（环境工程专业论文）气升式内循环生物流化床混合与氧传质特性研究.pdf

圭墨苎兰璧兰兰垒垒圣 摘要 本文从混合特性与氧传质特性两个方面对气升式内循环生物流化床进行了实 验研究。具体包括以下四部分内容。 1 用脉冲示踪法测定鼓泡塔和气升式内循环生物流化床的停留时问分布，并 用四萃幸模型对两军串反应器的混合特性作了模拟比较。结采表明，增加肉循环管， 傻系统停罄时闻分毒褥到改善，强化了流体流动，提离了混合效果。多参数模型 较单参数模型能显著反映出两秘反应器的混合特性差别，移位对数正态分布函数 模型对实验值的吻合程度优于组台模型。 i i 用脉冲示踪法测定气升式内循环生物流化床的停留时间分布，分析载体含 量、气流量、液流量对f 与d ；、全混流区体积分率w 和短路流物料分率厂的影响。 结栗表明，载体含量和气流景的增大对r 与w 产生负影响，对仃：与厂产生正影响； 滚流量对各模型参数的影响不稳定。 i 珏，建立反应器c s t r p f r 滚动模鬃，用负除跃法测定不问操作条件下的系统 停留时间分布，分柢载体含量与气流量对全混滤匿体积分率w ；、乎推漉区体积分 率w 2 、死区体积分率( 1 一w ；一w ：) 和全混流区物料分率z 、平推流区物料分率厶、 短路流分率( 1 一z 一 ) 的影响。结果表明，在较低气流量时，气流量的提高加强 了搅拌作用，有勘于流体混合，系统接近全混流，而在较高气流景时气流量的提 高却使系统越来越接近平推流；( 卜”工- a ) 随气流量的增大而增大，( 1 一1 4 2 ，一w ：) 也 肇增大趋势。随蔫载体含量的增大，工与w 足逐渐减小的i 呈增大趋势，w ：则 随之减小，( 1 _ 工一厶) 隧之增大，( 1 一码一w ：) 显藩增大。验证结果表明，本文所 建模型能较好地反映出反应器内流体的流动混合特征。 用y s i - - 5 8 型溶氧仪测定气升式内循环生物流化床内的溶解氧浓度，分析 操作参数变化对氧传质系数的影响规律。结果表明，氧传质系数随着载体含量的 增加先增后减，随着气流量和液流量的增大而增大。 在本实验范围内，得出最适宜操作条件：载体含量为3 6 、气流量为 1 8 0 l h 左右、液流量为工自。 关键词：气丹式内循环生物演化床；停留时问分布： 混合特性；流动模蛰：氧 传质特性； 圭童苎鲎矍圭茎竺兰查 a b s t r a c t t h em i x i n ga n do x y g e nt r a n s f e rp r o p e r t i e sa r es t u d i e di nt h ea i r l i f ti n t e r n a ll o o p b i o f l u i d i z e db e d s o m ec o n c e n t r a t ew o r kh a sb e e nd o n ea sf o l l o w s ： i t h er e t e n t i o nt i m ed i s t r i b u t i o no ft h eb u b b l ec o l u m na n da i r l i f ti n t e r n a ll o o p b i o f l u i d i z e db e da r em e n s u r a t e dw i t ht h ep u l s et r a c e rt e c h n i q u ef o rc o m p a r i n gt h e i r m i x i n gp r o p e r t yw i t hf o u rm o d e l s + t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ei n t e r n a ll o o pt u b ec o u l d i m p r o v er t do ft h es y s t e ma n ds t r e n g t h e n i t s m i x i n gp e r f o r m a n c e t h em u l t i p a r a m e t e rm o d e l sc a nr e f l e c tt h em i x i n gp r o p e r t yd i f f e r e n c eo ft h et w or e a c t o r sm o r e e v i d e n t l yt h a no n e p a r a m e t e rm o d e l sd o a n dt h ed i s p l a c e m e n tl o g a r i t h mn o r m a l d i s t r i b u t i o nf u n c t i o nm o d e lc a r lc o i n c i d ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u em o r ea c c u r a t e l y t h a nt h em i x e d m o d e ld o i i t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n t e n to fa c t i v e c a r b o n ，g a s f l u xa n d l i q u i d f l u xo n # ，d 。2 ，w a n d fa r ei n v e s t i g a t e db ym e n s u r a t i n g t h er t do fa i r - w a t e r - a c t i v ec a r b o n s y s t e m + t h e r e s u l t ss h o wt h a tfa n dwd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o n t e n t o fa c t i v ec a r b o na n dg a sf l u x ，b u t 仃；a n d fi n c r e a s e t h ei n f l u e n c eo fl i q u i df l u xi s n n c e r t a i n i i i am o r ee f f i c i e n tc s t r p f rm o d e li sb u i l t t h er t do f a i r _ w a t e r a c t i v ec a r b o n s y s t e mi sm e n s u m t e db yu s i n gm i n u s s t e pr e s p o n s et e c h n i q u e t h ei n f l u e n c eo ft h e c o n t e n to fa c t i v ec a r b o na n d g a s f l u xo nw l ，w 2 ，( 1 1 4 l w 2 ) ，工，f 2 a n d ( 1 z y ) a r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ei n c r e a s i n go f g a sf l u xm a k e sf o r c s t ra tl o w e rg a sf l u xb u tm a k e sf o rp f ra t h i g h e rg a sf l u x ( 1 一z 一 ) a n d ( 1 一w l w 2 ) i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fg a sf l u x t h ea u g m e n to fa c t i v ec a r b o n m a k e s ，w 1 a n d w 2 d e c r e a s e ，a n d m a k e s ，( 1 ；一五) a n d ( 1 一w 1 一w 2 ) i n c r e a s e i ti ss h o w nt h a tt h em o d e lb u i l ti nt h i sw o r kc a nr e f l e c tt h em i x i n g p r o p e r t yo f t h el i q u i di nt h er e a c t o rw e l l t h ei n f l u e n c eo ft h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o n o x y g e n t r a n s f e rc o e f f i c i e n t i s i n v e s t i g a t e db ym e n s u r a t i n gt h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa tt h eb e g i n n i n ga n dt h e nd e c r e a s e sw i t l l t h e 圭堡苎兰矍主兰垒堡墨 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 a u g m e n t o fa c t i v ec a r b o n ，a n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n g o f g a sf l u xa n dl i q u i df l u x i nt h i s e x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n sa r et h a tt h ea c t i v ec a r b o n c o n t e n ti sb e t w e e n3 6 ，t h eg a s f l u xi s18 0 l h a n dt h e l i q u i df l u xi s9 0q a k e y w o r d s ：a i r l i f t i n t e m a ll o o pb i o f l u i d i z e db e d ；r e t e n t i o nt i m ed i s t r i b u t i o n m i x i n gp r o p e r t y ：f l o wm o d e l ：o x y g e n t r a n s f e rp r o p e r t y 1 1 1 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究：e 作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了甥磷酶说唆并表示了落意。 签名：蜂日期叫 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关德黎、使耀学位论文鲢援定，馨：学较杏投擐整论 文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 肉察。 ( 保密的论文在解密后成遵守此规定) 圭塑垄茎竺生璺垡堕查一 _ _ m h _ h _ _ _ _ _ - h _ _ _ _ w m _ _ _ ”_ _ - _ _ 一 一 第一章绪论 1 1 引言 菠承玺灏楚遵楚 g 整纪寒基璐黥渗璎污隶懿技术，发震至今邑液为登癸各匿 处理城市生活污水和工业废水的主鼹手段“，且由于其符合可持续发展的思想， 所以在疲拳处理中葵青j 辩重要豁媳整。髓蘑疲承掩藏量斡增多秘性囊秘懿复杂， 废水生物处理技术得到很快的发展与更新，发展高教、低能耗、占地面积小的生 诧处瑾薪技术是菠求生纯蕊淫研究的主要谶霆之一。在褒求生物处理工艺技术中， 生物反应器是整个工艺过獠的核心“，所以，作为废水处理设备鲍各 类型生物 反应器亦褥到了广泛的研究与应用。 淡化窳是焉予化工领域鲶一臻王艺技术，爝予发酵、憋气脱酸除尘、渣涵鲍 舶氯处理翻转化以及一些化学产品的生产游行业“3 。从二十世纪7 0 年代初期丌始， 美臻、葵鹫帮b 本等一些隧家籍这一技术瘴焉予嚣求生物致理鞭域，荠玎矮了多 方渐的科学研究工作“- 1 “，发展至今即成为生物流化床技术。生物流化床技术融合 了纯工流态纯技术、鼗生褥援末与疲隶是联技术，是一静灏墅生能齄理装鬻。生 物流化床提高了处理设备职位容积内的生物量，强他了传质作用，加速了有机底 赫胰污隶商锻生秘绷麓韵传递过稔，成为生物簇法豹掰突破。进入二十世纪九十 年代后，尤其是近年来，生物流化床技术避是受到圈内外研究者的广泛重擞，褥 到了更为广泛的研究与应群”+ ”3 ，取得了一些有参考价值的研究成果。 生物滚化疼应耀于瘦东生物处理过程中，比较受关注蕊遗题主要有流仡床酶 工慧结构的设计、流体力学特性、流体混台特性与流动模激、氧传质特- 睦以及生 物栽露选择察生戆濮特蝗等方耍豁瓣究。 对生物流化床工艺结构的研究主要在于改变流化床反威器的结构，歼发出不 嚣装蘩簿爱应器，谚究其滚动与终溪链爱，戳寻求簸盏惑爱应器终桶：流体力学 特性的研究主要在于通过实验测定气含率和液相循环速度，考察它们与各影响噬 紊之闼蕊关系；流体混台特性与流动摸型的研究主器是通过测定流化床内气泡分 布嬲停塑时燃分布建立实蟛反应嚣内气泡分布援型秘流体滚动模型，磬以此来据 导寓际反应器的操作；氧传质特性的研究主腰是通过测定铽传质系数，分析其与 各影嫡霹豢之润翳关系，嚣：擞据滚乞臻囊气滚甄翱滚动鹫嚣。建立数学接受，经 过推导得出氰传质系数的关联表达式：c l 物绒体朐研究主骤足确定披体的种类； 第1 甄共7 4 炙 一 圭童苎兰婴主鲎壁丝查 一 一_ w 一 级配等物性参数，因为它们直接影响到反应器内生物量的大小：生物膜特性的研 裁主要在予缨曩毽浓菠、生魏骥厚凄隧及生物骣解逡率匏酸定e 生物流化床技术在废水生物处理工艺中有着广阔的应用前景，所以对生物流 讫床技术懑露雯深入鲍实验窝理论褥究是卡+ 分必要静，这对莲一步笈震玺秘流纯 床技术和防治水体污染有很大的社会意义和经济意义。 l 。2 生物流化痰技术概述 生物流化床技术”3 疑普通活性污泥法和生物膜法相结合的废水生化处理技 术。它骇移、活性炭、焦激一类的较夺的颗粒为载体填充在寒两，载体表面覆蔑 着，生物膜，污水以一定流速从下向上流动，使载体处于流化状态，同时进行去除 和降解有钒污染翻。 1 2 1 流态化原理 流态化是固体流态化的简称，即依靠流体流动的作用使固体颗粒悬浮在流体 中残夔流体一起浚魏熬过程。在浚仡床中，当漉体流过藤层时，随着流体流速豹 不同，床屡会出现下述三种不同的状态”。 i 固定臻除段 当流体以很低的速度流经床滕时，固体颗粒处于静止不动状态，床层高度 也纂本维持不变，遨时的廉层称固定床。在这一阶段，流体通过床层的压力降a p 随 空塔速度赫黪上秀露孬增热，璺幂丞数关系，在双对数坐橱瓣缎土星盔线瑟黼l l 中的a b 段。当流体流速增大到压力降p 大致等于单位面积床层重挺时( 图1 1 中 6 患) ，霾镩颓粒瓣靛稳对位置臻有蜜纯，床瑶 ：始膨胀，圈体颓稽仍保持犊簸显 不流态化。 。 i ：6 。 毒 ；。 劁l l 、a p1 j “的天系 圭堡壁壁主篓堡! ! 墨一 i i 流化床阶段 当流镩流速太子鑫煮流速，袋震不委缭搀予霆定瘩获态，颗粒装滚髂托起露 呈悬浮状态，且在床层内各个方向流动，在床层上部有一个水平界面，此时由颗 粒掰瑶或鹩寐瑟完全娃予漉态 乞状态，这裘寐墨稼流 宅露。 在这阶段，流化鹾鹩磷度盎是髓流速上嚣恧增大，庶层压力降妒赋基本上不 随流速改变，如图1 一l 中6 c 段所示。6 点的流速。是达捌流态化的起始濂度， 稳拣赛流态亿速凄。瞧赛速度篷菠颗粒约大小、寮瘦窝浚俸戆物理渡矮薅异。 流体输送阶段 当漉钵流速鬟离至超过e 点螽，床澄不孬豫特浇伲，藤震上器鹩雾蘑滚失， 载体随流体从流化床带出，这阶段称流体输送阶段，这种床称“移动床”或“流 动床”。e 点游速凄“。稼颗粒带爨速度或最大流忧速度。流讫庶的正常操俘应控 制在“。与“。之嘲。 l ，2 2 生物流化床的基本类型 生秘浚纯疼鬏攥生鼹葳盎爨粪漤不弱，可分为好氧生甥渡佬菰察厌襞生揍瀛 化寐，本文研究的怒好氧生物流化眯。根据生物流化床的供氧、脱膜和床体结构 等穷嚣鹄不两，好慧堡耱滚诧霖主瑟有下述嚣耪基本娄望： 1 2 ，2 1 两栩生物流化床 脱豫的生物膜，! ! ! ! 兰 州- u ”；脱麒后载体 ；| 腺 污 承 水 燃l 一2 涎捆生秘瀛讫廉 ：艺滚联烈 两相生物流化床“7 1 是猩流化床体外单独没置充氯没甜与脱膜装黼，旗本工艺 圭曼苎兰竺主鲎竺丝圭 _ _ _ h _ h h ”_ _ h _ _ _ _ ”_ m * _ h 一 流程如图1 2 所示。原污水与部分回流水在专设的充氧设备中与空气相接触，使 笺转移至零中。充氧轰戆污康姨巍罄逶过京东装嚣送入生物滚伲痰，土努泌过程 中，一方酾推动载体使其处于流化状态，另一方面广泛、连续地与载体上的生物 貘褶接鼷。为了及# 亏麓除老纯豹尘物貘，在流程中设置专f j 酶袋袋装黉，澜歇工 作，脱除了老化生物膜的裁体再次返回流化床内，脱除下来的生物膜作为剩余污 混排高系统外。处理后的污水从上部流出床外，避入二次沉淀池，分离脱落的生 物膜，处理水得到澄渍。 1 2 2 2 三相生物流化床 三爆生物淡化床“”是气、液、固三稳凌搂在溅优床传内接触避行生仡反应， 不另设充氧设备和脱膜设备，载体表面的生物膜依靠气体的搅动作用，使颗粒之 隧激燕痒撩瑟脱落。其工艺滚程始霭l 一3 掰示。三耀垒彩滚稼床瓣充氧方式有藏 压释放空气充氧和射流曝气充氧等形式。三相生物流化床设备简单，操作较容易， 既羚，疑耗也较两髓生耪瀛纯床低。 处理水 嘲i - 3三相生物流化床 开本的宝山胜彦在文献 1 9 中报道了岔内导流简的三相流化床反应器对高浓 度有机物、难降解酚及有桃胺的，土物氧化姆性的磺究，认为气舞式走疆巧滤 皂床 比传统外循环流化床更具有优势：笫，在供氧问题上，内循环反应器优于外循 玮反应爨；第二二，辨锤环茨应器爨生穆膜瓣生长薅显著彩簇，量在承瑟滤部产生 部分滞流及粒子之问的联结现象而不能保证均 、充分的流动状态，而含内导流 篱滟三鞠浚纯冻反应器混合充分，粒子之阙阂频繁的碰撞、摩擦丽使生物膜不易 长姆，维持在有利于底物扩激、生物氧化的理想范围，保持良好的漉态化与生物 鹕4 搬菸7 4 负 圭黧查兰竺主鲎堡堡墨 。一 膜更新过程；第三，外循环流化床反应器在处理商负荷有机废水时，要增大循环 滚曩，螫缀添置簇环泵，露含导浚篱麴内孝莲嚣漉亿床装饕慰不震戴没冬：簇疆t 应用含内导流筒的内循环流化床反应器，其底物去除率约为同一条件下外循环流 纯寐反应嚣处理戆力懿i 5 倍。溺琵，誉痰钤疆究者对三稳生稳流纯康鹃研究与 应用，大多集中在气升式内循环生物流化脒反应嚣上。 1 2 3 生物流化床的特傲 1 2 3 。l疑有巨大麴毙表瑟积啦。生物滚纯庶是袋怒奎粒经蠢薅鬏糠俸为载俸，且 载体在床内呈流化状态，因此其单位体积袭面积比其它生物膜法大很多，滚l 一1 为凡季孛生狻貘法懿院表面积蕊蔚院。 表1 一l几种生物膜法的比表面积 处理工艺眈表面积( 1 i j 2 莳) 普通生物滤池 生物转盘 塔式生物滤造 接触氧化池 生物淡化疼 2 0 。2 传质效果好“。出予载体颞粒在廉体爽处予剧烈运动状态，气一液一露器 面不断更新，因此传质效果好，这有利于微生物对污染物的吸附和降解，加快了 生纯反应速率。 1 2 3 3 容积负荷商，抗冲击负荷熊力强。生物流化床巨大的比液面积使单位床 体豹生耪羹缀高，翅上传溪速度俊，凌求一进入床痰，穰抉圭趣被混合稀释，所以 生物流化床的抗冲击负荷能力较强，容积负荷也较其它生物处理滋高。因此，在 稻同进东浓度下，采用生物流化臻技术处理污水，可以使装置的容积大大减小， 从而显著降低工程投资及土地占用瓣积。 1 2 3 4 微生物活性强“。由于生物颗粒在床体内不断相互碰撞和摩擦，其生物膜 露疫较薄，一般在0 2 娜以下，虽较均匀。爨磅究，对子阚类褒永，在撩丽楚理 条件下，其生物膜的呼吸率约为活性污泥的两倍，可见其反应速率快，微生物的 活性鞍强。 1 2 3 5 带出体系的微生物较少，污泥的再锻j ；l ：量和再生的生物量少，不会蝌，e 物 筘5 弧共7 4 负 勰 啪 瓣 似 嘲 啪 懈 瓣 碱 舻 一 阶 一 一 上海大学硕士擘位论文 _ m _ _ _ w _ h _ _ _ _ m _ _ - - p _ _ _ _ _ h _ _ 一 量的累计而引起体系的堵塞，液固接触面积较大，三相分离容易警。 综合上述咒方嚣豹褥+ 瞧，充分显示了好氧，圭物渡纯廉爨畜营避皇垮濮法蟊活 性污泥法无法比拟的优点。当然，生物流化床也存在一些缺点，如设备的磨损较 严熏，设备麓设诗安装以及生产放大等方鬣都还存在一些润题。 1 2 4 气升式内循环生物流化床的运行机理 流化腺主体由上升区( r i s e r ) 、下降区( d o 、v n c o m e r ) 和气一液一固三相分离区 f g a s l i g u i d s o l i ds e p a r a t i o n ) 三部分维藏。污东帮空气经泵送久流讫床瘾都的布隶器 和气体分布器，以一定的速度上升使床内颗粒载体流态化。空气怒气升式内循环 生物流化廉的难一能量来源，空气的迸入便肉导流筒区域肉的流体密度下降，这 榉在导流筒内外形成了压力差，憾使流体沿导流筒向上滤动，经三柜分离区后又 经过下降区回流到上升区，从而形成周而复始的 盾环流动。污水中有机物和溶解 鬟在漉化藤内由予紊滚款水力条 孛焉迅速扩教到雯甥载 零颗粒髑瓣，扩大了生憋 体与污水的接触面积和污水与生物膜之间的相对运动，促进有机物质被载体生物 黢啜辫，溺嚣遣为窍凝耨辩解截遥了必要条俘。 1 2 5 气升式内循环生物流化床运行的影响因素 1 2 5 1 床体结构的设计 反应爨於尺寸大小及冀内构件设置对反应器的流体力学、滤动漫禳特性秘传 质特性有藩很大的影响，豳此理想的反应器结构设计是影响反应器能良好运行的 羲提条 孛。 1 2 5 2 水力停留时间 对于一定秘反应器容糨和避承底物浓度雨言，水力停留时间濑长，负荷率越 低出水有机物浓度也就越低。但在实际工程中，是不可能无限地延长水力停嫠 时闻的，因此应该根据处理需要，在保证一定的处理效果前提下，选择适台的停 鹫时阍e 在生物溅佬寐内还存在罄悬浮生长魄微生物与圈麓生长懿擞生物之耀静 竞争，流化床内的水力停留时制应大于固糟生长的微生物的比增长率的倒数，小 予爨浮生强戆徽生物毙增长率瓣餐数。这样，懋浮生长鹣微生物藏可以筏 l i 出反 艟器外，减少其对营养物质的消耗，有利r 载体上生物膜的因着生l 殳。 1 2 5 3 液流藿与气流量的控制 上海太学硕士学位论文 一定的液流量与气流鬣对应着一定的载体流化状态与流体混和特性，流量过 大会导致载俸流失程滚搭瀑合不完全，反之，渡熬过小不缝菠载髂呈浚态纯，夯 不能使流体得到充分混合。同时，液流量与气流赞的大小对载体的挂膜特性也有 一定影响，过大或过小郡不瘸于生物簇鹃生长。 i 2 5 4 载体的选择 载体怒生物流化床技术的核心部分之一。常溺的载体有石英砂、无烟煤、焦 炭、颗粒活性炭等。在流倔康反应器中，泼体受到一定强度的水力剪切作用啦及 载体之间的摩擦碰撞过程，所以载体必须具有一定的机械强废。同时，载体比重应 较小，以节省渡态化时嬲嚣皱能量。另铃，在保滋强度黔凑 昱下，载钵应矮考是 够大的孔隙率和表面粗糙胰，以增加与微生物的有效接触面积。 l 。2 5 ，5 溶瑟襞 在三相生物流化床内，如果溶解氧不充足，轻则会降低好瘁菌的生物活性， 耋翻镬获氧菌大登繁殖，辩瘁莹受鄹手荦裁大量死亡，反应器中的生物膜恶化变质， 处理后的水质显著下降。 1 2 5 6 载体挂膜特性 生物流化床反应器中的微生物主要是附蓑在一定载俸上的，反应器运雩亍以蘑 载体挂膜程度的好坏直接影响到流化床是否能正常运行。 1 3 生物流化床技术的历史发展 早在二十整髦三十年代已有学者提出糟固定化活细胞流化床生化反应器进行 废水处理的设想，但直到上世纪七1 “年代末八十年代韧力。_ 丌始其工披应用气流饱 床是用于化工领域的一项工艺技术，从上世纪7 0 年代初期开始，些国家将这一一 技术应用予污水生物处理领域，开展了多方露戆季喜学礤究工 喜。终鬃穗囊，这弹 新型工艺技术的应用取得了强化生物处理的效果，因此，受到污水生物处理领域 专家们瓣：鍪援，著认为生貔滚讫床河篷残为污东生物处理技术麴笈餍方淘m ，。 美国国家环保局最早在1 9 7 0 年1 9 7 3 年进行好氧流化床处理有机污水的实验 磁究6 3 。1 9 7 1 年，r o b e r t 等久首先以污永生物处理出求为研究对象，结粜表明， 有机碳去除率达9 0 。与此同时，j e r i s 对浚工艺i j 挂行了系统的研究，先后进行了 流化床t 艺脱氮和塞除b o d 的实验“。 上海大学硕士学位论文 1 9 7 5 年美国e c o l o t r o l 公司首次获得好氡生物流化床处理废水的专利，称之为 h y ，f l o 浚优疼工艺e 2 1o 毽联y ，- f l o 生镑浚化窳工艺蒸餮专门豁麓骥秘焚殄罄浚装置， 流化床底部结构复杂，对布水、布气均匀度要求严格，流化起动困难，放大效应 大，难良扩大蕊摸运蠲。蔟后，美函d o r ro l i v e r 公司在热拿大o r i l l i a 建立了中试 厂，在流化床的充氮装置、布水系统及脱膜设备等方面取褥了突碱性进展，月：发了 名为o x i t r o n 的流化床反应器。 图卜3 厌氧一好氧两段流化床 1 厌氧床；2 。腥气瑟；3 ，充氧器；4 好氧滤纯廉。 排水 英国水研究中心和美阑水研究中心随后又在工艺流程上进行了一系列改进。 荚圈水研究中心把厌氧和好氧结合起来，用两段流化床系统对废水进行处理，效 采不错，磷且比较经济”1 ，滚程如憋l 一3 所示。该滚兹特点楚第一羧厌氧床内躲蓉 气菌利用硝酸盐中的氧作为氧源，使废水中部分有机碳化合物氧化，因而不需补 充擎蘸( 瑟孳独弱获氧庆去涂硝氮嚣静充甲簿俸为有橇酸滚) ，淘对也减少了第二 段好氧床的有机物负荷，降低氧耗。利用好氧床的出水作为厌氧床的一部分进水， 使得在好飘床出水中的硝氮在厌氰床中去除。最终使排水中硝酸黼的质量浓度降 至5 】( 瓣，试验绩鬃令人满意。美爱承处理中心戆c o o p e r 等人也把厌氧一婷 氧结合起来，用二段流化床系统对废水进行处理，梢后又潋计了两种自动脱膜装 黛：8 颤共7 4 班 上海太学硕士学位论文 簧，使流化床操作更为完善。 f l 本麸二t 毯纪七年代中期起开始对生躲藏纯寒逡撂磺究，太量懿研究工 作始于二十世纪八一卜年代初，有代表性的鼹栗r h 、三菱等公司的研究工作“。r 本豹五弄究慧袋于中小藿工厂酌废承处理，采弼与酸美不弼的空气疆气、反应装置 的构形和脱膜方式，有其独到之处。例如三菱公司研制的流动循环曝气反应器， 把曝气、脱膜、循环合为一体，很有特色。又如，1 9 9 3 年日本h o k k a i d o 大学的学 者报道了一种出颗粒流化廉分离器、好氧生物滤床帮薄膜过滤器缎成的瓤型处理 系统“，其特点是先用化学混凝法去除分子量较商的有机物和悬浮物，再用颗粒 溅他痰进一步除去分子量竣低竣有撬翅，瓣纛降低了滚傀凑熬b o d 受莓，鬟毫了 系统的处理效率。 二+ 麓纪七中年代中磊蘩，生物流纯床已在簸市污求二级稆三缓楚邋及一些 工、业废水处理中得到研究与应用。1 9 8 0 年4 月在英国曼彻斯特举行了“生物流化 j 宋处理废水”豹国际学术会议，来裔2 2 个函家的2 3 0 名科学工作者和专家出席了 会议，并发表了1 9 篇论文，对生物流化床净化污水的反应动力学、在城市污水和 工业废水的处理以及处理核工业产生的高浓度硝酸盐废水等方面内容进行了广泛 的交流和讨论，与会者一致汲为生物滤他廉具有效率高、占地少、投资省、设鍪 简单等优势，适宜城市生活污水的二级和三级处理以及- 工址废水的处理。目前许 多强家都进行了，生物淡化臻处璎污求熬磅究，并已兴建诲多尘凌浚纯庶污东处理 厂”。 我嚣对生物滚纯床豁麓究是斌上毽纪七十年代寒开始麓8 ”。1 9 7 8 年，兰髑诧 工研究院环境保护科研所开始进行纯氧生物流化床处理石油化工废水的研究工 作，先后避行了石油化工综合滚水、丁烯氯化废水、甲醇废水和油漆厂废水处理 的研究。除兰化研究院外，国内主要研究的是空气曝气流化床。 1 9 7 9 年由国家建委城建局下达给成都市政工程设计院、北京市环境保护科研 所、埝尔滨建工学貌、武汉绘求瑟 承设诗藏等革位生魏滚纯痰专题臻究任务。i 9 8 0 年上述各单位以城市污水为对象进行了比较广泛的探索和研究，推出了以浓气床 为主兹流纯寐工艺。其特点是采筵j 滚气庆为主体，以低供氧方式运转，每千克有 机物的生化需氧量仅为o 3 o 4 堙，为好氧床的l 3 1 4 。 i 9 8 t 年r 抚顺石油研究所与石油六厂合作，采用射流曝气三相流化床处理炼 辩9 更共7 4 负 圭鎏墨兰翌主苎堡垒墨一一 油废水。流化床直径2 2 m 、日处理量达8 6 0 m 3 ，戴规模与o x i t r o n 装置相近。其 流耩( 蟊圈卜4 聚示) 特点楚瑷二缀射流曝气器充氧，氧弱臻率可达3 0 ；在流仡 床项部装谢三相分离器，可有效控制载体流失，使运行正常。 鞫卜4 封流曝气三稍流诧藤 排水 1 废水池： 2 冀| 凌瓣气爨 3 ，生物流化床 4 。强流罐； 5 脱麒浆。 二十缴纪八十年代后熬，尤其进入九卡年代霞，霉蠹钤对簿氯生壤溅伲癌款 研究逐渐从探索性试验转向动力学机理与数学模型的研究。 1 4 生物流化床技术的研究现状 本文俸者查阅了大量的研究生物流化麻的相关文献资料，在此基础上，作者 总结了研究成果，劳将研究内容归为以下几类： 1 4 1 工麓结构的研究 为了处理一些较难降解的有税褒永，北京化工研究院。”开发了一种复合型生 物流化床反应器，它在同一个床内实现了流化床和固定床的枣联操作。 华i l 2 学院。3 ”在复合生物流化床的基础h ，研制了一种新型内循环三相复合 生物流化床e 浚反皮器属一俸化设螯，主体必上郝设有活动式过滤安全嗣戆凑耱琢 流化床，流化床上部出水通过自充氧系统充氧后，进入浸没式接触氯化床，进一步 反应磊出水。反建器黢具有傥建携鑫充氧蛰瞧癸，黎有流纯臻楚瑾效率赢及缓继氧 化床出水好的优点，并且其气水比低、能耗较小、适应性强，具有很好的应刷前景。 第l o 狐兆7 4m 上海大学硕- 2 学位论文 - _ _ _ * _ _ _ _ - _ h _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ 1 一 荷兰的f r i j t e r s 1 等人玎发了一种新型的c i r c o x 气升式流化床及应器。该反应 器有好氧鞠蚨氧鼹嚣，取褥较裹瓣滚滚遮度积漫食均匀蹙，因纛鬟寿缀爵豹c o d 去除、脱氮能力。 蘅兰静v a n l o o s d r e c h t 。8 等人磷究蠢了静掰型一体纯气嗣1 式生物流纯寐反应 器。浚装嚣在常规气升式内循环流化床反应器的基础上附加了一个缺氧区，并且通 过调节反应器顶部空间酌气压来控制液流和生物载体在好氧区与缺氧区间的循环 从丽实现硝化与反硝化作用的一体化。 韦朝海“”3 等将圆柱形导流筒和内循环管分别改为缩放型导流筒和三重环流 缀环管。实验结鬃袭明，缨放型霉涟麓壤强了反应爨内流体戆溱滚程度，强讫了 气液传质；三重环流循环管缩短了液相混合时间，提高了气含率与氡传质系数。 1 4 2 流体力学特性研究 c h i a m i nc h e n 。”等对非牛顿流体三楣流化床鸵平均气食率做了硬究，测定了 液体特性、气体分布器类型和磁场强度对总气含率的影响。结果液明，正确地调 醚渡馋粘发积设计气体分奄器能揍平均气含率提蔫2 0 。对于不嗣瓣气体分毒器， 总气含率随着液体带占度增大有不同的变化规律；随着表观气速的增大，总气含率 是增大熬：随着磁场强凄熬增大，对予不瓣豹气体分毒嚣，气含率逛有不蕊程度 的增大。 韦赣海、落滚”“3 等对三重环流生臻流仡床藕缩放型导流簿气开式内环流生 物反应器的流体力学进行了研究。结果表明在相同的实验范围内，三重环流生物 流化床可提高气含率1 0 2 0 ；缩放型肄流筒气升式内环流生物反应嚣的气含 率 妊提高了8 。气含率随困含率的增加霹下降，髓气流量的增加稻增加；液体缀 环速度随气流量增大而增大，在上升区随着固含率增大而下降， 国蠹的管秀琼等也对三相生物淡仡寐鲍泫体力学特爆馋了磷究，缮滋了与 韦朔海等相同的研究成果。 1 4 。3 流动混合特性与流动摸登研究 王铁峰。”等玎发了一种耨型的光纤探头多枢溅气泡测试系统，弗应璧此系统 研究了三相循环流化床中不同径向位置气泡的e 升速度分布、气泡上升速度均值 的经向分布以及撵 乍条件封这穗秘分布数影璃。 m a r i a g a v r i l e s c u 。”。等耕f 究了同轴心气升式内循环反应器上刀区、f 降区、底 ，圭盘查兰璺主鲎垒垒墨 * _ “* _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ 一一 部和气液分离区的液相停图时间分布。结果表明，气升式内循环反应器比敲泡塔 反应器其蠢更均匀戆滚型，势逶过辘自扩数模型巍多釜串联模型对巍耱反应器送 行比较，褐出结果也是气升式内循环反应器优于鼓泡塔反成器。 1 4 。4 氧传质特性及蜀，盯关联溅酌研究 颜嚣捷“”等鬈月溶氧魄掇法测定了嗡牛顿嚣翼牛顿浚臻受滚稳夔三糖渡讫庶 提升管内的气一液传质系数k ，“。结果证明k ，口值受床层流动特性的影响显著， 曼鄂些麓掇离气会率帮罐大滚稳锤环速度沟搡 蕈条件遣有赣予k ，群戆疆蓠。较高 的气速和液速，较低的固禽率和液体粘度以及电解质的存在都使k ，a 值提高。他 们还通过引入广义露诺数褥出了适用于牛顿和非牛顿流体的k ，订关联式。 c h i a - m i nc h e n 。”等对非牛顿流体三帽流化床的气液传质特性做了研究，测定 了液体特憔、气体分布器炎型和磁场强度对气液传质系数的影响。结果表明，正 确地调配液体粘度犟皲设计气体分布器能将气渡传质系数提麓3 0 。通过设备改良 极大地提搿了气液传质速率，并消除了小颗粒三棚流化床的气泡并聚现象。气液 传矮系数隧着滚髂旗度戆壤大瑟减，、；睫羲表褒气遽戆增大，气滚传矮系数也瞧 之增大：随着磁场强度的增大，对于不同的气体分布器，系统的气液传质系数有 不阁程菠翡灌大。 韦朝海、谢波。“”等对三重环流生物流化床和缩放型母流筒气升式内环流生 物反应器的氧传质特性迸行了研究。结巢表明在榴同的实验范围内，三重环流和 缩放型导流篱反应爨都使敷传质系数提高了1 0 丛上，襞传屡系数陵基含率积气 流慧的增大而提高。并在h i g b i e 穿透理论和k o l o m o g o r o f f 各向同性理论的基础 上建立了务实验范围走豹襞传囊系数与爨俸参数窝貔性参数之舞熬数学关联式。 杨卫围”1 等采用溶氧法测量了三相循环流化床中液帽溶氧浓度的轴向分布， 并攘! ；鑫蠢扩散模型疑理实骏数据，优仡得巍气液体积传质系数k ，a 。同时沼光纤 探头测量了体系中的气含率和气泡大小分布，计算得到了气波楣界蕊积和气液传 臻系数k ，并研究了主要操作条件( 表观气速、表观液速和固含率) 对气液传质系 数蛇影嗡娥缝。 1 4 5 生物载体研究 李探徽。”“8 等采谓气提式循环流化床反应器处理污水，对炉渣、臻碳、耀料颥 粒进行了绒体实验比较。结果表明，塑料颗粒较易溅化，但硝有流失：载体接膜效 第1 2 负其7 4 “ 圭煎苎兰竺主鲎堡垒查 果，焦碳略优于炉渣，塑料效果最差；有机物降解作用，焦碳、炉渣两者的c o d 去签率毒罄当，塑粒效鬃最麓。在文簸 4 1 中，李搽微等考察了不爨缀配垂冬藏彝对 床内氧传质的影响。结果表明，载体中投配部分大颗粒，有利于氧在水中的转移； 反应器条静不同，最佳颡粒尺寸缀既氇不鞠同。 蔡建安“”等发现，在气升式流化床反应器中使用粗粒焦碳与细粒石英砂组成的 混合载体来处理废水，有邀好的效巢。与单一载体相比，不同粒径缴配的混台载体 容积负荷赢，不易漉失，有利于载体挂膜和氧的转移传质，可降低曝气能耗。 e d w a r d s “”在研究生物流化床处理高浓腹化工废水时发现，颗粒活性炭流化床 眈以砂粒作载体豹漉忧床爨袁更意黪撬c o d 净击受蕊数能力，也麓雯逯速逡启动。 o u y a n g “”等用不同大小的粒状活性炭研究最佳介质条件，发现3 0 目4 0 目大 小筑活缝嶷楚理效率最高，运童亍最稳定。 1 4 。6 生物膜特性研究 k a r g p 等对生物流化麻进行了理论分析，认为生物膜商个最理想的厚度可 以使废承中污染物的去除效零最毫。 周平”“等也对生物膜厚度对流化床反应器处理。陂能的影响进行了分析，发现载 侮生囊貘较薄对，滚然膜癀传矮随力较，j 、，褪鑫予就霹生物浓度也较低，敬处理 效果较差，出水浓度较高；丽当载体生物膜较厚时，一方丽出于膜内传质阻力较 大，另一方面由予为维持寐商而稚出的载体量过大，导致床内生物浓度下降，故 处理效果也不好，如水浓度较高。传为影响淡化廉性能的黧要参数， 乍者研究褥 到流化床载体生物膜晟佳厚度为1 8 0 “m 。 r u g g e r i ”3 等以砂子和玻璃这疆耱不爨鲶载钵来攫| | 定最佳生兹膜活性的影嚏霞 素，结果发现生物膜活性受到液圆传质及载体的粗糙性的强烈影响。 潘涛”等逶过工整援模鹣三裾生物流纯康试验，探讨了藏体表裔生物旗簿度与 有机物去除速率、容积负荷及污泥浓度等传统参数之问的必然联系，证实r e 物 貘簿度是攒述反应器行为静关键参数，揭示了三稻生物流化床高处理效率的实质 是微生物浓度高，并得出最佳膜厚为9 0 l1 0 j m 。 l 。s 废水处理应用实铡 近2 0 年来，三相好氧流化床废水生物处理技术的研究与应用越来越广泛，发联 旃1 31 f 共7 4 页 上海大学硕士举拉论文 速度很快。西方及同本均有大量三相生物流化床在处理高浓度有机废水、含酚废 求、垃毂瀚沥液、生活污东以及避行生物糙氮、除磷等方颟成功应孺的王：稷事翻。 围内的环境保护工作者也从处理机理和工艺条件等方面对其进行了l ：少研究，并 在实际工稷上有了一些应用。 蠲乎“”等剽瑷蠹獯琢生物浚纯庆处理石纯泼承，当遴拳平均c o d 浓度为 8 0 0 m g l ，流化床出水再辅以气浮扁处理，c o d 最终可降至2 0 0 m g l ：当进水c o d 浓度为5 0 0 m g l 时，密水c o d 可达1 0 0 m g l 。c o d 去除容积负荷可达 1 5 姆( m3 d ) 。 蔡建安”等用三相气掇升内循环流化床反应器( a i l r ) 处理焦化废水，达到了 缀寒的处理受蘩。c o d 进承受赫为1 3k g ( m 3 - d ) ，箕去除容积受蓊可达 7 k g ( m 3 d ) ；a i l r 对酚、氰等污染物的耐受力强、去除效果好并具有较低的曝 气链耗；葵c o d 去陈率为5 4 4 7 6 ，聚去豫率为9 9 ，5 9 9 8 ，氰去除率为 9 5 9 9 2 ；曝气能耗为活性污泥法的l 3 1 4 。 郑辛l 魅4 ”等对内循环三相生物流化床处理生活污水进行了中试研究，结果表 明：在气水比4 ：l ，东力停辩时间4 0 m i n ，遴水c o d t5 0 m g l 1 0 0 0 m g l 数条件 下，c o d 平均去除率为8 9 ，平均去除容积负荷为1 0 4 k g c o d ( m 3 ，d ) ；氧利用率 为1 3 。 徐斌8 ”等对采用悬浮填料的生物流化床原水预处理技术进行了探讨。分析了自 然援膜条 譬下熬工艺癌动避程，在8 令王筏条件下，漉纯霖对污染物的去除效梁。 中试运行表明：在温度适宜、停留时问为6 0 r a i n 、填料填充率为5 0 条件下，氨氮 平均去除效事达至l7 7 6 。氨氨的跑表面去除负荷与温度线性相关，相关系数为 o 9 l l ：c o d m n 平均去除率为6 5 ；中试装鼹在温度t 0 。6 c 条件下，重启动需要 4 d ，即对污染物育较好的去除效莱；由于填料的完全流化，池体内溶解氧传质效 率离，出水接近饱和溶解缎；进出水浊度变化不大，填辩黪涎体本身不会鞭淀， 不需反冲洗。 1 6 本文研究内容 在t 海市教委罄会内循环气升式接触氧化生物流化床的研究项h 的资助 第1 4 负共7 4 负 上海大学硕士学位论文 下，本论文研究的主要内容由四部分组成： ( i ) 瀵过箨整游闫分布麓测定，应爱多釜串联模登、籀彝扩教簇型、缝合( 全 混流