潘 濤，鄔揚善，王紹堂
（北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院， 北京 100037）

　　摘要：本文以液—固兩相流態(tài)化的基本理論為出發(fā)點，結(jié)合生化反應(yīng)的特征，闡述了生物流化床床層內(nèi)部的固相載體和生物膜的特性，以及液固兩相在流體力學(xué)和生化反應(yīng)動力學(xué)方面的行為及其相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了一套較為科學(xué)、實用和簡便的兩相生物流化床反應(yīng)器的設(shè)計方法，文中所推薦的設(shè)計參數(shù)均是在工業(yè)規(guī)模的生物流床中試驗得到的。
　　關(guān)鍵詞：污水處理； 流態(tài)化；生物流化床；設(shè)計方法
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)06-0028-04

　　生物流化床處理污水的研究和應(yīng)用始于70年代初，但迄今為止，其普及程度遠不及活性污泥、生物接觸氧化等傳統(tǒng)工藝。原因是多方面的，但最主要的一點是由于流態(tài)化本身的特點，使生物流化床反應(yīng)器的設(shè)計和運轉(zhuǎn)管理中對技術(shù)的要求較高，甚至直到今天，人們對流化現(xiàn)象內(nèi)部規(guī)律的了解仍然比較粗淺，以至于大量工程主要還是依靠經(jīng)驗進行設(shè)計。?
對于傳統(tǒng)的生化處理方法僅僅依靠有機負荷、污泥濃度、污泥齡等傳統(tǒng)參數(shù)便可以對系統(tǒng)進行描述并進行反應(yīng)器的設(shè)計，而生物流化床則不然，反應(yīng)器的行為除了與上述傳統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)以外，床層的膨脹行為、載體顆粒的特性、反應(yīng)器中流體力學(xué)特性等流態(tài)化參數(shù)對反應(yīng)器的設(shè)計和運行關(guān)系重大。

　　1 兩相生物流化床的床層特性

　　若流體自下而上通過顆粒床層，其初期壓降將隨流速的增大而增大，且壓降與流速呈線性關(guān)系。當流速增大到某一數(shù)值，使壓力降低的數(shù)值等于顆粒床層的浮重時，床中顆粒便由靜止開始向上運動，床層也由固定床開始膨脹。若流速繼續(xù)增大，則床層進一步膨脹，直到顆粒之間互不接觸，懸浮于流體中，這一狀態(tài)叫初始流態(tài)化。達到初始流態(tài)化以后，如再繼續(xù)增大流速，床層會進一步膨脹，但壓降卻不再增大。初始流態(tài)化狀態(tài)對應(yīng)的流速叫臨界流化速度(u^mf)。臨界流化速度是指示固定床與流化床中間狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。
　　當顆粒大小不一時，床層由固定轉(zhuǎn)向流態(tài)的過程是逐次過渡的，因而難以準確確定臨界狀態(tài)，所以通過計算確定u_mf就顯得頗有意義。對于u_mf的計算，目前已有多種方法適用于不同的場合。
　　在達到初始流態(tài)化以后，隨著流速的增大，顆粒間的平均距離也增大，即床層的空隙率增大，當空隙率增大到一臨界值時，載體顆粒會隨著流體從反應(yīng)器中流失，此時的流速稱為沖出速度。在生物流化床的操作過程中，流體流速應(yīng)介于臨界流化速度和沖出速度之間。床層中流體流速與空隙率之間是密切相關(guān)的，二者之間的關(guān)系描述了床層的膨脹行為，是進行生物流化床設(shè)計的基礎(chǔ)。
　　液固兩相流化床膨脹特性通常用Richardson--Zaki方程描述：

　　εⁿ =u₁/u₂

　　式中 ε--床層空隙率，ε＝(床層體積—固相顆粒真體積)/床層體積 ?
　　　　　n? --系數(shù)，由顆粒特性決定，u_i一定時為一常數(shù)
　　　　　u_l --液相表觀流速，cm/s，u_l＝液體體積流量/床層截面積
　　　　　ui --ε＝1時的u_l，cm/s?

　　盡管式(1)只是一個經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，至今仍沒有為這一方程找到理論依據(jù)，但多年的應(yīng)用證實，用這一方程描述兩相流化床的行為是十分準確的，若以ln_ε對ln u_l作直線，線性相關(guān)系數(shù)能達到0.99以上，因此這個方程一直是流化床反應(yīng)器設(shè)計的基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)式。
　　式(1)中的u_i是一個反映固相顆粒特性的參數(shù)，它近似等于顆粒在液相中的靜置沉降終速度u_l，但略受顆粒直徑與反應(yīng)器直徑之比d/D的影響，在應(yīng)用中一般忽略這一影響，將式(1)寫成:?

　　εⁿ =u₁/u₂

　　式中n值與顆粒沉降雷諾數(shù)Re_t有關(guān)，若Re_t值介于1～200之間，則
　　n＝(4.4+1.8d/D)Re_t^-0.1? 　　　　(3)?

　　必須注意，在生物流化床中顆粒直徑d是指包裹了生物膜的載體(稱為生物顆粒，下同)的平均直徑，下文中用d_p表示生物顆粒的平均直徑，而用d_s表示載體本身的平均直徑。

　　2 載體與生物膜

　　選擇合適的載體，對生物流化床運轉(zhuǎn)的成敗及處理效果的優(yōu)劣起著關(guān)鍵作用。載體選擇時應(yīng)考慮諸多因素。
　?、?粒徑：一般認為粒徑小的載體有較大優(yōu)越性，一方面它提供了供微生物生長的較大比表面積，有利于維持反應(yīng)器內(nèi)高生物量；另一方面，小粒載體要求較低上升流速，可降低運轉(zhuǎn)的動力消耗。但是粒徑也不能太小，否則使操作條件難以控制，生物顆粒易被水流沖出床外，造成載體流失，另外載體粒徑太小易于在床內(nèi)聚集成團，影響顆粒分散性。根據(jù)研究的結(jié)果，如用石英砂載體，粒徑以0.3～1.0 mm為宜。
　?、?級配：粒徑分配是一個重要方面，如粒徑差別過大，將難以尋求到合適的上升流速以保持良好的混合條件。為使床內(nèi)生物量的分布趨于合理，最理想的情況是采用大小完全一致的載體。因為這時床的底部廢水中有機物濃度高，生物膜較厚，使生物顆粒比床層上部更輕，易于上浮。反之床層上部的生物顆粒由于養(yǎng)料的減少，膜的脫落使其變重而有下沉的趨勢，一沉一浮的結(jié)果可使床內(nèi)始終維持良好的混合接觸條件。盡管在實際中，難以做到使載體顆粒完全均勻，但是在選擇載體時，粒徑分配越均勻越好，最大直徑與最小直徑之比不大于2為宜。?
　?、?形狀：幾乎所有生物流化床的方程式都假設(shè)載體顆粒為球形，但實際情況卻遠非如此。載體的形狀直接與空隙率有關(guān)，因而影響床層的膨脹。其次，形狀不同的顆粒，沉降速度也有區(qū)別，而且顆粒的形狀影響生物膜在其表面的分布。在設(shè)計時，如采用Richardson-Zaki方程這類膨脹關(guān)聯(lián)式，一般要求載體盡量接近球形。此外載體表面應(yīng)有足夠的粗糙度，以利于生物膜附著。?
　　④ 體積質(zhì)量：體積質(zhì)量的重要性源于三方面，一是載體體積質(zhì)量影響床層水力特征，使用輕質(zhì)載體將較難控制適宜的水力條件使其在床內(nèi)均勻分布又不致被水流帶走；二是載體體積質(zhì)量影響操作中的動力消耗，重質(zhì)載體初始流化速度大，能耗高；三是載體體積質(zhì)量影響相互傳質(zhì)，體積質(zhì)量大的載體傳質(zhì)阻力小，載體表面生長生物膜以后，體積質(zhì)量將發(fā)生變化，變化的大小與膜厚有關(guān)，設(shè)計時必須考慮這一因素。?
　?、?強度：在生物流化床中，由于流體的沖刷、載體之間以及載體與反應(yīng)器壁的碰撞，要求載體有較高的強度，否則隨著運轉(zhuǎn)時間的增加，將有大量顆粒被粉碎，降低使用壽命。?
　　選擇合適的載體歷來是生物流化床設(shè)計的重要方面。目前使用的載體有天然和人造兩種。常用的天然載體有石英砂、無煙煤等，天然載體取用方便，價格合理，但是在許多方面難以盡如人意，因此人們開發(fā)了形形色色的人工載體，它們在生物流化床處理廢水中占有重要地位。?
　　當載體的體積質(zhì)量和粒徑確定以后，載體表面生物膜厚度決定了生物顆粒在水中的沉降特性，從而決定了床層的膨脹高度；另一方面，當載體的粒徑和數(shù)量確定以后，生物膜的厚度決定了反應(yīng)器中微生物濃度，從而決定處理效率。因此，生物膜厚度是聯(lián)系生物流化床流體力學(xué)特性和生化反應(yīng)動力學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計中，當已知廢水的水質(zhì)水量時，需要確定一個合適的生物膜厚度，使其能滿足處理效率上的要求，由此再確定床層的膨脹高度。
　　生長于載體表面的生物膜由兩部分組成，內(nèi)層為惰性生物層，包裹于惰性層外面的叫活性生物層。當生物膜厚度較小時，生物膜以活性層為主，這時生物膜量的增加使處理效率增加，當膜厚增大到某一臨界值以后，生物膜總量的增加則主要體現(xiàn)為惰性層的增加，膜的活性較低，對處理效率反而有不利影響，這一膜厚臨界通常稱為最佳膜厚。根據(jù)筆者的試驗研究，兩相床中最佳膜厚以100-200μm為宜。

　　3 生物流化率的設(shè)計方法

　　設(shè)計的第一步是根據(jù)上述對載體的要求選擇載體種類和確定載體參數(shù)。對于形狀各異的人工載體，其流化特性應(yīng)根據(jù)試驗定出。
　?。?）生物膜厚度及處理資源：取生物膜厚主δ=0.10-0.20mm。生物膜厚度的合適值與進水值BOD₅濃度有關(guān)，對生活污水或性質(zhì)方質(zhì)之相近的工業(yè)廢水，δ取0.10-0.12mm。生物顆粒的平均粒徑dp(mm)和真體積質(zhì)量ρp（dp(（g/cm³)計算如下：

　　

　　
　　式中　ρ_s、ρ_f——載體和濕生物膜的真體積質(zhì)量，g/cm³,ρ_f取1.02～1.04g/cm³

　　（2）生物顆粒的沉降特性：生物顆粒的靜置的沉降終速度u_t/(cm/s)由下式計算，

　　

　　式中 ρ1——廢水何種質(zhì)量，g/cm³
　　　　　g——重力加速度
　　　　　C——系數(shù)，由下式給出

　　R_et——生物顆粒靜置沉降雷諾數(shù)，由下式給出，

　　Re_t=u_td_pρ₁/10μ 　　　　　　　　(8)

　　μ——廢水絕對粘度，g/(cm.s）]

　　通過對式（6）、（7）、（8）進行試算，可確定u_t、C和Re_t。

　　(3)床層的膨脹行為：首先由下式計算Rich-ardson-Zaki常數(shù)n（忽略反應(yīng)器壁的影響）：

　　n=4.4Re_t-0.1 　　　　　　　　（9）
　　再確定床層的臨界流化速度umf(cm/s）：

　　u_mf=utεmfⁿ 　　　　　　　　　（10）

　　式中 εmf——臨界空隙率，對近似球形載體可取

　　ε_mf=0.4

　　取廢水在床內(nèi)上升流速ut=(2-3)umf,則由下式可得到床層空隙率：

　　ε=（u₁/u_t)^1/n 　　　　?。?1）

　?。?）反應(yīng)器的有效容積：反應(yīng)器中所需裝填的載體多少由參數(shù)Ms給定，Ms為載體的總質(zhì)量（kg）。選取Ms，以后載體的真體積Vs（m³)為：

　　Vs=（Ms/ρ₁）×10^-3 （12）

　　床層的體積（即反應(yīng)器的有效容積）V（m³）由下式確定：

　　V=[（dp/ds)³]Vs/(1-ε) (13)

　　（5）核算污泥負荷：

　　Fs=[（Si-Se)Q×10^-6] /[(dp/ds)3-1]ρfVs(1-P) (14)

　　式中　Si——進水有機物濃度，mg/L
　　　　　Se——出水有機物濃度，mg/L
　　　　　Q——廢水流量，m³/d
　　　　　P——生物膜含水率，一般取P=95%
　　　　　Fs—污泥負荷，kg/(kg.d）

　　Fs應(yīng)在0.1--0.3的范圍內(nèi)，如核算得到的Fs過大，應(yīng)調(diào)整Ms的取值使Fs滿足要求。

　　（6）反應(yīng)器尺寸：一般生物流化床中單憑廢水的流量不足以使載體流化，因此應(yīng)將部分出水回流至反應(yīng)器入口。取回流比R=100%-200%，則床層截面積為：

　　A=Q（1+R）/864u₁ （15）

　　式中回流比R=Qr/Q,Qr為回流水量（m³/d）。床層高由下式計算：

　　H=V/A （16）

　　如果得到的床高H及截面積A使H/D比例不當，則可相應(yīng)調(diào)整R值。另外R的取值有時應(yīng)考慮進水的稀釋、充氧等因素。

　　4 設(shè)計計算示例

　　生活污水，流量Q=240m³/d，進水BOD5濃度Si=150mg/L，出水BOD5濃度要求Se=30mg/L,用兩相生物流化床進行處理。
　　采用粒徑為0.3-0.5mm，平均粒徑ds=0.42mm的石英砂載體（平均粒徑應(yīng)以實測值為準）。載體真密度ρs=2.63cm³。取生物膜厚度δ=0.12mm，則生物果粒的粒徑dp=0.66mm；生物顆粒的密度ρp為1.4g/cm³（濕生物膜密度ρf取1.03g/cm³）。
　　假設(shè)廢水的密度和粘度均與20℃的純水相同，則由式（8）得靜置沉降雷諾數(shù)Re_t=6.5u_t,代入式（7）得C=3.7/u_t+1.2/ut^1/2+0.34，再代入式（6）并試算解得靜置沉降終速度ut=4.5cm/s。
　　由式（9）計算Richardson-Zaki常數(shù)n=3.1，再由式（10）確定床層的臨界流化速度umf=0.26cm/s（取臨界空隙率ε為0.4）。取上升流速u1=2.5umf=0.65cm/s，則由式（11）得床層空隙率ε=0.54。
　　取反應(yīng)器中裝填的載體總質(zhì)量Ms=2000kg,則載體的真體積Vs=0.76m³，床層的體積V=6.4m³。
　　取生物膜含水率P=95%，則污泥負荷Fs=0.26kgBOD5/(kg.d），符合要求，所選Ms合理。
　　取回流比R=150%，則床層截面積A=1.1m2，反應(yīng)器直徑D=1.2m，有效床高H=5.8m。

參考文獻：
[1]氣液固流態(tài)化工程[M]，蔡平等譯.北京：中國石油出版社，1993
[2]Iza J . Fluidized Bed Reactor for Anaerobic Wastewater Treat6ment[J].Wat Sci Tech,1991,24(8)

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