郭東敏，朱文亭，潘艷艷
(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津　 300072)

　　摘要：對循環(huán)移動(dòng)載體生物膜反應(yīng)器進(jìn)行了研究。通過改變循環(huán)移動(dòng)載體膜生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸，研究了反應(yīng)器內(nèi)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)變化。研究結(jié)果認(rèn)為在反應(yīng)器的升、降流區(qū)面積之比為2/3，擋板上方液面高度和底隙高度均為25mm，填料的填充比為50%時(shí)，氧轉(zhuǎn)移效率最高。
　　關(guān)鍵詞：生物膜反應(yīng)器；填料；氧轉(zhuǎn)移系數(shù)；污水處理
　　中圖分類號：X703.3　 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　 文章編號：1009-2455（2003）05-0007-03

A Study of Factors Affecting Performance of Circulated Moving CA_rrier Bio-membrane Reactor

GUO Dong-min,ZHU Wen-ting,PAN Yan-yan
(college of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

　　Abstract:Changes of oxygen transfer coefficient were studied in a test of Circulated Moving CA_rrier Bio-membrane Reactor(CMCBR)by changing the design and size of the CMCBR.It was shown by the resuL_T of the test that the oxygen transfer coefficient was the highest when the ratio of the A_rea of the flow-increasing zone of the reactor to that of the flow-decreasing zone was 2/3,the height of the liquid level above the baffle plate and the height of the bottom cleA_rance were both 250mm and the filling ratio of filler was 50%.
　　Key words:bio-membrane reactor;filler;oxygen transfer coefficient;wastewater treatment

　　循環(huán)移動(dòng)載體生物膜反應(yīng)器是對傳統(tǒng)移動(dòng)載體生物膜反應(yīng)器進(jìn)行改良后的一種新型工藝。在本工藝中，表面附著生物膜的填料在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)移動(dòng)，使水流與填料充分接觸，消除死角與溝流，達(dá)到高效處理有機(jī)廢水的目的。該工藝具有生物量高、能連續(xù)運(yùn)行、無堵塞且不需反沖洗等特點(diǎn)。作為好氧生物污水處理工藝，氧轉(zhuǎn)移效率的高低直接影響著反應(yīng)器的處理效率和能耗的高低，對本工藝而言，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對反應(yīng)器的充氧能力有著直接、關(guān)鍵的決定性作用。本文結(jié)合模擬反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在理論分析的基礎(chǔ)上探討了合適的反應(yīng)罪結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的選取范圍。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

　　影響反應(yīng)器充氧性能的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)主要為反應(yīng)器升流區(qū)與降流區(qū)截面積之比、擋板上方的液面高度和底隙高度、曝氣量和填充比的大小等，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的移動(dòng)床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)確定了如下實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法。
1.1實(shí)驗(yàn)裝置

　　圖1所示為本試驗(yàn)中采用的循環(huán)移動(dòng)載體生物膜反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置，外形尺寸為L×W×H=1000mm×250mm×1400mm，由反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)兩部分組成。反應(yīng)區(qū)有效水深為1.2m，有效體積為172L，由導(dǎo)流隔板將其分成升流區(qū)和降流區(qū)。內(nèi)裝CLS-Ⅲ型空心圓柱填料(密度約為0.96g／cm³，比表面積為350m2／m³)，由微孔曝氣管在升流區(qū)進(jìn)行曝氣充氧，造成升流區(qū)和降流區(qū)污水的密度差，從而使液體夾帶著填料在反應(yīng)器中不斷地循環(huán)移動(dòng)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
　　在不同的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)條件下，在進(jìn)水中加適量Na2S03和催化劑CoCl2，使移動(dòng)床中的溶解氧降為零，通人空氣，同時(shí)將溶解氧測定儀放人反應(yīng)器中，每隔一定時(shí)間測定溶解氧的變化，根據(jù)ln(Cs—C)與時(shí)間的直線關(guān)系，其斜率即為氧轉(zhuǎn)移系數(shù)[1]。
　　本實(shí)驗(yàn)所測定的數(shù)據(jù)均為清水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于移動(dòng)床反應(yīng)器內(nèi)水的流態(tài)大致符合完全混合的特征，反應(yīng)器內(nèi)務(wù)區(qū)域水的物理和化學(xué)性質(zhì)相差不大，因此使用清水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論同樣適用于污水實(shí)驗(yàn)，也可用于實(shí)際生產(chǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析

2.1 升、降流區(qū)截面積之比(A_r／A_d)對充氧能力的影響
　　理論分析認(rèn)為：當(dāng)較小時(shí)A_r／A_d，升流區(qū)的流速快，導(dǎo)致氣泡聚并，而且進(jìn)入降流區(qū)時(shí)液體降流速低，不足以將氣泡攜帶進(jìn)入此區(qū)，因此降流區(qū)溶解氧濃度變小；當(dāng)A_r／A_d較大時(shí)，升流區(qū)液流速度較慢，氣泡聚并的機(jī)會(huì)減少，溶解氧變大。但若A_r／A_d過大，氣泡在溶解到液體之前逃逸液面的機(jī)會(huì)增多，導(dǎo)致降流區(qū)的溶解氧濃度急劇下降，反應(yīng)器總?cè)芙庋趿恳矔?huì)略有下降。當(dāng)曝氣量為0.75m³h，A_r／A_d取不同值時(shí)反應(yīng)器內(nèi)降流區(qū)混合液溶解氧含量比較見表1。
　　從表1可以看出，當(dāng)A_r／A_d取值范圍在2/3左右時(shí)，(此時(shí)，底隙高度LB。取為250mm)可以得到較好的充氧效果，而其值變大或變小，都會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)氧轉(zhuǎn)移效率下降。

表1 不同A_r／A_d值時(shí)降流區(qū)溶解氧濃度變化 A_r/A_d 不同曝氣時(shí)間的溶解氧ρ（O₂）/(mg·L^-1) 3min 5min 8min 1/4 5.8 6.1 6.8 1/3 6.0 6.8 7.5 2/3 6.4 7.2 8.4 3/4 6.2 7.0 8.2

2.2 　擋板上方的液面高度L_T，與底隙高度LB對充氧能力的影響
　　反應(yīng)器有效水深確定后，將反應(yīng)器升流區(qū)和降流區(qū)隔開的擋板高低位置發(fā)生變化時(shí)，反應(yīng)器的氧轉(zhuǎn)移效率和液體循環(huán)速度都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大液面高度L_T值，液體循環(huán)速度和氧轉(zhuǎn)移系數(shù)均有所上升，原因可能是升流區(qū)氣泡在逃逸液面之前與液體有更長時(shí)間的接觸將能量傳遞給液相，從而使降流區(qū)的液體下降速度加快。但L_T過大，降流區(qū)內(nèi)的填料就會(huì)有一部分通過擋板上端返回到升流區(qū)，影響反應(yīng)器內(nèi)填料的正常循環(huán)移動(dòng)。

表2　不同L_T值時(shí)降流區(qū)溶解氧和液體循環(huán)速度的關(guān)系 液面高度L_T/mm 溶解氧ρ（O₂）/(mg·L^-1) 液體循環(huán)速度／(cm·s^-1) 150 6.8 8.5 200 6.9 9.6 250 7.2 10 300 7.5 12.5 350 7.6 13.3 注：表2數(shù)據(jù)是在A_r/A_d值取為2/3的條件下測定的，曝氣量為0.75m³/h。溶解氧的質(zhì)量濃度為降流區(qū)內(nèi)混合液曝氣8min后測定的結(jié)果。

　　從表2中可以看出，當(dāng)L_T值變大時(shí)，液體循環(huán)速度和溶解氧的質(zhì)量濃度均有所上升但實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn) L_T值超過250mm后液面部分填料會(huì)出現(xiàn)短流現(xiàn)象，而加大液體循環(huán)速度至15 cm／s后，L_T值可達(dá)到350 mm，但此時(shí)能耗將大幅度增加，因此當(dāng)液體速度在10cm／s左右時(shí)，取L_T值為250mm。
　　底隙高度LB。是指曝氣裝置到擋板的垂直距離，它是一個(gè)重要的參數(shù)。如果LB過小，則液體流動(dòng)阻力大，會(huì)降低液體循環(huán)速度和含氣率，且生物載體在由降流區(qū)進(jìn)入升流區(qū)時(shí)受到的剪切作用大，不利于生物膜的生長；如果LB過大，則由曝氣裝置出來的部分氣泡會(huì)進(jìn)入降流區(qū)，同樣降低液體循環(huán)速度和含氣率，甚至導(dǎo)致流型的改變，而影響反應(yīng)器的性能。本試驗(yàn)取底隙高度LB值為250 mm，表1的試驗(yàn)結(jié)果證明這一取值是合理的。
2.3 曝氣量與填充比對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響
　　曝氣量和填充比是移動(dòng)床反應(yīng)器關(guān)鍵性的操作參數(shù)之一，它們的取值直接影響著反應(yīng)器氧轉(zhuǎn)移效率的大小，不同填充比下氧轉(zhuǎn)移系數(shù)隨氣量的變化關(guān)系曲線見圖2，不同氣量下氧轉(zhuǎn)移系數(shù)隨填充比的變化關(guān)系曲線見圖3。

　　試驗(yàn)表明：曝氣量和填充比同時(shí)影響著氧轉(zhuǎn)移系數(shù)。在無填料的情況下，曝氣量是主導(dǎo)因素：氧轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著曝氣量的增加先增大而又減小。因?yàn)樵诘蜌饬康臈l件下，隨著氣體流量的增大，含氣率增大，相應(yīng)地增大了氣液接觸面積；而當(dāng)氣體流量增大到一定程度后，曝氣產(chǎn)生的氣泡直徑變大，上升速度快，氣泡更易于逃逸，使氧轉(zhuǎn)移系數(shù)降低。
　　在一定的填充比的情況下，一方面由于填料占據(jù)本來的一部分液體空間導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)含氣率下降，另一方面由于填料切割氣泡的作用使氣泡直徑變小而增大轉(zhuǎn)移系數(shù)。從圖中可以看出，在氣量為0.8m³／h時(shí)，填充比為0時(shí)的K_La。值大于填充比為30％時(shí)的K_La。這可能是因?yàn)樵跓o填料填充時(shí)，0.8m³／h左右的曝氣量使氧轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)到最大。而加入30％的填料后，填料占據(jù)液體空間使含氣率下降的作用占主導(dǎo)地位，因此氧轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著填料的加入變小。但當(dāng)填充比大于30％后，隨著填充比的增加氧轉(zhuǎn)移系數(shù)增大。

3 小結(jié)

　?、僭谝苿?dòng)床反應(yīng)器氧轉(zhuǎn)移效率的各項(xiàng)影響因素中，曝氣量的影響最大，但同時(shí)也不可忽略其他影響因素。
　?、跈?quán)衡反應(yīng)器流體狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)因素后，實(shí)驗(yàn)中L_T與LB值均取為250mm，提升區(qū)與回落區(qū)之比A_r/A_d值為2/3。
　　③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％的填充比比較適合。
　?、茈S著曝氣量的增加，水流紊動(dòng)性加大，有助于氧的利用，但氣量過高時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致氧利用率的下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝澄，陳中豪，疏明君，等．三相生物流化床的相含率及氣液傳質(zhì)性能研究[J]．工業(yè)用水與廢水，2001，32(6)：1—4．

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作者簡介：郭東敏(1977—)，女，黑龍江大慶人，天津大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗廴究刂疲?電話(022)27890371，wangwang7668@eyou.com