陳若宇，邢國平，孫寶盛，顏 玲
（天津大學建筑工程學院，天津300072）

　　摘　要：通過實驗證明循環(huán)移動載體生物膜反應器（CMCBR）的流態(tài)特性接近完全混合，利用能量方程對反應器的水力性能進行分析，得出影響反應器水力性能的主要因素有供氣量、提升區(qū)與回落區(qū)的面積比、阻力系數和有效水深。在不同氣量和填充比條件下對充氧性能加以比較，并對充氧性能的變化機理進行了探討。
　　關鍵詞：廢水處理；生物膜反應器；填充比；完全混合式
　　中圖分類號：X703．3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　 循環(huán)移動載體生物膜反應器是利用表面附著生物膜的填料，在好氧條件下，通過曝氣來實現填料的循環(huán)移動，使水流與填料充分接觸，達到高效處理有機廢水的一種新型工藝，具有生物量高、不堵塞且無需反沖洗等特點。在本研究中，填料由聚乙烯材料制 成，密度為0.96g／cm³，形狀為小圓柱體（直徑約10mm，高7mm），體內有米字支撐，外側沿徑向伸展許多尾翅。填料在反應器內的填充比根據實際需要確定，最高可達到70％。生物膜可附著的比表面積約為500m²／m³，由于生長在該柱形填料外表面的生物膜比內表面少得多，實際的附著表面積僅為350m²／m³左右^[1]。

1 流態(tài)特征

1．1 反應器構造
　　循環(huán)移動載體生物膜反應器的有效水深1.20m．有效容積172L，由導流板將其分成提升區(qū)和回落區(qū)，見圖1。

1．2 水流流態(tài)
　　在連續(xù)污水生物處理反應器中，水的流態(tài)存在兩種型式——推流式和完全混合式。但在大多數反應器中，水的流態(tài)介于兩者之間。
　　循環(huán)移動載體生物膜反應器大致符合完全混合的特征，載體在反應器內循環(huán)移動時，污水被不斷提升形成循環(huán)，而且循環(huán)水量遠大于進水量。當原水進人反應器后，會很快與循環(huán)水混合而被稀釋，從而被均勻分散到整個反應器的容積內。具體表現為，在不同進水流量下，反應器內各區(qū)域的COD值相差不大，而且隨著進水流量的增大，不同區(qū)域COD的差值越來越小，數據見表1。
1．3 水力性能
　　在反應器內，廢水循環(huán)的動力來源于提升區(qū)和回落區(qū)的壓差，此壓差等于流體流動的動能、沿程阻力損失以及局部阻力損失之和^[2]。以反應器底部質量為m的微元為研究對象，根據能量方程，得：

　　　　 （1-Z_h）mgh-（1-Z_t）mgh
　　　　　 ＝mu_t²／2-mu_h²/2+∑ξimu_t²/2　　　　 (1)
　　式中：m——元體的質量，g；
　　　　　g——重力加速度，m/s2
　　　　　Zh——回落區(qū)氣體的滯留量，無量綱；
　　　　　Zt——提升區(qū)氣體的滯留量，無量綱；
　　　　　uh——回落區(qū)液體流速，m／s；
　　　　　ut——提升區(qū)液體流速，m／s；
　　　　　h——反應器的高度，m；
　　　　　∑ξi——沿程阻力和局部阻力系數之和。
　　（1）式兩邊同時除以mg，得：
　　　　 （1-Z_h）h-（1-Z_t）h
　　　　　 ＝u_t²／2g－u_t²／2g +∑ξiu_t²/2g　　　　 （2）
　　由于在提升區(qū)曝氣，大量氣體在提升區(qū)上部逸出，回落區(qū)夾帶的氣體滯留量很小，與提升區(qū)相比可忽略不計，即Zh≈0上式可簡化得：
　　　　　 Zth＝u_t²/2g-u_t²/2g+∑ξiu_t²/2g 　　　　 （3）
　　而uh=(At／Ah）ut
　　式中：At、Ah——分別為提升區(qū)和回落區(qū)的橫截面積，得：
　　　　　Zt=u_t²（1－A_t²／Ah2+∑ξi)／2gh　　　　 （4）
　　假定提升區(qū)氣體滯流量二；與供氣量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氣量Qg對反應器中液體的循環(huán)及混合情況影響很大。當Qg和h一定時，循環(huán)速度與提升區(qū)和回落區(qū)的面積之比At／Ah、阻力系數有關。
　　②影響阻力系數ξi的主要因素是導流板底與反應器底之間的距離，因為回落區(qū)下向流動流體在導流板底部經180度轉彎進人提升區(qū)而向上流動，這種流動方向的改變造成的水頭損失較大。當Qg和h固定時，導流板底與反應器底部的距離越大，則阻力越小，循環(huán)速度越大。
　　③若Qg固定，導流板上下位置固定，左右位置也固定（At／Ah固定），增大反應器的有效水深h，雖然流體的沿程阻力損失也增大，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，氣量Qg越大，ut越大，也就是說，在已經確定了反應器的設計參數后，只能通過控制氣量Qg來控制反應器內的循環(huán)移動速度。但Qg變大，能耗將增加而使處理工藝不經濟。
　　本試驗所用的循環(huán)移動載體生物膜反應器導流板距反應器底部的距離為250mm，提升區(qū)與回落區(qū)的橫截面積比2／3，提升區(qū)的水流速度大于回落區(qū)，有利于載體的循環(huán)移動。
　　試驗表明，反應器內的循環(huán)速度越大，越有利于流體通過剪切作用脫除過厚的生物膜，保持較高的生物活性。但如果循環(huán)速度過大，則載體表面的生物膜很薄，大部分生物以懸浮狀態(tài)存在而且如果發(fā)生在反應器的啟動初期，將造成掛膜困難。
　　為了實現載體的提升循環(huán)，曝氣量必定存在一個最低值。隨著氣速的增加，載體在提升區(qū)的上升速度和回落區(qū)的下沉速度均增大；隨著填充比的增加，在相同氣速下載體的運動速度減小。在不同填充比時，填料的運動速度與氣速的關系見表2。

2 充氧性能

　　循環(huán)移動載體生物膜反應器采用鼓風曝氣，空壓機送出的壓縮空氣先進人貯氣罐，在穩(wěn)壓閥控制下，用微孔曝氣頭曝氣。本試驗用氧轉移系數K_La來評價空氣擴散裝置的供氧能力，利用亞硫酸鈉和催化劑氯化鉆進行脫氧，化學反應式為：
　　　　Na₂SO₃+(1/2)O₂→Na₂SO₄

表2 在不同填充比時，填料的運動速度與氣量的關系 氣量（m³.h^-1) 填料在提升區(qū)上升速度/（s.m^-1) 填料在回落區(qū)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

　　理論上與1mg的氧完全反應需要7.9mg的亞硫酸鈉，但是為了使液體完全脫氧，向水中添加的量要大于理論值^[3]，實際投加量為每1mg的氧投加8-12mg Na₂SO₃和0.2－0.5mg的CoCl₂。在溶解氧為時穩(wěn)定的狀態(tài)下，進行曝氣充氧，待反應器內的載體循環(huán)移動后再控制氣量，每隔一段時間測定溶解氧值，直到飽和為止。水中溶解氧的變化率或轉移率，可用如下公式^[4]表示：
　　　　　　dC／dt＝KLa（Cs－C）　 （6）
　　積分得：
　　　　　　Ln（Cs－C）＝－KLat＋b （7）
　　式中：KLa——氧總轉移系數，表示在曝氣過程中氧的總傳遞性；
　　　　　Cs——飽和溶解氧濃度，mg／L；
　　　　　C——溶解氧濃度，mg／L；
　　　　　t——時間，min；
　　　　　b——積分常數。
　　根據充氧過程中C－t關系，作Ln（Cs－C）-t的曲線，可得到一條直線，其斜率為-KLa，曲線越陡，說明KLa值越大，氧傳遞的阻力越小，氧傳遞的速度也越快。
　　本試驗采用0.6、0.8和1.0m³／h三組不同的氣量，在填料填充比為0、30％和50％時進行試驗，數據見表3。

表3 K_La與填充比及氣量的關系 填充比/% 氣量/（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％三個不同的填充比下，其氧轉移系數的平均值分別為0.14、0.142和0.21。可見，隨著填充比的增加，氧轉移系數呈上升的趨勢。在較低的通氣量時，隨著氣量的增加，反應器氧轉移系數增加。這是因為氣體由孔口釋放后，在上升過程中，除受到紊動水流的剪切力外，還在上升過程中由勢能轉化為動能，利用其自身的動能撞擊載體表面，使氣泡破裂，直徑進一步減小，相應增大了接觸面積。而且，小氣泡在載體空隙內頂托水流，迫使空隙內的水流迅速循環(huán)，相互混合，使氣泡在上升過程中由接觸到更多水流。同時，水流紊動的加強，也有利于氣液兩相界面的更新，從而可促進氧的利用率。但是氧傳遞系數并不總隨氣量的增加而增加，當氣量大幅度提高時，形成的氣泡直徑增大，在液相中停留的時間短，氧的利用率反而會下降。

3 小結

　　①CMCBR的水流流態(tài)為完全混合，原水進入反應器中與循環(huán)水混合稀釋，均勻分散到整個反應器中。
　　②反應器中液體循環(huán)混合狀況與供氣量、導流 板距反應器底部的距離及提升區(qū)和回落區(qū)面積之比有關，權衡去除效率和經濟因素，實驗中導流板距反 應器底部的距離取250mm，提升區(qū)與回落區(qū)面積之比2／3。
　　③隨著填充比的增加．氧轉移系數逐漸上升，鑒于循環(huán)流速的限制，50％的填充比較合適。
　　④水流紊動的加強也有利于氧的利用，但氣量過高時，氧的利用率反而會下降。

參考文獻：

　　[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，錢易．內循環(huán)生物流化床反應器的理論分析[J]．環(huán)境科學，1994，16（2）：88－90．
　　[3]拉里 D貝尼菲爾德，等．廢水生物處理過程設計[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983．279-315．
　　[4] 張自杰，顧夏聲，等．排水工程下冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996．114-121．

　　作者簡介：陳若宇（1978-），男，山西太原人，碩士研究生，現就讀于天津大學建筑工程學院環(huán)境工程系。