循环移动载体生物膜反应器水力特性探讨

陈若宇，邢国平，孙宝盛，颜 玲
（天津大学建筑工程学院，天津300072）

　　摘　要：通过实验证明循环移动载体生物膜反应器（CMCBR）的流态特性接近完全混合，利用能量方程对反应器的水力性能进行分析，得出影响反应器水力性能的主要因素有供气量、提升区与回落区的面积比、阻力系数和有效水深。在不同气量和填充比条件下对充氧性能加以比较，并对充氧性能的变化机理进行了探讨。
　　关键词：废水处理；生物膜反应器；填充比；完全混合式
　　中图分类号：X703．3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）01－0021-03

Hydraulic Charaotristics Of Circulated Moving Carrier Biofilm Reactor
CHEN Ruo-yu, XING Guo-ping, SUN Bao-sheng, YAN Lin
(School of Civil Engineering, Tianin University, Tianjing 30()072, China)

　　Abstract: The circulated moving canier biofilm reactor (CMCBR) is a new wastewater treatment technique that fillers with biofilIn grOwing on their surface cireulate in the reactor, thus increasing contact effect between flow and　allers. 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 factors 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

　　 循环移动载体生物膜反应器是利用表面附着生物膜的填料，在好氧条件下，通过曝气来实现填料的循环移动，使水流与填料充分接触，达到高效处理有机废水的一种新型工艺，具有生物量高、不堵塞且无需反冲洗等特点。在本研究中，填料由聚乙烯材料制 成，密度为0.96g／cm³，形状为小圆柱体（直径约10mm，高7mm），体内有米字支撑，外侧沿径向伸展许多尾翅。填料在反应器内的填充比根据实际需要确定，最高可达到70％。生物膜可附着的比表面积约为500m²／m³，由于生长在该柱形填料外表面的生物膜比内表面少得多，实际的附着表面积仅为350m²／m³左右^[1]。

1 流态特征

1．1 反应器构造
　　循环移动载体生物膜反应器的有效水深1.20m．有效容积172L，由导流板将其分成提升区和回落区，见图1。

1．2 水流流态
　　在连续污水生物处理反应器中，水的流态存在两种型式——推流式和完全混合式。但在大多数反应器中，水的流态介于两者之间。
　　循环移动载体生物膜反应器大致符合完全混合的特征，载体在反应器内循环移动时，污水被不断提升形成循环，而且循环水量远大于进水量。当原水进人反应器后，会很快与循环水混合而被稀释，从而被均匀分散到整个反应器的容积内。具体表现为，在不同进水流量下，反应器内各区域的COD值相差不大，而且随着进水流量的增大，不同区域COD的差值越来越小，数据见表1。
1．3 水力性能
　　在反应器内，废水循环的动力来源于提升区和回落区的压差，此压差等于流体流动的动能、沿程阻力损失以及局部阻力损失之和^[2]。以反应器底部质量为m的微元为研究对象，根据能量方程，得：

　　　　 （1-Z_h）mgh-（1-Z_t）mgh
　　　　　 ＝mu_t²／2-mu_h²/2+∑ξimu_t²/2　　　　 (1)
　　式中：m——元体的质量，g；
　　　　　g——重力加速度，m/s2
　　　　　Zh——回落区气体的滞留量，无量纲；
　　　　　Zt——提升区气体的滞留量，无量纲；
　　　　　uh——回落区液体流速，m／s；
　　　　　ut——提升区液体流速，m／s；
　　　　　h——反应器的高度，m；
　　　　　∑ξi——沿程阻力和局部阻力系数之和。
　　（1）式两边同时除以mg，得：
　　　　 （1-Z_h）h-（1-Z_t）h
　　　　　 ＝u_t²／2g－u_t²／2g +∑ξiu_t²/2g　　　　 （2）
　　由于在提升区曝气，大量气体在提升区上部逸出，回落区夹带的气体滞留量很小，与提升区相比可忽略不计，即Zh≈0上式可简化得：
　　　　　 Zth＝u_t²/2g-u_t²/2g+∑ξiu_t²/2g 　　　　 （3）
　　而uh=(At／Ah）ut
　　式中：At、Ah——分别为提升区和回落区的横截面积，得：
　　　　　Zt=u_t²（1－A_t²／Ah2+∑ξi)／2gh　　　　 （4）
　　假定提升区气体滞流量二；与供气量Qg成正比，即Zt＝KQg，代入得：
　　　　KQg=u_t²（1－A_t²／A_h²+∑ξi）／2gh 　　　　　　 （5）
　　 由式（5）可知：
　　①气量Qg对反应器中液体的循环及混合情况影响很大。当Qg和h一定时，循环速度与提升区和回落区的面积之比At／Ah、阻力系数有关。
　　②影响阻力系数ξi的主要因素是导流板底与反应器底之间的距离，因为回落区下向流动流体在导流板底部经180度转弯进人提升区而向上流动，这种流动方向的改变造成的水头损失较大。当Qg和h固定时，导流板底与反应器底部的距离越大，则阻力越小，循环速度越大。
　　③若Qg固定，导流板上下位置固定，左右位置也固定（At／Ah固定），增大反应器的有效水深h，虽然流体的沿程阻力损失也增大，但其增大幅度小于h的增大，所以上升流速也增大。
　　④若At／Ah固定，h一定，气量Qg越大，ut越大，也就是说，在已经确定了反应器的设计参数后，只能通过控制气量Qg来控制反应器内的循环移动速度。但Qg变大，能耗将增加而使处理工艺不经济。
　　本试验所用的循环移动载体生物膜反应器导流板距反应器底部的距离为250mm，提升区与回落区的横截面积比2／3，提升区的水流速度大于回落区，有利于载体的循环移动。
　　试验表明，反应器内的循环速度越大，越有利于流体通过剪切作用脱除过厚的生物膜，保持较高的生物活性。但如果循环速度过大，则载体表面的生物膜很薄，大部分生物以悬浮状态存在而且如果发生在反应器的启动初期，将造成挂膜困难。
　　为了实现载体的提升循环，曝气量必定存在一个最低值。随着气速的增加，载体在提升区的上升速度和回落区的下沉速度均增大；随着填充比的增加，在相同气速下载体的运动速度减小。在不同填充比时，填料的运动速度与气速的关系见表2。

2 充氧性能

　　循环移动载体生物膜反应器采用鼓风曝气，空压机送出的压缩空气先进人贮气罐，在稳压阀控制下，用微孔曝气头曝气。本试验用氧转移系数K_La来评价空气扩散装置的供氧能力，利用亚硫酸钠和催化剂氯化钻进行脱氧，化学反应式为：
　　　　Na₂SO₃+(1/2)O₂→Na₂SO₄

表2 在不同填充比时，填料的运动速度与气量的关系 气量（m³.h^-1) 填料在提升区上升速度/（s.m^-1) 填料在回落区上升速度/（s.m^-1) 填充比50% 填充比30% 填充比50% 填充比30% 0.5 0.10 0.19 0.050 0.15 0.6 0.13 0.23 0.067 0.20 0.7 0.15 0.34 0.080 0.21 0.8 0.17 0.40 0.083 0.23 0.9 0.20 0.46 0.100 0.31 1.0 0.23 0.50 0.160 0.35

　　理论上与1mg的氧完全反应需要7.9mg的亚硫酸钠，但是为了使液体完全脱氧，向水中添加的量要大于理论值^[3]，实际投加量为每1mg的氧投加8-12mg Na₂SO₃和0.2－0.5mg的CoCl₂。在溶解氧为时稳定的状态下，进行曝气充氧，待反应器内的载体循环移动后再控制气量，每隔一段时间测定溶解氧值，直到饱和为止。水中溶解氧的变化率或转移率，可用如下公式^[4]表示：
　　　　　　dC／dt＝KLa（Cs－C）　 （6）
　　积分得：
　　　　　　Ln（Cs－C）＝－KLat＋b （7）
　　式中：KLa——氧总转移系数，表示在曝气过程中氧的总传递性；
　　　　　Cs——饱和溶解氧浓度，mg／L；
　　　　　C——溶解氧浓度，mg／L；
　　　　　t——时间，min；
　　　　　b——积分常数。
　　根据充氧过程中C－t关系，作Ln（Cs－C）-t的曲线，可得到一条直线，其斜率为-KLa，曲线越陡，说明KLa值越大，氧传递的阻力越小，氧传递的速度也越快。
　　本试验采用0.6、0.8和1.0m³／h三组不同的气量，在填料填充比为0、30％和50％时进行试验，数据见表3。

表3 K_La与填充比及气量的关系 填充比/% 气量/（m³.h^-1) K_La/min^-1 0 0.6 0.1228 　 0.8 0.1927 　 1.0 0.1310 30 0.6 0.1453 　 0.8 0.1433 　 1.0 0.1369 50 0.6 0.2229 　 0.8 0.1980 　 1.0 0.2076

　　在0、30％和50％三个不同的填充比下，其氧转移系数的平均值分别为0.14、0.142和0.21。可见，随着填充比的增加，氧转移系数呈上升的趋势。在较低的通气量时，随着气量的增加，反应器氧转移系数增加。这是因为气体由孔口释放后，在上升过程中，除受到紊动水流的剪切力外，还在上升过程中由势能转化为动能，利用其自身的动能撞击载体表面，使气泡破裂，直径进一步减小，相应增大了接触面积。而且，小气泡在载体空隙内顶托水流，迫使空隙内的水流迅速循环，相互混合，使气泡在上升过程中由接触到更多水流。同时，水流紊动的加强，也有利于气液两相界面的更新，从而可促进氧的利用率。但是氧传递系数并不总随气量的增加而增加，当气量大幅度提高时，形成的气泡直径增大，在液相中停留的时间短，氧的利用率反而会下降。

3 小结

　　①CMCBR的水流流态为完全混合，原水进入反应器中与循环水混合稀释，均匀分散到整个反应器中。
　　②反应器中液体循环混合状况与供气量、导流 板距反应器底部的距离及提升区和回落区面积之比有关，权衡去除效率和经济因素，实验中导流板距反 应器底部的距离取250mm，提升区与回落区面积之比2／3。
　　③随着填充比的增加．氧转移系数逐渐上升，鉴于循环流速的限制，50％的填充比较合适。
　　④水流紊动的加强也有利于氧的利用，但气量过高时，氧的利用率反而会下降。

参考文献：

　　[1] Bj￠m Rusten,et al. Moving Bed Biofilm Reactors and Chemical Precipitation for High Efficiency　Treatment of Wastewater from Small Communities[J].Wat Sci Tech, 1997,35(6):71-79.
　　[2]周平，钱易．内循环生物流化床反应器的理论分析[J]．环境科学，1994，16（2）：88－90．
　　[3]拉里 D贝尼菲尔德，等．废水生物处理过程设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983．279-315．
　　[4] 张自杰，顾夏声，等．排水工程下册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1996．114-121．

　　作者简介：陈若宇（1978-），男，山西太原人，硕士研究生，现就读于天津大学建筑工程学院环境工程系。