥法，而传统活性污泥法的缺陷日益暴露出来：(1)曝气池中微生物浓度低；(2)耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定；(3)易产生污泥膨胀；(4)污泥产量大；(5)基建和运行费用高，占地面积大等[1]。

为适应废水处理发展的要求，国内外学者不断地改进传统活性污泥法，开发了许多新型污水处理工艺。

气提反应器(或称内循环三相流化床)就是其中的一种，本文利用正交实验方法对气提反应器处理生活污水参数优化进行研究，得出了最优参数组合，取得了令人满意的结果。

气提反应器处理污水的基本原理是：在反应器内投加生物载体，污水和空气从底部进入中心提升管，被提升的气（空气）、液（污水）、固（生物载体）三相进行强烈搅动接触，并上升到顶部，通过下降区回到底部，形成流体循环，实现各种传质，完成有机物的降解以及氨氮的硝化[2]。

1 实验设备与材料1.1 气提反应器装置反应器装置如图1所示。

气提反应器为不锈钢制，反应区外筒高84cm，直径30cm，提升管直径12cm，反应区有效容积为60L，脱气沉淀区高21cm，有效容积为25L。

图1 气提反应器示意图Fig1 vapor stripping reactor1.2 载体载体采用大连生源水处理设备发展有限公司的BM-2型号的生源生物膜载体，规格为直径10mm、高10mm的悬浮填料，该填料为空心圆柱体，内部有十字撑面，材质采用再生资源材料，亲水性材料和生物酶促进剂配方，密度为(1.05-1.15)×103kg/m3，比表面积为1200m2/m3，该填料的生物膜厚度较小（10-300μm），催化活性高，传质、传氧效率高。

1.3 实验菌种及污水来源实验菌种为乌鲁木齐市虹桥污水处理厂A段沉淀池活性污泥，经过一段时间的培养和驯化后，污泥呈黄褐色，进入稳定阶段[3]，正式开始实验，测定相关参数；污水取自新疆大学校园内生活污水，原水水质如表1所示。

表1 原水水质Tab1 wastewater quality项目COD(mg/L) NH4+-N (mg/L) SS(mg/L)数值292.97-483.43 37.7-67.15 210.5-361.822 正交实验与结果2.1 参数和指标的选定本实验选取影响气提反应器处理污水效率的3个参数进行分析，采用正交表L9（33）安排实验，对每个参数各取3个水平，各参数和水平如表2所示。

对于评价正交实验结果的指标，我们选取出水水质的3个指标，分别为COD、NH4+-N 和SS的去除率，并将其做等权重考虑，取三者之和为评价正交实验结果的综合指标。

表2 正交实验参数及其水平值Tab2 Parameters and levels of the orthogonal method（m3/h）泥龄SRT（d）参数水平水力停留时间HRT（h）曝气量QL水平1 10 0.35 14水平2 6 0.45 5水平3 4 0.55 22.2 正交实验分析用L9（33）正交表安排实验，结果如表3所示。

表3 正交试验结果Table3 Results of the orthogonal method试验号 HRT （h ） Q L （m 3/h ） SRT （d ） COD 去除率（%） NH 4+-N 去除率（%） SS 去除率（%） 综合指标 1 1(10) 1(0.35) 1(14) 74.57 65.34 89.03 228.942 1(10) 2(0.45) 2(5) 80.74 83.45 90.25 254.443 1(10) 3(0.55) 3(2) 89.53 90.43 91.77 271.734 2(6) 1(0.35) 2(5) 81.57 69.86 92.48 243.915 2(6) 2(0.45) 3(2) 75.68 79.57 87.72 242.976 2(6) 3(0.55) 1(14) 86.86 86.29 85.11 258.257 3(4) 1(0.35) 3(2) 75.53 46.86 93.35 215.748 3(4) 2(0.45) 1(14) 78.42 48.88 88.63 215.939 3(4) 3(0.55) 2(5) 85.78 68.14 90.51 244.43K 1 251.7 229.53 234.37综合指标=COD 去除率+NH 4+-N 去除率+SS 去除率 K i =综合指标第i 水平下的三次指标的均值，i=1，2，3 K 2248.38 237.78247.59 K 3225.37 258.14 243.48 极差26.33 28.61 13.22 最优方案 HRT(10h ) Q L （0.55m 3/h ） SRT （5d ） 由表3极差项可知，各参数对气提反应器处理污水效率影响的主次顺序：Q L ＞HRT ＞SRT ，即曝气量是主要影响因素，其次是水力停留时间，影响最小的是泥龄。

最优方案的参数组合是HRT10h ，Q L 0.55m 3/h ，SRT5d 。

为了更清楚地考察各参数对气提反应器处理污水效果的影响，我们可以将参数水平作为横坐标，以各水平的实验综合指标的均值Ki 为纵坐标，画出各参数与综合指标的关系图——趋势图[4]（图2所示）。

图2 各参数与综合指标的关系图Fig2 Relationship between parameters and integrated index 由各参数的趋势图可以看出，气提反应器的处理效果随HRT和Q L的增大而提高，这可以解释为反应器内的好氧微生物有足够的时间来降解污水中的有机物，而Q L的增大，又为硝化菌的硝化反应提供了充足的氧气。

SRT为5d时，反应器处理效果最优，SRT过长，反应器污泥浓度升高，影响出水SS浓度；SRT 过短又会影响反应器的活性污泥浓度，进而影响出水水质。

2.3 验证性实验从上述趋势图中我们还可以得出最优参数组合：HRT10h，Q L0.55m3/h，SRT5d。

这与正交试验表的直观分析得出的结论一致，而这个参数组合并不在我们的9次实验当中，为此，我们要做进一步的验证实验[5]，实验结果见表4。

由表4可以看出，综合指标273.47，大于正交表中的最大值271.73，进一步从实验基础上验证了最优参数组合。

该条件下气提反应器出水水质已经达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的二级标准。

3 结论（1）气提反应器载体生物膜能增加有效生物量，这不但利用了反应器的优势，又解决了载体流失和污泥回流等问题，而一体化设计又节省了因二沉池建设所需要的基建费用和土地资源。

（2）实验证明用正交实验方法确定最优参数是可行的，实验确定的最优参数组合为：HRT10h，Q L0.55m3/h，SRT5d，该条件下，出水COD、NH4+-N和SS的去除率分别为90.17%、91.45%和91.85%，出水水质符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）二级标准。

（3）由正交实验得到，各参数对气提反应器处理污水效率影响的主次顺序为：Q L＞HRT＞SRT，实验结果还揭示了各参数对实验结果的影响趋势，为考察单因素对反应器的影响提供了理论与实践研究方法上的依据。

参考文献[1] 唐受印，戴友芝等.废水处理工程[M].北京：化学工业出版社，2004.[2] 李探微，彭永臻.气提式循环反应器处理污水试验研究[J].环境工程，2001，19（3）：18-21.[3] 张建丰.活性污泥法工艺控制[M].北京：中国电力出版社，2007.[4] 赵选民.试验设计方法[M].北京：科学出版社，2007.[5] 陈魁.试验设计与分析[M].北京：清华大学出版社，2005.。