气升式环流生物反应器的优化方案

气升式环流生物反应器的优化方案

气盛循环生物装置（以下简称循环生物装置）的内循环动力来自气体。在石油化工领域，传统气升式环流生物反应器的气体分布器多为管式分布器，具有压降低、气体流量大等特点，但是应用在污水处理领域，因含有较多的固体杂质，易出现出气孔堵塞问题基于此，本文开展微孔分布器结构优化研究，考察各试验条件下反应器的流化效果及传质性能，确定最佳的结构参数，为气体分布器的工业应用提供技术指导。1实验材料和方法1.1橡胶膜的制作实验流程如图1所示实验用气体分布器均为微孔气体分布器，均是采用三元乙丙橡胶（EPDM）材料制成橡胶膜加工而成，该材料具有一定抗腐蚀性。该微孔分布器有盘式与管式两种形式，图2是两种微孔分布器的示意图。1.2带加载体不投加量试验实验采用空气、自来水分别作为气相、液相，环流反应器中不投加载体，进行气液两相流试验研究。实验在常温常压下进行，压缩空气压力为0.2MPa，压缩空气流量为0.5～2.5m利用气液传质“双膜理论”2结果与讨论2.1孔气体分布装置的结构优化2.1.1不同结构微孔分布器对比管式和盘式微孔分布器中两种主要类型，两类分布器有不用的应用条件和适宜的工况，在环流反应器中进行管式和盘式两种微孔气体分布器的对比实验，考察氧传质系数的变化规律，便于开展合适环流反应器的分布器结构形式设计，实验结果如图3所示。由图3可以看出，两种微孔分布器的氧传质系数均随气体流量的增加而增大，且变化规律基本一致。在相同的气体流量下，盘式微孔分布器的氧传质系数K2.1.2不同分布器直径下氧传质系数的影响选取四种不同直径（0.3R、0.4R、0.5R、0.6R，其中R为导流筒内半径）的盘式微孔分布器，考察分布器直径对氧传质效果的影响，结果如图4所示。由图4可以看出，当气体分布器直径从0.3R到0.6R逐渐增大的过程中，氧传质系数表现出先增大后减小的趋势，当分布器直径为0.4R时，分布器的氧传质效果最佳。试验过程中发现，分布器直径太小会导致气泡聚并的概率增大，分布器直径太大气泡又容易与内筒壁接触，甚至会从内筒与外筒之间的环隙区域逸出，因此分布器直径过大或过小都会导致传质效果的减弱。2.1.3．2流场至均压监测试验选取4种分布环安装位置，即分布器膜平面到导流筒底部距离为0、0.5R、1R、1.5R，考察分布器安装位置对氧传质效果的影响，结果如图5所示。试验中分布器直径均取0.4R，导流筒距反应器底部高度为3R。由图5可以看出，随着分布器膜盘到导流筒底部距离从0R到1.5R逐渐增加，分布器的氧传质系数出现先增加后降低的情况。这是由于当分布器膜盘到导流筒底部距离过小时，阻碍了流体的定向循环流动，当分布器膜盘到导流筒底部距离过大时，部分气泡进入外环导致参与循环的气泡减少，进而造成氧传质减弱。当分布器膜盘到导流筒底部距离为1R时，氧传质最佳。由此得到分布器的优化结构为：盘式微孔分布器直径为0.4R，膜盘到导流筒底部距离为1R，在此条件下氧传质效果最佳。2.2微孔气体分布装置的性能常温条件下，在水深2m的环流反应器中测试优化后的盘式微孔分布器的充氧能力、氧利用率与动力效率等性能指标并考察其变化规律。2.2.1不同气体流量对充氧能力的影响充氧能力是一种评价曝气设备的重要指标，它是氧转移系数K分布器的充氧能力q通过式(2)计算得出微孔分布器充氧能力，得到充氧能力随气体流量的变化规律，如图6所示。由图6可看出，随着气体流量的增加，微孔气体分布器的充氧能力随之增加，当气体流量为2m2.2.2氧利用率和动力效率的概念氧利用率指在20℃、常压的测试条件下，气体分布器一定时间内，通过气体传质传递到液体水中的氧气体积量占气体分布器供氧总体积量的百分比。氧利用率是一种评价曝气装置的曝气性能指标。通常情况下进气量小，则氧利用率高，但供氧量不足可能不能满足工艺的需氧量要求。另外，氧的利用率高与动力效率呈非线性关系。分布器的氧利用率与充氧能力q由图7可看出，随着气体流量的增加，微孔气体分布器的氧利用率随之减少，当气体流量为1.5～2m2.2.3较高的动力效率动力效率是评价一种曝气装置的最重要的一个指标。充氧能力高，即氧传质系数大或推动力大，但不一定省电。如果供气量小，氧的利用率虽高，但供氧量（或吸氧量）可能不能满足需氧的要求，如提供足够的动力进行搅动（联合曝气），虽提高了氧的利用率，但动力效率不一定高。所以，评价一种曝气装置最重要的指标是在满足足够的充氧能力条件下动力效率的高低。为了降低生化反应器的动力消耗，降低污水处理的成本，最重要的是提高曝气设备的动力效率。分布器的动力效率与充氧能力q由图8可看出，随着气体流量的增加，盘式微孔气体分布器的动力效率随之减少，当气体流量为1.5～2m3膜盘到回流筒底部距离(1）盘式微孔分布器传质效果优于管式微孔分布器，盘式微孔分布器直径为0.4R时，