謝 澄，陳中豪，疏明君，李友明

（華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心，廣東 廣州510641）

　　摘要：采用內循環(huán)三相生物流化床，用清水進行了在不同活性炭載體加入量下，當進氣量改變時流化床內的氣液傳質性能的實驗，認為當 U_g≥0.75 m³/h時，隨著氣體流量增加，可改善流化床的氧傳質效率，縮短循環(huán)時間和混合時間，提高氣含率，但過高的氣體流量（U_g≥1.1m³/h）并不利于流化床的操作。載體加入量增加，會導致氧傳遞性能下降，循環(huán)時間和混合時間縮短，氣含率減小。
　　關鍵詞：內循環(huán)三相生物流化床；氧傳遞效率；氣含率
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　生物流化床技術是70年代以來興起的新型高效污水處理技術。其中的內循環(huán)三相生物流化床反應器是比較廣泛研究和使用的一種。
　　氣相含率和液體循環(huán)速度是流化床反應器流體力學性能的兩個重要參數(shù)，而傳質特性主要通過體積氧傳質系數(shù)來反映。反應器內混合強度及傳質過程與液體循環(huán)速度及氣相合率有很大關系，反應器結構參數(shù)對液體循環(huán)速度與氣相含率及其分布有顯著的影響。如何提高流化床內的混合強度和氧傳遞能力，使之適合于強需氧過程中、高濃度有機廢水的處理是值得深入研究的課題。本文主要從氣相含率、液體循環(huán)速度及體系氧傳質系數(shù)來研究內循環(huán)三相生物流化床流體力學與傳質特性，為放大設計與工程應用提供依據(jù)。

1 實驗裝置及方法

　　實驗所用的內循環(huán)生物流化床反應器高1.1m，有效容積36L，由升流區(qū)、降流區(qū)和三相分離區(qū)組成，高徑比（H／D）為 6.0，內外徑比（D₁／D₂）為0.65，由有機玻璃制成。
　　在流化床中加入粒徑為0.3～2 mm、比表面積約 900 m²/g的顆粒活性炭作為載體。活性炭的有效體積與流化床有效體積之比分別為3％、6％。
　　為增加流化床內部的紊動和傳質效果，在內筒的中部開有孔，一部分上升的流體可以從此與降流區(qū)的流體混合，進一步增強了流化床內部的傳質效率，使反應器更接近于全混型流態(tài)，有利于保持流化床各處溶解氧的均勻性。因為進液流量較小，循環(huán)推動力主要來自壓縮空氣。
　　采用膜電極測定溶解氧的變化來測定不同固含率下氧傳遞效率，方法如下：在進水中加入適量的亞硫酸鈉和催化劑氯化鈷，使流化床中水的溶解氧降為0。鼓入空氣，同時將溶解氧儀放入流化床內，每隔 10S測定溶解氧的變化。測定出溶解氧隨時間的變化后，根據(jù)時間 t對ln（CS－C）作圖可得一條直線，其方程是：ln（Cs－C）＝－K_La.t十常數(shù)。根據(jù)此直線的斜率可得到氧的總傳遞系數(shù)，其中Cs是實驗溫度下水的飽和溶解氧，C是實驗測得的溶解氧濃度。
　　tc表示的是液體在反應器內完成一個循環(huán)的流動所需要的時間，主要由液體循環(huán)速度確定；t_M為混合時間，指某一物質加入反應器內達到完全混合所需的時間。采用脈沖法在不同水力停留時間和氣體流量下，利用電導率儀測定混合時間t_M、循環(huán)時間tc的變化。
　　采用排出體積法測定氣含率的變化情況。在不通入液體的情況下，向裝滿水的流化床內鼓入空氣，根據(jù)溢出的水量與流化床有效體積之比，測定不同氣體流量下的氣含率ε_g。

2 結果與討論

　　載體的加入會改變氣液流相的性質，也就會改變流化床內的流動狀態(tài)。而載體又是微生物生長附著的場所，其性質及加入量決定了流化床內的生物膜的量，因此，研究包含有載體的三相流化床的氣液傳質性能，探討載體加入量對傳質性能的影響，對后續(xù)微生物掛膜及廢水處理的工藝參數(shù)選擇具有重要的意義。
2.1 氧傳遞效率K_La
2.1.1 液體流量對氧傳遞效率的影響
　　固定氣體流量 U_g＝0.5 m³／h，在固合率為0％時，改變液體流量。實驗得到如下結果：
　　U_l＝8 L／h時，得：In（Cs－C）＝－0.0398t＋2.2336，K_La＝14.33h^-1；
　　U_l＝4 L／h時，得：In（CS－C）＝－0.0382t＋2.0545，K_La＝13.75h^-1；
　　由上可見，由于主要傳質推動力來自氣體，因此在較小的范圍內改變液體流量，對氧傳遞效率K_La略有影響，但影響不大。
2.1.2 氣體流量對氧傳遞效率的影響
　　為簡化研究，通過改變氣體流量來改變流化床內的氧傳質狀況，液體流量固定為 8 L／h。
　　在固含率0％的條件下測得不同氣體流量下的氧傳遞系數(shù)見表1：

　　從表1可見，在氣體流量從0.375 m³/h升高到0.5m³/h，氧傳遞效率有較顯著的增高，之后再繼續(xù)增加氣體流量，氧傳遞效率增長比較緩慢且均勻。這是因為，當初期空氣流量增加時，由于進入反應器的氧氣量增加，可供溶解的氧量增加，使傳質平衡由氣體向液體的方向進行。同時由于氣液接觸表面積增大，再加上液膜由于劇烈紊動而變薄，這些都會減小氧傳遞的阻力，使氧傳遞效率提高。當氧氣量達到一定水平以后，液膜內氣體濃度梯度趨于穩(wěn)定，形成平衡，氧傳遞系數(shù)的增加相應也減小了。值得注意的是，氣體流速不能過大，否則易導致氣泡聚并、增大，氣體迅速從流化床內逃逸，反而不利于氧傳遞的進行，還會帶來載體流失、生物掛膜困難等問題，因此應根據(jù)實驗來確定適合的氣體流量。
　　由于氧傳遞效率與氣液界面的面積及液膜厚度有關，增大氣液接觸面積及減小液膜厚度可以提高氧傳遞效率。在同樣氣體流量下減小床體內的氣泡直徑可大大增加氣液界面接觸面積，同時由于氣泡減小，造成氣泡間液相紊流狀態(tài)加劇，可使液膜變薄，因此，減小氣泡直徑對氧傳遞效率有利。氣泡的大小主要由氣體分布器的狀況及氣速決定，因此氣體分布器在流化床的設計中具有重要的作用。本研究采用噴射氣液混合流體，經(jīng)文丘里管擴散后再經(jīng)微孔分布器進入床體，最后產(chǎn)生的氣泡很小且均勻，取得了良好的傳質效果。
2.1.3 載體加入量對氧傳遞效率的影響
　　分別在流化床中加入有效體積含量3％和6％的載體，根據(jù)前面同樣所述的方法進行氧傳遞效率的實驗，發(fā)現(xiàn)由于載體量增加，初始流化所要求的氣體流量也相應增加，否則載體很難流化，只有少量載體在上部活動，大部分沉積在流化床底部。當加大氣體流量至1.5－2.0m³/h以上，經(jīng)過一段時間緩慢的流態(tài)化后，載體才能全部流化起來，此時若降低氣體流量至0.5 m³/h左右，仍能保持全流化床的流化狀態(tài)，但若再低的話，則載體會很快沉降，不能再流化。如果在往流化床中添加載體前先開機，使流化床內的流體預先處于流化狀態(tài)，再逐量加入載體，可在較低氣體流量下完成載體的添加過程，并且不易導致堵塞。
　　對添加不同因含率的載體后，流化床的氧傳遞性能進行比較，結果見圖1：

　　由圖1，加入了載體以后，隨著氣體流量增加，流化床內的氧傳遞效率也是增加的，但在同樣的氣體流量下，載體加入越多，氧傳遞效率越低，這可用歐陽平凱等入的關聯(lián)式來解釋^「1」，見下式：
 　　K_La ＝(1.808－7.377ε_s)(l+A_d /A_r)^-2.12  ×U_Gr^0.904顏涌捷等入的研究結果也得到了類似的結論^「2」，見下式：
　　K_La ＝0.049(Re‘)^0.2(1+Ulp/Ugi)(Ug²/D_ig^0.72)(1-εs)¹⁰本實驗中，氧傳遞效率K_La與氣體流量Ug的關系經(jīng)回歸后可得如下方程：
　　εs=0％時，K_La＝9.9649lnUg＋20.097
　　εs＝3％時，K_La=2.6743Ug²＋11.55Ug＋3.7073 
　　εs=6％時，K_La＝1.5543Ug²＋15.205Ug＋0.0683
　 本實驗中，在不同的氣體流量下，經(jīng)過數(shù)分鐘的曝氣，流化床內的溶解氧均能很快地從0 mg／L升高到8 mg／L左右，接近實驗溫度下飽和溶解氧的濃度，該濃度的溶解氧量已基本能滿足生物處理過程的氧需要。因此，從溶氧需要方面來考慮，也不需要通過大量增加氣體流量來提高溶解氧量，在保證可以流態(tài)化的前提下可以盡量降低氣體流量，以減少能耗。
2.2 混合時間t_M和循環(huán)時間t_c
　　根據(jù)前述的方法進行實驗，得到的t_M與t_c與氣體流量的關系見圖2、圖3。由圖可以看到，隨著進入流化床的氣體流量增加，流化床內流體循環(huán)的表觀流速也增加，混合時間和循環(huán)時間迅速減小。可見，較高的進氣流速加快了流體在流化床內的循環(huán)速度，有利于氧傳遞等傳質過程的進行，縮短溶解氧的分布時間，保證流化床各處溶解氧的均勻，從而有利于有關化學和生物過程的進行。

　　實驗結果顯示，加入載體后，同樣的氣體流量下混合時間比沒有加入載體時要短。這可能是因為加入載體后，增大了流體流動的復雜性，由于載體小顆粒在運動過程中發(fā)生翻轉、碰撞等運動并帶來尾渦等，使得流體的紊動大大加強，更接近于全混型流態(tài)。但從實驗結果來看，當固含率從3％變化到6％時混合時間的變化并不大，這可能是因為加入一定量的載體以后，其對流態(tài)的影響趨于一致，再加入更多的載體對流態(tài)的影響已經(jīng)不顯著。
　　加入載體后循環(huán)時間也呈降低的趨勢，原因一方面可能是載體的加入使得流化床內液體量減少，液相傳遞用時減小，另一方面可能是由于載體的加入增加了流體的表現(xiàn)密度，上升流體的抽吸力增加，使得降流區(qū)流體下降的流速升高，于是縮短了循環(huán)所需要的時間。不過由于實驗手段有限，上述結論尚需進行進一步的實驗及理論驗證。
2.3 不同氣體流量下的氣含率
　　根據(jù)前面所述的方法得結果見圖4，由圖4可見，隨著氣體流量Ug的增加，氣含率εg也不斷升高，當 Ug增加到 0.9m³/h左右以后，εg的變化比較平緩，甚至開始有所下降。這從另一方面說明氧傳遞效率并不會隨氣體流量增加而無限增加，當氣含率比較穩(wěn)定以后，氧傳遞趨向平衡，傳遞效率也趨于穩(wěn)定，因此，過高的氣體流量是不必要的。

　 另外，從圖4中也可以看到，固含率增加，其相同Ug下的εg略有下降，這可能是與載體占據(jù)了部分空間，氣體能排開的液體體積減少有關。也可以認為是載體濃度大，則氣體受到的浮力也大，運動速度加快，從而較容易逸出反應器，使得下降。通過回歸可得到不同因含率下εg與Ug的關聯(lián)式：
　　εg=0％時，εg=-3.7505Ug²＋8.6198Ug-1.4856
　　εg=3％時，εg=一3.2319Ug²＋7.8348Ug－1.4076
　　εg=6％時，εg=－3.1537Ug²＋7.7426Ug-1.5676

3 結論

　　①提高氣體流量有利于縮短循環(huán)時間和停留時間，在一定范圍內還會提高氧傳遞效率，增加氣含率。但過高的氣體流速會因為內部質點運動劇烈而導致微生物掛膜困難，并使生成的生物膜容易脫落，另外還會帶來載體流失的問題。
　　②本實驗中，固含率≤6％，當氣體流量Ug≥0.75 m³/h，經(jīng)過數(shù)分鐘的鼓氣以后，流化床內的溶解氧都能達到 80％－90％的飽和程度，即 8 mg/L左右，基本上可以滿足生物處理的需要，而又能維持正常的流化狀態(tài)。
　　③內循環(huán)三相流化床中的載體加入量增加時，同樣氣體流量下氧傳遞效率下降；循環(huán)時間與混合時間均縮短，氣含率下降。載體加入量的多少需根據(jù)實際處理需要及流化床本身的允許量來確定。

參考文獻：

　　[1]歐陽平凱.氣升式反應器中三相體系進行半連續(xù)操作的氣含率和傳質特性研究.化學反應工程與工藝，1991，7（l）：5－67.
　　[2]顏涌捷.提升管三相流化床內的氣液傳質系數(shù).高校化學工程學報，1996，10（1）：52－58.

作者簡介：謝澄（1976－），男（苗族），貴州雷山人，華南理工大學造紙與環(huán)境工程學院99級博士研究生，主要從事造紙工業(yè)污染控制方面的研究。