循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器水力特性探討

1、    循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器水力特性探討            作者：陳若宇 邢國平 孫寶時間：2007-11-24 17:45:00                     摘要：循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器是利用表面附著生物膜的填料，在

2、好氧條件下，通過曝氣來實現(xiàn)填料的循環(huán)移動，使水流與填料充分接觸，達到高效處理有機廢水的一種新型工藝，具有生物量高、不堵塞且無需反沖洗等特點。 關(guān)鍵詞：循環(huán)移動載體 生物膜反應(yīng)器 水力特性  Hydraulic Charaotristics Of Circulated Moving Carrier Biofilm ReactorAbstract: The circulated moving canier biofilm reactor (CMCBR) is a new wastewater treatment technique that fillers with biofilIn g

3、rOwing on their surface cireulate in the reactor, thus increasing contact effect between flow andallers. In this paper, it has been pmved that CMCBR is more like a CSTR according to the hydraulic characteristic ex- periment. using energy equation the nowing characters are discussed and some main fac

4、tors are pointed out. Aeration perfOnnance is also compared and analyZed in the different gas flow rates and filling rates.Key words: wastewater treatment; biofilm reactor; filling rate; CSTR   引言 循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器是利用表面附著生物膜的填料，在好氧條件下，通過曝氣來實現(xiàn)填料的循環(huán)移動，使水流與填料充分接觸，達到高效處理有機廢水的一種新型工藝，具有生物量高、不堵塞且無需反沖洗等特點。在

5、本研究中，填料由聚乙烯材料制 成，密度為0.96gcm3，形狀為小圓柱體（直徑約10mm，高7mm），體內(nèi)有米字支撐，外側(cè)沿徑向伸展許多尾翅。填料在反應(yīng)器內(nèi)的填充比根據(jù)實際需要確定，最高可達到70。生物膜可附著的比表面積約為500m2m3，由于生長在該柱形填料外表面的生物膜比內(nèi)表面少得多，實際的附著表面積僅為350m2m3左右1。 1 流態(tài)特征 11 反應(yīng)器構(gòu)造循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器的有效水深1.20m有效容積172L，由導(dǎo)流板將其分成提升區(qū)和回落區(qū)，見圖1。 12 水流流態(tài)在連續(xù)污水生物處理反應(yīng)器中，水的流態(tài)存在兩種型式推流式和完全混合式。但在大多數(shù)反應(yīng)器中，水的流態(tài)介于兩者之間。循環(huán)移動

6、載體生物膜反應(yīng)器大致符合完全混合的特征，載體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)移動時，污水被不斷提升形成循環(huán)，而且循環(huán)水量遠(yuǎn)大于進水量。當(dāng)原水進人反應(yīng)器后，會很快與循環(huán)水混合而被稀釋，從而被均勻分散到整個反應(yīng)器的容積內(nèi)。具體表現(xiàn)為，在不同進水流量下，反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域的COD值相差不大，而且隨著進水流量的增大，不同區(qū)域COD的差值越來越小，數(shù)據(jù)見表1。13 水力性能在反應(yīng)器內(nèi)，廢水循環(huán)的動力來源于提升區(qū)和回落區(qū)的壓差，此壓差等于流體流動的動能、沿程阻力損失以及局部阻力損失之和2。以反應(yīng)器底部質(zhì)量為m的微元為研究對象，根據(jù)能量方程，得： （1-Zh）mgh-（1-Zt）mgh mut22-muh2/2+imut2/2

7、(1)式中：m元體的質(zhì)量，g；g重力加速度，m/s2Zh回落區(qū)氣體的滯留量，無量綱；Zt提升區(qū)氣體的滯留量，無量綱；uh回落區(qū)液體流速，ms；ut提升區(qū)液體流速，ms；h反應(yīng)器的高度，m；i沿程阻力和局部阻力系數(shù)之和。（1）式兩邊同時除以mg，得： （1-Zh）h-（1-Zt）h ut22gut22g +iut2/2g （2）由于在提升區(qū)曝氣，大量氣體在提升區(qū)上部逸出，回落區(qū)夾帶的氣體滯留量很小，與提升區(qū)相比可忽略不計，即Zh0上式可簡化得： Zthut2/2g-ut2/2g+iut2/2g （3）而uh=(AtAh）ut式中：At、Ah分別為提升區(qū)和回落區(qū)的橫截面積，得：Zt=ut2（1At

8、2Ah2+i)2gh （4）假定提升區(qū)氣體滯流量二；與供氣量Qg成正比，即ZtKQg，代入得：KQg=ut2（1At2Ah2+i）2gh （5） 由式（5）可知：氣量Qg對反應(yīng)器中液體的循環(huán)及混合情況影響很大。當(dāng)Qg和h一定時，循環(huán)速度與提升區(qū)和回落區(qū)的面積之比AtAh、阻力系數(shù)有關(guān)。影響阻力系數(shù)i的主要因素是導(dǎo)流板底與反應(yīng)器底之間的距離，因為回落區(qū)下向流動流體在導(dǎo)流板底部經(jīng)180度轉(zhuǎn)彎進人提升區(qū)而向上流動，這種流動方向的改變造成的水頭損失較大。當(dāng)Qg和h固定時，導(dǎo)流板底與反應(yīng)器底部的距離越大，則阻力越小，循環(huán)速度越大。若Qg固定，導(dǎo)流板上下位置固定，左右位置也固定（AtAh固定），增大反應(yīng)器

9、的有效水深h，雖然流體的沿程阻力損失也增大，但其增大幅度小于h的增大，所以上升流速也增大。若AtAh固定，h一定，氣量Qg越大，ut越大，也就是說，在已經(jīng)確定了反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)后，只能通過控制氣量Qg來控制反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)移動速度。但Qg變大，能耗將增加而使處理工藝不經(jīng)濟。本試驗所用的循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器導(dǎo)流板距反應(yīng)器底部的距離為250mm，提升區(qū)與回落區(qū)的橫截面積比23，提升區(qū)的水流速度大于回落區(qū)，有利于載體的循環(huán)移動。試驗表明，反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)速度越大，越有利于流體通過剪切作用脫除過厚的生物膜，保持較高的生物活性。但如果循環(huán)速度過大，則載體表面的生物膜很薄，大部分生物以懸浮狀態(tài)存在而且如果

10、發(fā)生在反應(yīng)器的啟動初期，將造成掛膜困難。為了實現(xiàn)載體的提升循環(huán)，曝氣量必定存在一個最低值。隨著氣速的增加，載體在提升區(qū)的上升速度和回落區(qū)的下沉速度均增大；隨著填充比的增加，在相同氣速下載體的運動速度減小。在不同填充比時，填料的運動速度與氣速的關(guān)系見表2。  2 充氧性能 循環(huán)移動載體生物膜反應(yīng)器采用鼓風(fēng)曝氣，空壓機送出的壓縮空氣先進人貯氣罐，在穩(wěn)壓閥控制下，用微孔曝氣頭曝氣。本試驗用氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa來評價空氣擴散裝置的供氧能力，利用亞硫酸鈉和催化劑氯化鉆進行脫氧，化學(xué)反應(yīng)式為：Na2SO3+(1/2)O2Na2SO4 表2 在不同填充比時，填料的運動速度與氣量的關(guān)系 氣量（m3.h-

11、1)填料在提升區(qū)上升速度/（s.m-1)填料在回落區(qū)上升速度/（s.m-1)填充比50%填充比30%填充比50%填充比30%0.50.100.190.0500.150.60.130.230.0670.200.70.150.340.0800.210.80.170.400.0830.230.90.200.460.1000.311.00.230.500.1600.35理論上與1mg的氧完全反應(yīng)需要7.9mg的亞硫酸鈉，但是為了使液體完全脫氧，向水中添加的量要大于理論值3，實際投加量為每1mg的氧投加8-12mg Na2SO3和0.20.5mg的CoCl2。在溶解氧為時穩(wěn)定的狀態(tài)下，進行曝氣充氧，待反

12、應(yīng)器內(nèi)的載體循環(huán)移動后再控制氣量，每隔一段時間測定溶解氧值，直到飽和為止。水中溶解氧的變化率或轉(zhuǎn)移率，可用如下公式43h三組不同的氣量，在填料填充比為0、30和50時進行試驗，數(shù)據(jù)見表3。    表3  KLa與填充比及氣量的關(guān)系填充比/%氣量/（m3.h-1)KLa/min-100.60.12280.80.19271.00.1310300.60.14530.80.14331.00.1369500.60.22290.80.19801.00.20763 小結(jié) CMCBR的水流流態(tài)為完全混合，原水進入反應(yīng)器中與循環(huán)水混合稀釋，均勻分散到整個反應(yīng)器中。反應(yīng)器中液體循環(huán)混合狀況與供氣量、導(dǎo)流 板距反應(yīng)器底部的距離及提升區(qū)和回落區(qū)面積之比有關(guān)，權(quán)衡去除效率和經(jīng)濟因素，實驗中導(dǎo)流板距反 應(yīng)器底部的距離取250mm，提升區(qū)與回落區(qū)面積之比23。隨著填充比的增加氧轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸上升，鑒于循環(huán)流速的限制，50的填充比較合適。水流紊動的加強也有利于氧的利用，但氣量過高時，氧的利用率反而會下降。 參考文獻： 1 Bjm Rusten,et al. Moving Bed Biofilm Reactors and Chemical Precipitation for High EfficiencyTreatmen