内置生物载体的复合型装置的流态传质特征及强化水中抗生素去除效能

摘要

构建了一种内置不锈钢网-碳布生物载体的复合型反应装置，采用计算流体力学模拟与水力停留时间分布示踪实验相结合的方法，解析装置内部流态特征并优化装置设计和运行参数。结果表明，在进水口距离底部6cm时，装置具有最优的流态特征，实际水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)延长34.6%～39.0%，生物载体区流速加快22%，死区宽度减小，流线延长，出现局部湍流特征，传质过程被强化，污泥区膨胀性能较好。利用该装置在优化的运行条件下处理含抗生素类废水，以磺胺甲恶唑(SMX)作为特征污染物，结果表明，在HRT=8 h、ρ(SMX)=10 mg/L、进水有机共基质质量浓度800 mg/L条件下，出水SMX和COD的最优去除率分别达到(78.2±3.1)%和(74.9±2.2)%，比未嵌入生物载体的对照组装置分别提高了8.1%和8.4%。生物膜分析结果表明，在SMX降解过程中起到关键作用的是拟杆菌门(Bacteroidota)，相对丰度为24%;其中，主要功能菌属包括Tolumonas和Caldisericum，在生物载体生物膜中的相对丰度分别达到4.6%和1.8%,Tolumonas可以通过共代谢过程去除水中的SMX,Caldisericum具有降解SMX氮杂环的功能。

关键词

计算流体力学模拟(computational fluid dynamics,CFD) / 流态 / 传质 / 生物载体 / 磺胺甲恶唑 / 生物膜