郭東敏，朱文亭，潘艷艷
(天津大學 環境科學與工程學院，天津　 300072)

　　摘要：對循環移動載體生物膜反應器進行了研究。通過改變循環移動載體膜生物反應器的結構尺寸，研究了反應器內氧轉移系數變化。研究結果認為在反應器的升、降流區面積之比為2/3，擋板上方液面高度和底隙高度均為25mm，填料的填充比為50%時，氧轉移效率最高。
　　關鍵詞：生物膜反應器；填料；氧轉移系數；污水處理
　　中圖分類號：X703.3　 文獻標識碼：A　 文章編號：1009-2455（2003）05-0007-03

A Study of Factors Affecting Performance of Circulated Moving CA_rrier Bio-membrane Reactor

GUO Dong-min,ZHU Wen-ting,PAN Yan-yan
(college of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

　　Abstract:Changes of oxygen transfer coefficient were studied in a test of Circulated Moving CA_rrier Bio-membrane Reactor(CMCBR)by changing the design and size of the CMCBR.It was shown by the resuL_T of the test that the oxygen transfer coefficient was the highest when the ratio of the A_rea of the flow-increasing zone of the reactor to that of the flow-decreasing zone was 2/3,the height of the liquid level above the baffle plate and the height of the bottom cleA_rance were both 250mm and the filling ratio of filler was 50%.
　　Key words:bio-membrane reactor;filler;oxygen transfer coefficient;wastewater treatment

　　循環移動載體生物膜反應器是對傳統移動載體生物膜反應器進行改良后的一種新型工藝。在本工藝中，表面附著生物膜的填料在反應器內循環移動，使水流與填料充分接觸，消除死角與溝流，達到高效處理有機廢水的目的。該工藝具有生物量高、能連續運行、無堵塞且不需反沖洗等特點。作為好氧生物污水處理工藝，氧轉移效率的高低直接影響著反應器的處理效率和能耗的高低，對本工藝而言，反應器的結構和操作參數對反應器的充氧能力有著直接、關鍵的決定性作用。本文結合模擬反應器實驗數據，在理論分析的基礎上探討了合適的反應罪結構和操作參數的選取范圍。

1 實驗裝置及實驗方法

　　影響反應器充氧性能的結構和操作參數主要為反應器升流區與降流區截面積之比、擋板上方的液面高度和底隙高度、曝氣量和填充比的大小等，根據實際運行的移動床反應器的結構特點，本實驗確定了如下實驗裝置和實驗方法。
1.1實驗裝置

　　圖1所示為本試驗中采用的循環移動載體生物膜反應器實驗裝置，外形尺寸為L×W×H=1000mm×250mm×1400mm，由反應區和沉淀區兩部分組成。反應區有效水深為1.2m，有效體積為172L，由導流隔板將其分成升流區和降流區。內裝CLS-Ⅲ型空心圓柱填料(密度約為0.96g／cm³，比表面積為350m2／m³)，由微孔曝氣管在升流區進行曝氣充氧，造成升流區和降流區污水的密度差，從而使液體夾帶著填料在反應器中不斷地循環移動。
1.2 實驗方法
　　在不同的結構和操作參數條件下，在進水中加適量Na2S03和催化劑CoCl2，使移動床中的溶解氧降為零，通人空氣，同時將溶解氧測定儀放人反應器中，每隔一定時間測定溶解氧的變化，根據ln(Cs—C)與時間的直線關系，其斜率即為氧轉移系數[1]。
　　本實驗所測定的數據均為清水實驗數據，由于移動床反應器內水的流態大致符合完全混合的特征，反應器內務區域水的物理和化學性質相差不大，因此使用清水實驗數據得出的結論同樣適用于污水實驗，也可用于實際生產。

2 實驗結果及理論分析

2.1 升、降流區截面積之比(A_r／A_d)對充氧能力的影響
　　理論分析認為：當較小時A_r／A_d，升流區的流速快，導致氣泡聚并，而且進入降流區時液體降流速低，不足以將氣泡攜帶進入此區，因此降流區溶解氧濃度變小；當A_r／A_d較大時，升流區液流速度較慢，氣泡聚并的機會減少，溶解氧變大。但若A_r／A_d過大，氣泡在溶解到液體之前逃逸液面的機會增多，導致降流區的溶解氧濃度急劇下降，反應器總溶解氧量也會略有下降。當曝氣量為0.75m³h，A_r／A_d取不同值時反應器內降流區混合液溶解氧含量比較見表1。
　　從表1可以看出，當A_r／A_d取值范圍在2/3左右時，(此時，底隙高度LB。取為250mm)可以得到較好的充氧效果，而其值變大或變小，都會使反應器內氧轉移效率下降。

表1 不同A_r／A_d值時降流區溶解氧濃度變化 A_r/A_d 不同曝氣時間的溶解氧ρ（O₂）/(mg·L^-1) 3min 5min 8min 1/4 5.8 6.1 6.8 1/3 6.0 6.8 7.5 2/3 6.4 7.2 8.4 3/4 6.2 7.0 8.2

2.2 　擋板上方的液面高度L_T，與底隙高度LB對充氧能力的影響
　　反應器有效水深確定后，將反應器升流區和降流區隔開的擋板高低位置發生變化時，反應器的氧轉移效率和液體循環速度都會發生相應的變化。實驗中發現適當增大液面高度L_T值，液體循環速度和氧轉移系數均有所上升，原因可能是升流區氣泡在逃逸液面之前與液體有更長時間的接觸將能量傳遞給液相，從而使降流區的液體下降速度加快。但L_T過大，降流區內的填料就會有一部分通過擋板上端返回到升流區，影響反應器內填料的正常循環移動。

表2　不同L_T值時降流區溶解氧和液體循環速度的關系 液面高度L_T/mm 溶解氧ρ（O₂）/(mg·L^-1) 液體循環速度／(cm·s^-1) 150 6.8 8.5 200 6.9 9.6 250 7.2 10 300 7.5 12.5 350 7.6 13.3 注：表2數據是在A_r/A_d值取為2/3的條件下測定的，曝氣量為0.75m³/h。溶解氧的質量濃度為降流區內混合液曝氣8min后測定的結果。

　　從表2中可以看出，當L_T值變大時，液體循環速度和溶解氧的質量濃度均有所上升但實驗同時發現 L_T值超過250mm后液面部分填料會出現短流現象，而加大液體循環速度至15 cm／s后，L_T值可達到350 mm，但此時能耗將大幅度增加，因此當液體速度在10cm／s左右時，取L_T值為250mm。
　　底隙高度LB。是指曝氣裝置到擋板的垂直距離，它是一個重要的參數。如果LB過小，則液體流動阻力大，會降低液體循環速度和含氣率，且生物載體在由降流區進入升流區時受到的剪切作用大，不利于生物膜的生長；如果LB過大，則由曝氣裝置出來的部分氣泡會進入降流區，同樣降低液體循環速度和含氣率，甚至導致流型的改變，而影響反應器的性能。本試驗取底隙高度LB值為250 mm，表1的試驗結果證明這一取值是合理的。
2.3 曝氣量與填充比對氧轉移系數的影響
　　曝氣量和填充比是移動床反應器關鍵性的操作參數之一，它們的取值直接影響著反應器氧轉移效率的大小，不同填充比下氧轉移系數隨氣量的變化關系曲線見圖2，不同氣量下氧轉移系數隨填充比的變化關系曲線見圖3。

　　試驗表明：曝氣量和填充比同時影響著氧轉移系數。在無填料的情況下，曝氣量是主導因素：氧轉移系數隨著曝氣量的增加先增大而又減小。因為在低氣量的條件下，隨著氣體流量的增大，含氣率增大，相應地增大了氣液接觸面積；而當氣體流量增大到一定程度后，曝氣產生的氣泡直徑變大，上升速度快，氣泡更易于逃逸，使氧轉移系數降低。
　　在一定的填充比的情況下，一方面由于填料占據本來的一部分液體空間導致反應器內含氣率下降，另一方面由于填料切割氣泡的作用使氣泡直徑變小而增大轉移系數。從圖中可以看出，在氣量為0.8m³／h時，填充比為0時的K_La。值大于填充比為30％時的K_La。這可能是因為在無填料填充時，0.8m³／h左右的曝氣量使氧轉移系數達到最大。而加入30％的填料后，填料占據液體空間使含氣率下降的作用占主導地位，因此氧轉移系數隨著填料的加入變小。但當填充比大于30％后，隨著填充比的增加氧轉移系數增大。

3 小結

　　①在移動床反應器氧轉移效率的各項影響因素中，曝氣量的影響最大，但同時也不可忽略其他影響因素。
　　②權衡反應器流體狀態和經濟因素后，實驗中L_T與LB值均取為250mm，提升區與回落區之比A_r/A_d值為2/3。
　　③隨著填充比的增加，氧轉移系數逐漸上升，鑒于循環流速的限制，50％的填充比比較適合。
　　④隨著曝氣量的增加，水流紊動性加大，有助于氧的利用，但氣量過高時，又會導致氧利用率的下降。

參考文獻：

[1]謝澄，陳中豪，疏明君，等．三相生物流化床的相含率及氣液傳質性能研究[J]．工業用水與廢水，2001，32(6)：1—4．

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作者簡介：郭東敏(1977—)，女，黑龍江大慶人，天津大學在讀碩士研究生，研究方向為水污染控制， 電話(022)27890371，wangwang7668@eyou.com