顏智勇　胡勇有　肖繼波　謝磊　仲海濤
（華南理工大學造紙與環境工程學院，廣東 廣州　510641）

　　摘要：用自來水加葡萄糖配成 10 000 mg/L的溶液模擬廢水，用強堿性陰離子樹脂模擬生物顆粒污泥，用注入空氣的方式模擬反應器中產生的沼氣的方法，研究了顆粒污泥膨脹床反應器中的流態情況。結果表明：上升流速νup是影響EGSB反應器膨脹性能的主要參數，ν_up 小于10 m/h時，模擬的顆粒污泥不會流失；ν_up為3，4和6m/h時，通過示蹤劑濃度計算出的試驗平均停留時間分別為 54.2，46.2，28.3 min，均小于各自的理論平均停留時間，說明反應器中存在死區。在理論停留時間為 30，45，60 min時，反應器中的死區百分比分別為 5.6％，5.3％，9.7％，離散數分別為0.134，0.105，0.092。
　　關鍵詞：EGSB 反應器；流態研究；污水處理；顆粒污泥
　　中圖分類號：X703.1　 文獻標識碼：A　 文章編號：1009—2455（2004）02—0005—05

Simulation of Flow Patterns in EGSB Reactor
YAN Zhi－yong，HU Yong－you，XIAO Ji－ho，XIE Let，ZHONG Hai-tao
（College of Paper ＆ Environmental Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China）

　　Abstract：The flow patterns in expanded granular sludge bed was studied.A 10 000 mg／L solution　prepared with portable water and glucose was used to slmubo the waste water，a strong－ahallne anlon－exchange　resin was used to simulate the hlologlcal granular sludge，while the methane produced in the EGSB reactor was　simulated by injecting air.The result indicated that the flowing up velocity ν_up was the primary parameter　affecting the expandability of the EGSB reactor； when ν_up was lower than 10 m／h，the simulated granular sludge did not low away，while when vu。was 3 In／h，4 m／h and 6 In／h，he experlmelltal average residence time　calculated against the concentration of the tracer was 54.2 min，46.2 min and 28.3 mln respectively，each of　whlchwas smallerthan its respective theoretical average residence time，which Indicated the exlstence ofdead　zones.When the theratlcal residence time was 30 mln，45 mln and 60 mln，the percentages ofdead zone In the　reactor were 5.6％，5.3％and 9.7％，and the dispersion numbers were 0.134，0.105 and 0.092 respectively.
　　Key Words：EGSB reactor；study of flow patterns;watewater treatment;granularsludge

　　EGSB用于處理高濃度有機廢水已日益受到人們的重視。流態對任何一種生化反應器的性能都有重要的影響，在EGSB反應器中，固、液、氣混合共存使得研究EGSB實際流態是非常困難的。在研究EGSB反應器內的水力學行為方面，盡管作了不少努力，但是結果仍然不能令人信服。本文模擬EGSB反應器中的環境（顆粒污泥、沼氣和廢水），通過不同水力條件的停留時間分布和流態觀察方法，來研究 EGSB反應器中的流態行為，為反應器的設計提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置與流程
　　模擬試驗是在小試EGSB反應器中進行，該裝置有效容積 80L，邊長為0.16m，有效高度為3.0m的有機玻璃柱體。該裝置中安裝有三層集氣罩的三相分離器。放人反應器中的樹脂質量為20kg，填充高度為1.04 m，占有效容積的 35％。曝氣頭均勻放置在反應器的底部，反應器內的溫度控制在30℃。具體流程如圖1。

　　模擬廢水從廢水槽中泵人反應器底端，液體從反應器頂部排出；氣體收集于三相分離器中，然后進人水封罐，水封罐有助于保持集氣室里的氣體壓力，防止浮渣堵塞出氣孔。水封罐出來的氣體通過一個帶有刻度的儲氣罐來收集，根據壓出的水量計算出氣體的量。
1.2 試驗材料
　　①顆粒污泥：用強堿性苯乙烯陰離子交換樹脂來模擬顆粒污泥。它的濕真密度（1.06 × 10³～1.10 × 10³ kg／m³）與顆粒污泥密度（1.025 ×10³～1.08 ×10³ kg／m³）非常接近，并且樹脂的粒徑（0.315～1.25 mm）與文獻[1-2]報道的顆粒污泥粒徑（0.5～3 mm）相差不大，所以選用該樹脂模擬顆粒污泥具有較強的相似性。樹脂顏色為淡黃色，有利于觀察流態情況，真實厭氧顆粒污泥取自武漢某啤酒廠EGSB反應器。
　?、谡託猓赫託庥猛饧涌諝獾姆绞絹砟M。因空氣和甲烷都難溶于水，故收集空氣的體積作為產甲烷的值是比較準確的（在實驗前使空氣在液體中過飽和），所以以空氣模擬反應器中的沼氣也具有較好的相似性。
　　③廢水：據文獻[2] 報道，在 30℃時，EGSB反應器中廢水的粘度一般為 0.86 mPa·s，用自來水加葡萄糖在 30℃時配制成 10 000 mg/L的溶液粘度為0.85 mPa·s，與反應器中的廢水粘度相近。
1.3 試驗方法
　　運用脈沖示蹤劑法來研究流動模式和水力停留時間在反應器中的分布。即在反應器的進液口處瞬時注人示蹤劑（Li₂SO₄·H₂O）^［3］，脈沖信號為4.0mg/L的示蹤劑溶液，用一個注射器吸取5 mL溶液迅速（0～5 S，被認為是瞬時的）注入到進料口處，在出口處取樣分析示蹤劑濃度。在注人示蹤后，再立即注人適當的紅色墨水來進行流態的觀察。顆粒污泥及樹脂的粒徑測定采用濕式篩法；示蹤劑濃度采用原子吸收法進行分析。

2 結果與分析

2.1 顆粒污泥及樹脂粒徑分布
　　采自EGSB反應器中的顆粒污泥是橢球形的，而樹脂是球形的。盡管如此，實際顆粒污泥的直徑仍可以通過采用樹脂的等體積當量直徑計算。采用標準篩對厭氧顆粒污泥及樹脂的粒徑進行篩分。結果見圖2、圖3。

　　

　　從圖2、圖3可知，粒徑在0.5～1.25 mm之間的樹脂占 90％以上，而粒徑在0.5～1.5 mm之間的顆粒污泥占85％以上。說明兩者在粒徑分布上具有較好的一致性。
2.2 產氣模擬
　　產氣用外加空氣來模擬，氣量根據文獻資料[1]來確定。厭氧法在理論上每去除1kg COD可以產生 0.35 m³ 的純甲烷氣（0℃、l.013 × 10⁵Pa下），設甲烷產量為理論產量的80％，沼氣中含甲烷70％，廢水的 COD為 10 000 mg／L，每天處理廢水200 L，根據反應器穩定運行時，處理容積負荷（以 COD計）為 10 kg ／（m³·d），COD去除率為80％計算，則平均產沼氣量為 36 L／h。布氣系統采用微孔曝氣頭，氣泡直徑在0.2－lmm左右，與實際反應器中的氣泡接近。
2.3 膨脹試驗模擬研究
　　進水表面上升流速ν_up和厭氧過程產生的沼氣量 Q_gas是影響 EGSB中顆粒污泥膨脹程度，進而影響反應器運行穩定性的重要參數，因此研究ν_up和Q_gas。與顆粒污泥膨脹床膨脹率的關系，對指導EGSB反應器的運行和放大具有重要的指導意義。
2.3.l 水力上升流速與膨脹率的關系
　　水力上升流速與膨脹率關系見圖4。

　　從圖4可知，V_up越大，膨脹率就越大，當V_up在 2 m/h時，顆粒膨脹較小，膨脹率只有 7.5％，而當V_up為 10 m／h時，膨脹率達到了 83％，顆粒層界面接近三相分離器底部，此時的三相分離器頂端距出水口的距離為65 cm，由此可知，EGSB中如果用顆粒污泥接種，適合采用較大的水力上升流速，在此過程中觀察到無論哪一種流速，都出現清晰的固一液界面層。從該試驗的6個不同。、與所對應的膨脹率進行回歸計算得：相關系數 R為 0.9963，回歸方程為：膨脹率（％）= 9.6305Ｖ_up－15.566 9，查相關系數臨界值表得：R_0.01（4）= 0917。本試驗 R＞R_0.01；（4），說明膨脹率與Ｖ_up之間的線性關系非常顯 著，所求得的回歸方程是可信的。
2.3.2 氣量與膨脹率的關系
　　如果不進水，單進氣，隨著Q_gas的增大，顆粒界面層反而減小，顆粒界面層上至三相分離器之間出現一個顆粒懸浮區。這是因為隨著Q_gas的增大，小顆粒在氣泡的作用下，脫離顆粒界面層越來越多，致使懸浮區的顆粒越來越多，呈模糊態，顆粒和氣泡經過三相分離器后，氣泡被收集，顆粒在失去氣泡的作用力下，沿著三相分離器斜壁滑下，進人顆粒懸浮區，沉降區中基本沒有顆粒物的存在。從圖5也可以看出，在只有氣體的情況下，床層是減小的，Q_gas越大，床層高度就越小。當然就不會出現床層膨脹的現象。當氣量為 36 L／h時，床展高度降低也不過1％，說明氣量對床層高度的影響比水力上升流速對床層高度的影響小很多，因此，在ν_up及 Q_gas共同作用下，計算床層膨脹率時，往往可以忽略 Q_gas的影響，而只考慮 ν_up 的影響就可以了。

2.3.3 ν_up及 Q_gas共同作用下SV在高程上的分布
　　EGSB反應器應用于處理高濃度廢水的關鍵在于保持高濃度的污泥量和良好的廢水與微生物的混合程度。研究反應器中的顆粒污泥床層的動態變化對確定反應器一次性污泥接種量和反應器的高徑比等參數有重要的指導意義。
　　模擬氣體流量需要根據實際工程中產氣量來確定，這樣才具有模擬放大的意義。以反應器中穩定運行時的平均產氣量為 36 L/h來試驗，ν_up在2.7，3.4，4.5，7.2，10 m／h時，研究反應器內各取樣口處顆粒SV的分布情況。設出水口為1^#，從上往下每間距40 cm設置一個取樣口，共設置7個。l^#，2^#取樣口在三相分離器上部，其它取樣口在三相分離器的下面。結果見圖6。

　　由圖6可知，從各個取樣口取出顆粒SV來看，隨著上升流速的增大，各個取樣口處顆粒 SV就越大。當水力上升流速為2.7，3.4，4.5，7.2m／h時，1^#，2^#取樣口的SV都很小，幾乎為0，說明三相分離器的分離效果非常好。而在10 m／h時，出水口有小的顆粒流失，出水的SV為2％。說明上升流速大于 10 m／h，反應器內的顆粒會被出水帶走，這在實際廢水處理中是很不利的。因此在EGSB反應器設計中，水力上升流速應控制在10 m／h以下。
2.3.4 水力混合特性
　　通過脈沖示蹤劑法，圖7描繪了不同水力停留時間的C－θ曲線。為了對不同水力停留時間的各混合情況進行比較，將試驗數據（取2倍理論停留時間）進行歸一，即引人無因次濃度C（C＝C_t／C₀，C₀ 是以反應器容積為基礎的初始示蹤劑濃度）和無因次時間 θ（θ=t／t，t是試驗平均停留時間）并作圖。試驗數據經過歸一化后，再利用式(1)和（2）計算出t和σ_t²。

　　式（1）和（2）中t；為第i次取樣時間距開始取樣的時間間隔，t_i+1 為第 i＋1次取樣時間距開始取樣的時間間隔，C；為第i次取樣的出口水流中示蹤劑的濃度。C_i+1為第i＋l次取樣的出口水流中示蹤劑的濃度。
　　從圖7可以看出所有平均停留時間都低于理論值，這說明反應器中的死區確實存在，在試驗階段可以觀察到顆粒床層一些區域沒有紅色墨水或顏色很淺。死區的比例見表1。

表1　EGSB死區百分率及離散數

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上驗編號 t_HRT/min t／min σ_t² D V_d／％

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1 60 54.2 458.2 0.092 9.7 2 45 42.6 381.8 0.105 5.3 3 30 28.3 214.7 0.134 5.6

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　　當t_HRT為 60 min時，死區百分率占了9.7％，而在 t_HRT為 45min，30min時，死區百分率只有5.3％－5.6％，說明增大水力負荷，可以減小反應器內的死區，提高反應器的有效體積。因此在實際工程中可以通過增加水力負荷來減少反應器的死區容積。在試驗過程中可以看到，隨著 t_HRT的減小，反應器內的返混現象卻增強了，這可以通過離散數D（無因次）的增大反映出來。對于理想推流式反應器，D＝0，不存在返混現象；對于理想完全混合式反應器，D=∞，反混極大。實際的反應器都介于理想推流式和完全混合式之間，即0＜D＜∞。離散數D由停留時間分布函數E（∞）確定。根據理論推導^［4］，求出D:
　　從圖7可以看出，C－θ曲線偏斜度較大，說明離散數大，式（5）中的第二項可以略去，由式（l）和式（2）分別求出t和σt2，從而算出離散數D的值。計算的結果列于表1中。當t_HRT分別為60min，45 min和 30 min時，D分別為 0.092，0.105和0.134。該試驗結果D在0.092～0.134?？梢奅GSB反應器介于理想推流式和完全混合式之間。隨著t_HRT的減小，EGSB中返混現象更明顯。
2.3.5 反應器中流體的行為
　　在試驗期間，通過注人紅色墨水的方法來觀察反應器中的流態，用以證明液相的路徑，氣體的形成以及顆粒沿著反應器的運動。在模擬時，氣體大多數形成在污泥床里面，且大多數氣泡附著在顆粒上井上升到反應器的頂部，被三相分離器收集，氣體在沉降區的量可以忽略，一些顆粒由于粘著氣泡，在浮力的作用下，也上升到反應器的頂部，它們進人三相分離器，可以很明顯的觀察到氣泡分離并直接進人氣室，而顆粒則沉降下來。幾個死區和短流現象也可以觀察到，這種情況主要是在大的氣泡形成時，偶爾在反應器進水口處形成。

3 結論

　　通過流態實驗得出以下結論：
　　①模擬的顆粒粒徑與真實厭氧顆粒污泥粒徑有較好的一致性，兩者都在0.5～1.5 mm之間，占總顆粒的85％以上。
　?、谒ι仙魉偈怯绊戭w粒床層膨脹率的主要因素。膨脹率與水力上升流速之間的關系可定量的表示為：膨脹率（％）＝9.6305 V_up－15.566 9。當氣量在 36L/h，水力上升流速大于 10 m／h時，出現顆粒流失的現象。
　?、凼聚櫾囼灡砻?，t_HRT為 30 min，45 min和60 min時，死區容積占反應器有效容積的 5.3％～9.7％，tHRT減小，死區就減小。試驗得到的離散數D在0.092～0.134之間，表明反應器介于理想推流式和完全混合式之間，在本試驗條件下，隨著tHRT的減小，返混現象加劇，混合效果好。 ④EGSB內存在死區，偶爾有短流現象。

參考文獻：
　　[1]賀延齡.廢水的厭氧生物處理加」北京：中國輕工業出版杜，1998.
　　[2]E C Pires, W S Hanisch, M A N Andrade.An original procedure　for physical simulation of upflow anaerobic sludge blanket reactors[J].Bioprocess and Biosystems Engineering，2000 ，23（4）：389－395.
　　[3]周棋，胡紀革，顧夏聲.升流式厭氧污泥層反應器水力混合特性研究[J].環境科學學報，1995，15（2）：170－177.
　　[4]許保玖，龍騰銳. 當代給水與廢水處理原理（第二版）[M]北京：高等教育出版社，2000.

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作者簡介：顏智勇（1971－），男，湖南寧鄉人，在讀博士，主要從事水環境和水處理技術方面的研究，電話（020） 85294582，zhyyan71＠sohu.com