三相生物流化床的相含率及气液传质性能研究

谢 澄，陈中豪，疏明君，李友明

（华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心，广东 广州510641）

　　摘要：采用内循环三相生物流化床，用清水进行了在不同活性炭载体加入量下，当进气量改变时流化床内的气液传质性能的实验，认为当 U_g≥0.75 m³/h时，随着气体流量增加，可改善流化床的氧传质效率，缩短循环时间和混合时间，提高气含率，但过高的气体流量（U_g≥1.1m³/h）并不利于流化床的操作。载体加入量增加，会导致氧传递性能下降，循环时间和混合时间缩短，气含率减小。
　　关键词：内循环三相生物流化床；氧传递效率；气含率
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2001）06－0001－04

 Study on the Phase Holdup and Gas-Liquid Mass Transfer Efficiency in Biological Fluidised Bed 

　　　　　 XIE Cheng, CHEN Zhong-hao, SHU Ming-jun, LI You-ming

( Paper Making & Pollution Control Engineering Research Center, South China University of Technology, GuangZhou 5l0641, China )

　　Abstract: Gas-liquid mass transfer efficiency test with tap water and varied activated carbon carrier addition at varying amount of inlet air in an internal recycle three-phase biological fluidized bed shows that when U_g≥0.75 m³/h, the oxygen transfer efficiency in the fluidized bed can be improved, the circulating time as well as the mixing time can be reduced, and the air content can be increased with the increase of air flow, while too high an air flow (U_g≥1.1m³/h) is unfavorable to the operation of the fluidized bed. Increase of carrier addition will result in the decreased oxygen transfer efficiency, shortened recycle time, mixing time as well as the decrease of air content.
　　Key words: inner recycle Three-Phase Biological fluidized Bed; oxygen transfer efficiency; air content

　　生物流化床技术是70年代以来兴起的新型高效污水处理技术。其中的内循环三相生物流化床反应器是比较广泛研究和使用的一种。
　　气相含率和液体循环速度是流化床反应器流体力学性能的两个重要参数，而传质特性主要通过体积氧传质系数来反映。反应器内混合强度及传质过程与液体循环速度及气相合率有很大关系，反应器结构参数对液体循环速度与气相含率及其分布有显著的影响。如何提高流化床内的混合强度和氧传递能力，使之适合于强需氧过程中、高浓度有机废水的处理是值得深入研究的课题。本文主要从气相含率、液体循环速度及体系氧传质系数来研究内循环三相生物流化床流体力学与传质特性，为放大设计与工程应用提供依据。

1 实验装置及方法

　　实验所用的内循环生物流化床反应器高1.1m，有效容积36L，由升流区、降流区和三相分离区组成，高径比（H／D）为 6.0，内外径比（D₁／D₂）为0.65，由有机玻璃制成。
　　在流化床中加入粒径为0.3～2 mm、比表面积约 900 m²/g的颗粒活性炭作为载体。活性炭的有效体积与流化床有效体积之比分别为3％、6％。
　　为增加流化床内部的紊动和传质效果，在内筒的中部开有孔，一部分上升的流体可以从此与降流区的流体混合，进一步增强了流化床内部的传质效率，使反应器更接近于全混型流态，有利于保持流化床各处溶解氧的均匀性。因为进液流量较小，循环推动力主要来自压缩空气。
　　采用膜电极测定溶解氧的变化来测定不同固含率下氧传递效率，方法如下：在进水中加入适量的亚硫酸钠和催化剂氯化钴，使流化床中水的溶解氧降为0。鼓入空气，同时将溶解氧仪放入流化床内，每隔 10S测定溶解氧的变化。测定出溶解氧随时间的变化后，根据时间 t对ln（CS－C）作图可得一条直线，其方程是：ln（Cs－C）＝－K_La.t十常数。根据此直线的斜率可得到氧的总传递系数，其中Cs是实验温度下水的饱和溶解氧，C是实验测得的溶解氧浓度。
　　tc表示的是液体在反应器内完成一个循环的流动所需要的时间，主要由液体循环速度确定；t_M为混合时间，指某一物质加入反应器内达到完全混合所需的时间。采用脉冲法在不同水力停留时间和气体流量下，利用电导率仪测定混合时间t_M、循环时间tc的变化。
　　采用排出体积法测定气含率的变化情况。在不通入液体的情况下，向装满水的流化床内鼓入空气，根据溢出的水量与流化床有效体积之比，测定不同气体流量下的气含率ε_g。

2 结果与讨论

　　载体的加入会改变气液流相的性质，也就会改变流化床内的流动状态。而载体又是微生物生长附着的场所，其性质及加入量决定了流化床内的生物膜的量，因此，研究包含有载体的三相流化床的气液传质性能，探讨载体加入量对传质性能的影响，对后续微生物挂膜及废水处理的工艺参数选择具有重要的意义。
2.1 氧传递效率K_La
2.1.1 液体流量对氧传递效率的影响
　　固定气体流量 U_g＝0.5 m³／h，在固合率为0％时，改变液体流量。实验得到如下结果：
　　U_l＝8 L／h时，得：In（Cs－C）＝－0.0398t＋2.2336，K_La＝14.33h^-1；
　　U_l＝4 L／h时，得：In（CS－C）＝－0.0382t＋2.0545，K_La＝13.75h^-1；
　　由上可见，由于主要传质推动力来自气体，因此在较小的范围内改变液体流量，对氧传递效率K_La略有影响，但影响不大。
2.1.2 气体流量对氧传递效率的影响
　　为简化研究，通过改变气体流量来改变流化床内的氧传质状况，液体流量固定为 8 L／h。
　　在固含率0％的条件下测得不同气体流量下的氧传递系数见表1：

　　从表1可见，在气体流量从0.375 m³/h升高到0.5m³/h，氧传递效率有较显著的增高，之后再继续增加气体流量，氧传递效率增长比较缓慢且均匀。这是因为，当初期空气流量增加时，由于进入反应器的氧气量增加，可供溶解的氧量增加，使传质平衡由气体向液体的方向进行。同时由于气液接触表面积增大，再加上液膜由于剧烈紊动而变薄，这些都会减小氧传递的阻力，使氧传递效率提高。当氧气量达到一定水平以后，液膜内气体浓度梯度趋于稳定，形成平衡，氧传递系数的增加相应也减小了。值得注意的是，气体流速不能过大，否则易导致气泡聚并、增大，气体迅速从流化床内逃逸，反而不利于氧传递的进行，还会带来载体流失、生物挂膜困难等问题，因此应根据实验来确定适合的气体流量。
　　由于氧传递效率与气液界面的面积及液膜厚度有关，增大气液接触面积及减小液膜厚度可以提高氧传递效率。在同样气体流量下减小床体内的气泡直径可大大增加气液界面接触面积，同时由于气泡减小，造成气泡间液相紊流状态加剧，可使液膜变薄，因此，减小气泡直径对氧传递效率有利。气泡的大小主要由气体分布器的状况及气速决定，因此气体分布器在流化床的设计中具有重要的作用。本研究采用喷射气液混合流体，经文丘里管扩散后再经微孔分布器进入床体，最后产生的气泡很小且均匀，取得了良好的传质效果。
2.1.3 载体加入量对氧传递效率的影响
　　分别在流化床中加入有效体积含量3％和6％的载体，根据前面同样所述的方法进行氧传递效率的实验，发现由于载体量增加，初始流化所要求的气体流量也相应增加，否则载体很难流化，只有少量载体在上部活动，大部分沉积在流化床底部。当加大气体流量至1.5－2.0m³/h以上，经过一段时间缓慢的流态化后，载体才能全部流化起来，此时若降低气体流量至0.5 m³/h左右，仍能保持全流化床的流化状态，但若再低的话，则载体会很快沉降，不能再流化。如果在往流化床中添加载体前先开机，使流化床内的流体预先处于流化状态，再逐量加入载体，可在较低气体流量下完成载体的添加过程，并且不易导致堵塞。
　　对添加不同因含率的载体后，流化床的氧传递性能进行比较，结果见图1：

　　由图1，加入了载体以后，随着气体流量增加，流化床内的氧传递效率也是增加的，但在同样的气体流量下，载体加入越多，氧传递效率越低，这可用欧阳平凯等入的关联式来解释^「1」，见下式：
 　　K_La ＝(1.808－7.377ε_s)(l+A_d /A_r)^-2.12  ×U_Gr^0.904颜涌捷等入的研究结果也得到了类似的结论^「2」，见下式：
　　K_La ＝0.049(Re‘)^0.2(1+Ulp/Ugi)(Ug²/D_ig^0.72)(1-εs)¹⁰本实验中，氧传递效率K_La与气体流量Ug的关系经回归后可得如下方程：
　　εs=0％时，K_La＝9.9649lnUg＋20.097
　　εs＝3％时，K_La=2.6743Ug²＋11.55Ug＋3.7073 
　　εs=6％时，K_La＝1.5543Ug²＋15.205Ug＋0.0683
　 本实验中，在不同的气体流量下，经过数分钟的曝气，流化床内的溶解氧均能很快地从0 mg／L升高到8 mg／L左右，接近实验温度下饱和溶解氧的浓度，该浓度的溶解氧量已基本能满足生物处理过程的氧需要。因此，从溶氧需要方面来考虑，也不需要通过大量增加气体流量来提高溶解氧量，在保证可以流态化的前提下可以尽量降低气体流量，以减少能耗。
2.2 混合时间t_M和循环时间t_c
　　根据前述的方法进行实验，得到的t_M与t_c与气体流量的关系见图2、图3。由图可以看到，随着进入流化床的气体流量增加，流化床内流体循环的表观流速也增加，混合时间和循环时间迅速减小。可见，较高的进气流速加快了流体在流化床内的循环速度，有利于氧传递等传质过程的进行，缩短溶解氧的分布时间，保证流化床各处溶解氧的均匀，从而有利于有关化学和生物过程的进行。

　　实验结果显示，加入载体后，同样的气体流量下混合时间比没有加入载体时要短。这可能是因为加入载体后，增大了流体流动的复杂性，由于载体小颗粒在运动过程中发生翻转、碰撞等运动并带来尾涡等，使得流体的紊动大大加强，更接近于全混型流态。但从实验结果来看，当固含率从3％变化到6％时混合时间的变化并不大，这可能是因为加入一定量的载体以后，其对流态的影响趋于一致，再加入更多的载体对流态的影响已经不显著。
　　加入载体后循环时间也呈降低的趋势，原因一方面可能是载体的加入使得流化床内液体量减少，液相传递用时减小，另一方面可能是由于载体的加入增加了流体的表现密度，上升流体的抽吸力增加，使得降流区流体下降的流速升高，于是缩短了循环所需要的时间。不过由于实验手段有限，上述结论尚需进行进一步的实验及理论验证。
2.3 不同气体流量下的气含率
　　根据前面所述的方法得结果见图4，由图4可见，随着气体流量Ug的增加，气含率εg也不断升高，当 Ug增加到 0.9m³/h左右以后，εg的变化比较平缓，甚至开始有所下降。这从另一方面说明氧传递效率并不会随气体流量增加而无限增加，当气含率比较稳定以后，氧传递趋向平衡，传递效率也趋于稳定，因此，过高的气体流量是不必要的。

　 另外，从图4中也可以看到，固含率增加，其相同Ug下的εg略有下降，这可能是与载体占据了部分空间，气体能排开的液体体积减少有关。也可以认为是载体浓度大，则气体受到的浮力也大，运动速度加快，从而较容易逸出反应器，使得下降。通过回归可得到不同因含率下εg与Ug的关联式：
　　εg=0％时，εg=-3.7505Ug²＋8.6198Ug-1.4856
　　εg=3％时，εg=一3.2319Ug²＋7.8348Ug－1.4076
　　εg=6％时，εg=－3.1537Ug²＋7.7426Ug-1.5676

3 结论

　　①提高气体流量有利于缩短循环时间和停留时间，在一定范围内还会提高氧传递效率，增加气含率。但过高的气体流速会因为内部质点运动剧烈而导致微生物挂膜困难，并使生成的生物膜容易脱落，另外还会带来载体流失的问题。
　　②本实验中，固含率≤6％，当气体流量Ug≥0.75 m³/h，经过数分钟的鼓气以后，流化床内的溶解氧都能达到 80％－90％的饱和程度，即 8 mg/L左右，基本上可以满足生物处理的需要，而又能维持正常的流化状态。
　　③内循环三相流化床中的载体加入量增加时，同样气体流量下氧传递效率下降；循环时间与混合时间均缩短，气含率下降。载体加入量的多少需根据实际处理需要及流化床本身的允许量来确定。

参考文献：

　　[1]欧阳平凯.气升式反应器中三相体系进行半连续操作的气含率和传质特性研究.化学反应工程与工艺，1991，7（l）：5－67.
　　[2]颜涌捷.提升管三相流化床内的气液传质系数.高校化学工程学报，1996，10（1）：52－58.

作者简介：谢澄（1976－），男（苗族），贵州雷山人，华南理工大学造纸与环境工程学院99级博士研究生，主要从事造纸工业污染控制方面的研究。