基于床层膨胀特性的生物流化床设计方法

潘 涛，邬扬善，王绍堂
（北京市环境保护科学研究院， 北京 100037）

　　摘要：本文以液—固两相流态化的基本理论为出发点，结合生化反应的特征，阐述了生物流化床床层内部的固相载体和生物膜的特性，以及液固两相在流体力学和生化反应动力学方面的行为及其相互关系，在此基础上提出了一套较为科学、实用和简便的两相生物流化床反应器的设计方法，文中所推荐的设计参数均是在工业规模的生物流床中试验得到的。
　　关键词：污水处理； 流态化；生物流化床；设计方法
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)06-0028-04

　　生物流化床处理污水的研究和应用始于70年代初，但迄今为止，其普及程度远不及活性污泥、生物接触氧化等传统工艺。原因是多方面的，但最主要的一点是由于流态化本身的特点，使生物流化床反应器的设计和运转管理中对技术的要求较高，甚至直到今天，人们对流化现象内部规律的了解仍然比较粗浅，以至于大量工程主要还是依靠经验进行设计。?
对于传统的生化处理方法仅仅依靠有机负荷、污泥浓度、污泥龄等传统参数便可以对系统进行描述并进行反应器的设计，而生物流化床则不然，反应器的行为除了与上述传统参数密切相关以外，床层的膨胀行为、载体颗粒的特性、反应器中流体力学特性等流态化参数对反应器的设计和运行关系重大。

　　1 两相生物流化床的床层特性

　　若流体自下而上通过颗粒床层，其初期压降将随流速的增大而增大，且压降与流速呈线性关系。当流速增大到某一数值，使压力降低的数值等于颗粒床层的浮重时，床中颗粒便由静止开始向上运动，床层也由固定床开始膨胀。若流速继续增大，则床层进一步膨胀，直到颗粒之间互不接触，悬浮于流体中，这一状态叫初始流态化。达到初始流态化以后，如再继续增大流速，床层会进一步膨胀，但压降却不再增大。初始流态化状态对应的流速叫临界流化速度(u^mf)。临界流化速度是指示固定床与流化床中间状态的关键参数。
　　当颗粒大小不一时，床层由固定转向流态的过程是逐次过渡的，因而难以准确确定临界状态，所以通过计算确定u_mf就显得颇有意义。对于u_mf的计算，目前已有多种方法适用于不同的场合。
　　在达到初始流态化以后，随着流速的增大，颗粒间的平均距离也增大，即床层的空隙率增大，当空隙率增大到一临界值时，载体颗粒会随着流体从反应器中流失，此时的流速称为冲出速度。在生物流化床的操作过程中，流体流速应介于临界流化速度和冲出速度之间。床层中流体流速与空隙率之间是密切相关的，二者之间的关系描述了床层的膨胀行为，是进行生物流化床设计的基础。
　　液固两相流化床膨胀特性通常用Richardson--Zaki方程描述：

　　εⁿ =u₁/u₂

　　式中 ε--床层空隙率，ε＝(床层体积—固相颗粒真体积)/床层体积 ?
　　　　　n? --系数，由颗粒特性决定，u_i一定时为一常数
　　　　　u_l --液相表观流速，cm/s，u_l＝液体体积流量/床层截面积
　　　　　ui --ε＝1时的u_l，cm/s?

　　尽管式(1)只是一个经验关联式，至今仍没有为这一方程找到理论依据，但多年的应用证实，用这一方程描述两相流化床的行为是十分准确的，若以ln_ε对ln u_l作直线，线性相关系数能达到0.99以上，因此这个方程一直是流化床反应器设计的基础关联式。
　　式(1)中的u_i是一个反映固相颗粒特性的参数，它近似等于颗粒在液相中的静置沉降终速度u_l，但略受颗粒直径与反应器直径之比d/D的影响，在应用中一般忽略这一影响，将式(1)写成:?

　　εⁿ =u₁/u₂

　　式中n值与颗粒沉降雷诺数Re_t有关，若Re_t值介于1～200之间，则
　　n＝(4.4+1.8d/D)Re_t^-0.1? 　　　　(3)?

　　必须注意，在生物流化床中颗粒直径d是指包裹了生物膜的载体(称为生物颗粒，下同)的平均直径，下文中用d_p表示生物颗粒的平均直径，而用d_s表示载体本身的平均直径。

　　2 载体与生物膜

　　选择合适的载体，对生物流化床运转的成败及处理效果的优劣起着关键作用。载体选择时应考虑诸多因素。
　　① 粒径：一般认为粒径小的载体有较大优越性，一方面它提供了供微生物生长的较大比表面积，有利于维持反应器内高生物量；另一方面，小粒载体要求较低上升流速，可降低运转的动力消耗。但是粒径也不能太小，否则使操作条件难以控制，生物颗粒易被水流冲出床外，造成载体流失，另外载体粒径太小易于在床内聚集成团，影响颗粒分散性。根据研究的结果，如用石英砂载体，粒径以0.3～1.0 mm为宜。
　　② 级配：粒径分配是一个重要方面，如粒径差别过大，将难以寻求到合适的上升流速以保持良好的混合条件。为使床内生物量的分布趋于合理，最理想的情况是采用大小完全一致的载体。因为这时床的底部废水中有机物浓度高，生物膜较厚，使生物颗粒比床层上部更轻，易于上浮。反之床层上部的生物颗粒由于养料的减少，膜的脱落使其变重而有下沉的趋势，一沉一浮的结果可使床内始终维持良好的混合接触条件。尽管在实际中，难以做到使载体颗粒完全均匀，但是在选择载体时，粒径分配越均匀越好，最大直径与最小直径之比不大于2为宜。?
　　③ 形状：几乎所有生物流化床的方程式都假设载体颗粒为球形，但实际情况却远非如此。载体的形状直接与空隙率有关，因而影响床层的膨胀。其次，形状不同的颗粒，沉降速度也有区别，而且颗粒的形状影响生物膜在其表面的分布。在设计时，如采用Richardson-Zaki方程这类膨胀关联式，一般要求载体尽量接近球形。此外载体表面应有足够的粗糙度，以利于生物膜附着。?
　　④ 体积质量：体积质量的重要性源于三方面，一是载体体积质量影响床层水力特征，使用轻质载体将较难控制适宜的水力条件使其在床内均匀分布又不致被水流带走；二是载体体积质量影响操作中的动力消耗，重质载体初始流化速度大，能耗高；三是载体体积质量影响相互传质，体积质量大的载体传质阻力小，载体表面生长生物膜以后，体积质量将发生变化，变化的大小与膜厚有关，设计时必须考虑这一因素。?
　　⑤ 强度：在生物流化床中，由于流体的冲刷、载体之间以及载体与反应器壁的碰撞，要求载体有较高的强度，否则随着运转时间的增加，将有大量颗粒被粉碎，降低使用寿命。?
　　选择合适的载体历来是生物流化床设计的重要方面。目前使用的载体有天然和人造两种。常用的天然载体有石英砂、无烟煤等，天然载体取用方便，价格合理，但是在许多方面难以尽如人意，因此人们开发了形形色色的人工载体，它们在生物流化床处理废水中占有重要地位。?
　　当载体的体积质量和粒径确定以后，载体表面生物膜厚度决定了生物颗粒在水中的沉降特性，从而决定了床层的膨胀高度；另一方面，当载体的粒径和数量确定以后，生物膜的厚度决定了反应器中微生物浓度，从而决定处理效率。因此，生物膜厚度是联系生物流化床流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数。在设计中，当已知废水的水质水量时，需要确定一个合适的生物膜厚度，使其能满足处理效率上的要求，由此再确定床层的膨胀高度。
　　生长于载体表面的生物膜由两部分组成，内层为惰性生物层，包裹于惰性层外面的叫活性生物层。当生物膜厚度较小时，生物膜以活性层为主，这时生物膜量的增加使处理效率增加，当膜厚增大到某一临界值以后，生物膜总量的增加则主要体现为惰性层的增加，膜的活性较低，对处理效率反而有不利影响，这一膜厚临界通常称为最佳膜厚。根据笔者的试验研究，两相床中最佳膜厚以100-200μm为宜。

　　3 生物流化率的设计方法

　　设计的第一步是根据上述对载体的要求选择载体种类和确定载体参数。对于形状各异的人工载体，其流化特性应根据试验定出。
　　（1）生物膜厚度及处理资源：取生物膜厚主δ=0.10-0.20mm。生物膜厚度的合适值与进水值BOD₅浓度有关，对生活污水或性质方质之相近的工业废水，δ取0.10-0.12mm。生物颗粒的平均粒径dp(mm)和真体积质量ρp（dp(（g/cm³)计算如下：

　　

　　
　　式中　ρ_s、ρ_f——载体和湿生物膜的真体积质量，g/cm³,ρ_f取1.02～1.04g/cm³

　　（2）生物颗粒的沉降特性：生物颗粒的静置的沉降终速度u_t/(cm/s)由下式计算，

　　

　　式中 ρ1——废水何种质量，g/cm³
　　　　　g——重力加速度
　　　　　C——系数，由下式给出

　　R_et——生物颗粒静置沉降雷诺数，由下式给出，

　　Re_t=u_td_pρ₁/10μ 　　　　　　　　(8)

　　μ——废水绝对粘度，g/(cm.s）]

　　通过对式（6）、（7）、（8）进行试算，可确定u_t、C和Re_t。

　　(3)床层的膨胀行为：首先由下式计算Rich-ardson-Zaki常数n（忽略反应器壁的影响）：

　　n=4.4Re_t-0.1 　　　　　　　　（9）
　　再确定床层的临界流化速度umf(cm/s）：

　　u_mf=utεmfⁿ 　　　　　　　　　（10）

　　式中 εmf——临界空隙率，对近似球形载体可取

　　ε_mf=0.4

　　取废水在床内上升流速ut=(2-3)umf,则由下式可得到床层空隙率：

　　ε=（u₁/u_t)^1/n 　　　　　（11）

　　（4）反应器的有效容积：反应器中所需装填的载体多少由参数Ms给定，Ms为载体的总质量（kg）。选取Ms，以后载体的真体积Vs（m³)为：

　　Vs=（Ms/ρ₁）×10^-3 （12）

　　床层的体积（即反应器的有效容积）V（m³）由下式确定：

　　V=[（dp/ds)³]Vs/(1-ε) (13)

　　（5）核算污泥负荷：

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

　　式中　Si——进水有机物浓度，mg/L
　　　　　Se——出水有机物浓度，mg/L
　　　　　Q——废水流量，m³/d
　　　　　P——生物膜含水率，一般取P=95%
　　　　　Fs—污泥负荷，kg/(kg.d）

　　Fs应在0.1--0.3的范围内，如核算得到的Fs过大，应调整Ms的取值使Fs满足要求。

　　（6）反应器尺寸：一般生物流化床中单凭废水的流量不足以使载体流化，因此应将部分出水回流至反应器入口。取回流比R=100%-200%，则床层截面积为：

　　A=Q（1+R）/864u₁ （15）

　　式中回流比R=Qr/Q,Qr为回流水量（m³/d）。床层高由下式计算：

　　H=V/A （16）

　　如果得到的床高H及截面积A使H/D比例不当，则可相应调整R值。另外R的取值有时应考虑进水的稀释、充氧等因素。

　　4 设计计算示例

　　生活污水，流量Q=240m³/d，进水BOD5浓度Si=150mg/L，出水BOD5浓度要求Se=30mg/L,用两相生物流化床进行处理。
　　采用粒径为0.3-0.5mm，平均粒径ds=0.42mm的石英砂载体（平均粒径应以实测值为准）。载体真密度ρs=2.63cm³。取生物膜厚度δ=0.12mm，则生物果粒的粒径dp=0.66mm；生物颗粒的密度ρp为1.4g/cm³（湿生物膜密度ρf取1.03g/cm³）。
　　假设废水的密度和粘度均与20℃的纯水相同，则由式（8）得静置沉降雷诺数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）并试算解得静置沉降终速度ut=4.5cm/s。
　　由式（9）计算Richardson-Zaki常数n=3.1，再由式（10）确定床层的临界流化速度umf=0.26cm/s（取临界空隙率ε为0.4）。取上升流速u1=2.5umf=0.65cm/s，则由式（11）得床层空隙率ε=0.54。
　　取反应器中装填的载体总质量Ms=2000kg,则载体的真体积Vs=0.76m³，床层的体积V=6.4m³。
　　取生物膜含水率P=95%，则污泥负荷Fs=0.26kgBOD5/(kg.d），符合要求，所选Ms合理。
　　取回流比R=150%，则床层截面积A=1.1m2，反应器直径D=1.2m，有效床高H=5.8m。

参考文献：
[1]气液固流态化工程[M]，蔡平等译.北京：中国石油出版社，1993
[2]Iza J . Fluidized Bed Reactor for Anaerobic Wastewater Treat6ment[J].Wat Sci Tech,1991,24(8)

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