潘 濤，鄔揚善，王紹堂
（北京市環境保護科學研究院， 北京 100037）

　　摘要：本文以液—固兩相流態化的基本理論為出發點，結合生化反應的特征，闡述了生物流化床床層內部的固相載體和生物膜的特性，以及液固兩相在流體力學和生化反應動力學方面的行為及其相互關系，在此基礎上提出了一套較為科學、實用和簡便的兩相生物流化床反應器的設計方法，文中所推薦的設計參數均是在工業規模的生物流床中試驗得到的。
　　關鍵詞：污水處理； 流態化；生物流化床；設計方法
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)06-0028-04

　　生物流化床處理污水的研究和應用始于70年代初，但迄今為止，其普及程度遠不及活性污泥、生物接觸氧化等傳統工藝。原因是多方面的，但最主要的一點是由于流態化本身的特點，使生物流化床反應器的設計和運轉管理中對技術的要求較高，甚至直到今天，人們對流化現象內部規律的了解仍然比較粗淺，以至于大量工程主要還是依靠經驗進行設計。?
對于傳統的生化處理方法僅僅依靠有機負荷、污泥濃度、污泥齡等傳統參數便可以對系統進行描述并進行反應器的設計，而生物流化床則不然，反應器的行為除了與上述傳統參數密切相關以外，床層的膨脹行為、載體顆粒的特性、反應器中流體力學特性等流態化參數對反應器的設計和運行關系重大。

　　1 兩相生物流化床的床層特性

　　若流體自下而上通過顆粒床層，其初期壓降將隨流速的增大而增大，且壓降與流速呈線性關系。當流速增大到某一數值，使壓力降低的數值等于顆粒床層的浮重時，床中顆粒便由靜止開始向上運動，床層也由固定床開始膨脹。若流速繼續增大，則床層進一步膨脹，直到顆粒之間互不接觸，懸浮于流體中，這一狀態叫初始流態化。達到初始流態化以后，如再繼續增大流速，床層會進一步膨脹，但壓降卻不再增大。初始流態化狀態對應的流速叫臨界流化速度(u^mf)。臨界流化速度是指示固定床與流化床中間狀態的關鍵參數。
　　當顆粒大小不一時，床層由固定轉向流態的過程是逐次過渡的，因而難以準確確定臨界狀態，所以通過計算確定u_mf就顯得頗有意義。對于u_mf的計算，目前已有多種方法適用于不同的場合。
　　在達到初始流態化以后，隨著流速的增大，顆粒間的平均距離也增大，即床層的空隙率增大，當空隙率增大到一臨界值時，載體顆粒會隨著流體從反應器中流失，此時的流速稱為沖出速度。在生物流化床的操作過程中，流體流速應介于臨界流化速度和沖出速度之間。床層中流體流速與空隙率之間是密切相關的，二者之間的關系描述了床層的膨脹行為，是進行生物流化床設計的基礎。
　　液固兩相流化床膨脹特性通常用Richardson--Zaki方程描述：

　　εⁿ =u₁/u₂

　　式中 ε--床層空隙率，ε＝(床層體積—固相顆粒真體積)/床層體積 ?
　　　　　n? --系數，由顆粒特性決定，u_i一定時為一常數
　　　　　u_l --液相表觀流速，cm/s，u_l＝液體體積流量/床層截面積
　　　　　ui --ε＝1時的u_l，cm/s?

　　盡管式(1)只是一個經驗關聯式，至今仍沒有為這一方程找到理論依據，但多年的應用證實，用這一方程描述兩相流化床的行為是十分準確的，若以ln_ε對ln u_l作直線，線性相關系數能達到0.99以上，因此這個方程一直是流化床反應器設計的基礎關聯式。
　　式(1)中的u_i是一個反映固相顆粒特性的參數，它近似等于顆粒在液相中的靜置沉降終速度u_l，但略受顆粒直徑與反應器直徑之比d/D的影響，在應用中一般忽略這一影響，將式(1)寫成:?

　　εⁿ =u₁/u₂

　　式中n值與顆粒沉降雷諾數Re_t有關，若Re_t值介于1～200之間，則
　　n＝(4.4+1.8d/D)Re_t^-0.1? 　　　　(3)?

　　必須注意，在生物流化床中顆粒直徑d是指包裹了生物膜的載體(稱為生物顆粒，下同)的平均直徑，下文中用d_p表示生物顆粒的平均直徑，而用d_s表示載體本身的平均直徑。

　　2 載體與生物膜

　　選擇合適的載體，對生物流化床運轉的成敗及處理效果的優劣起著關鍵作用。載體選擇時應考慮諸多因素。
　　① 粒徑：一般認為粒徑小的載體有較大優越性，一方面它提供了供微生物生長的較大比表面積，有利于維持反應器內高生物量；另一方面，小粒載體要求較低上升流速，可降低運轉的動力消耗。但是粒徑也不能太小，否則使操作條件難以控制，生物顆粒易被水流沖出床外，造成載體流失，另外載體粒徑太小易于在床內聚集成團，影響顆粒分散性。根據研究的結果，如用石英砂載體，粒徑以0.3～1.0 mm為宜。
　　② 級配：粒徑分配是一個重要方面，如粒徑差別過大，將難以尋求到合適的上升流速以保持良好的混合條件。為使床內生物量的分布趨于合理，最理想的情況是采用大小完全一致的載體。因為這時床的底部廢水中有機物濃度高，生物膜較厚，使生物顆粒比床層上部更輕，易于上浮。反之床層上部的生物顆粒由于養料的減少，膜的脫落使其變重而有下沉的趨勢，一沉一浮的結果可使床內始終維持良好的混合接觸條件。盡管在實際中，難以做到使載體顆粒完全均勻，但是在選擇載體時，粒徑分配越均勻越好，最大直徑與最小直徑之比不大于2為宜。?
　　③ 形狀：幾乎所有生物流化床的方程式都假設載體顆粒為球形，但實際情況卻遠非如此。載體的形狀直接與空隙率有關，因而影響床層的膨脹。其次，形狀不同的顆粒，沉降速度也有區別，而且顆粒的形狀影響生物膜在其表面的分布。在設計時，如采用Richardson-Zaki方程這類膨脹關聯式，一般要求載體盡量接近球形。此外載體表面應有足夠的粗糙度，以利于生物膜附著。?
　　④ 體積質量：體積質量的重要性源于三方面，一是載體體積質量影響床層水力特征，使用輕質載體將較難控制適宜的水力條件使其在床內均勻分布又不致被水流帶走；二是載體體積質量影響操作中的動力消耗，重質載體初始流化速度大，能耗高；三是載體體積質量影響相互傳質，體積質量大的載體傳質阻力小，載體表面生長生物膜以后，體積質量將發生變化，變化的大小與膜厚有關，設計時必須考慮這一因素。?
　　⑤ 強度：在生物流化床中，由于流體的沖刷、載體之間以及載體與反應器壁的碰撞，要求載體有較高的強度，否則隨著運轉時間的增加，將有大量顆粒被粉碎，降低使用壽命。?
　　選擇合適的載體歷來是生物流化床設計的重要方面。目前使用的載體有天然和人造兩種。常用的天然載體有石英砂、無煙煤等，天然載體取用方便，價格合理，但是在許多方面難以盡如人意，因此人們開發了形形色色的人工載體，它們在生物流化床處理廢水中占有重要地位。?
　　當載體的體積質量和粒徑確定以后，載體表面生物膜厚度決定了生物顆粒在水中的沉降特性，從而決定了床層的膨脹高度；另一方面，當載體的粒徑和數量確定以后，生物膜的厚度決定了反應器中微生物濃度，從而決定處理效率。因此，生物膜厚度是聯系生物流化床流體力學特性和生化反應動力學特性的關鍵參數。在設計中，當已知廢水的水質水量時，需要確定一個合適的生物膜厚度，使其能滿足處理效率上的要求，由此再確定床層的膨脹高度。
　　生長于載體表面的生物膜由兩部分組成，內層為惰性生物層，包裹于惰性層外面的叫活性生物層。當生物膜厚度較小時，生物膜以活性層為主，這時生物膜量的增加使處理效率增加，當膜厚增大到某一臨界值以后，生物膜總量的增加則主要體現為惰性層的增加，膜的活性較低，對處理效率反而有不利影響，這一膜厚臨界通常稱為最佳膜厚。根據筆者的試驗研究，兩相床中最佳膜厚以100-200μm為宜。

　　3 生物流化率的設計方法

　　設計的第一步是根據上述對載體的要求選擇載體種類和確定載體參數。對于形狀各異的人工載體，其流化特性應根據試驗定出。
　　（1）生物膜厚度及處理資源：取生物膜厚主δ=0.10-0.20mm。生物膜厚度的合適值與進水值BOD₅濃度有關，對生活污水或性質方質之相近的工業廢水，δ取0.10-0.12mm。生物顆粒的平均粒徑dp(mm)和真體積質量ρp（dp(（g/cm³)計算如下：

　　

　　
　　式中　ρ_s、ρ_f——載體和濕生物膜的真體積質量，g/cm³,ρ_f取1.02～1.04g/cm³

　　（2）生物顆粒的沉降特性：生物顆粒的靜置的沉降終速度u_t/(cm/s)由下式計算，

　　

　　式中 ρ1——廢水何種質量，g/cm³
　　　　　g——重力加速度
　　　　　C——系數，由下式給出

　　R_et——生物顆粒靜置沉降雷諾數，由下式給出，

　　Re_t=u_td_pρ₁/10μ 　　　　　　　　(8)

　　μ——廢水絕對粘度，g/(cm.s）]

　　通過對式（6）、（7）、（8）進行試算，可確定u_t、C和Re_t。

　　(3)床層的膨脹行為：首先由下式計算Rich-ardson-Zaki常數n（忽略反應器壁的影響）：

　　n=4.4Re_t-0.1 　　　　　　　　（9）
　　再確定床層的臨界流化速度umf(cm/s）：

　　u_mf=utεmfⁿ 　　　　　　　　　（10）

　　式中 εmf——臨界空隙率，對近似球形載體可取

　　ε_mf=0.4

　　取廢水在床內上升流速ut=(2-3)umf,則由下式可得到床層空隙率：

　　ε=（u₁/u_t)^1/n 　　　　　（11）

　　（4）反應器的有效容積：反應器中所需裝填的載體多少由參數Ms給定，Ms為載體的總質量（kg）。選取Ms，以后載體的真體積Vs（m³)為：

　　Vs=（Ms/ρ₁）×10^-3 （12）

　　床層的體積（即反應器的有效容積）V（m³）由下式確定：

　　V=[（dp/ds)³]Vs/(1-ε) (13)

　　（5）核算污泥負荷：

　　Fs=[（Si-Se)Q×10^-6] /[(dp/ds)3-1]ρfVs(1-P) (14)

　　式中　Si——進水有機物濃度，mg/L
　　　　　Se——出水有機物濃度，mg/L
　　　　　Q——廢水流量，m³/d
　　　　　P——生物膜含水率，一般取P=95%
　　　　　Fs—污泥負荷，kg/(kg.d）

　　Fs應在0.1--0.3的范圍內，如核算得到的Fs過大，應調整Ms的取值使Fs滿足要求。

　　（6）反應器尺寸：一般生物流化床中單憑廢水的流量不足以使載體流化，因此應將部分出水回流至反應器入口。取回流比R=100%-200%，則床層截面積為：

　　A=Q（1+R）/864u₁ （15）

　　式中回流比R=Qr/Q,Qr為回流水量（m³/d）。床層高由下式計算：

　　H=V/A （16）

　　如果得到的床高H及截面積A使H/D比例不當，則可相應調整R值。另外R的取值有時應考慮進水的稀釋、充氧等因素。

　　4 設計計算示例

　　生活污水，流量Q=240m³/d，進水BOD5濃度Si=150mg/L，出水BOD5濃度要求Se=30mg/L,用兩相生物流化床進行處理。
　　采用粒徑為0.3-0.5mm，平均粒徑ds=0.42mm的石英砂載體（平均粒徑應以實測值為準）。載體真密度ρs=2.63cm³。取生物膜厚度δ=0.12mm，則生物果粒的粒徑dp=0.66mm；生物顆粒的密度ρp為1.4g/cm³（濕生物膜密度ρf取1.03g/cm³）。
　　假設廢水的密度和粘度均與20℃的純水相同，則由式（8）得靜置沉降雷諾數Re_t=6.5u_t,代入式（7）得C=3.7/u_t+1.2/ut^1/2+0.34，再代入式（6）并試算解得靜置沉降終速度ut=4.5cm/s。
　　由式（9）計算Richardson-Zaki常數n=3.1，再由式（10）確定床層的臨界流化速度umf=0.26cm/s（取臨界空隙率ε為0.4）。取上升流速u1=2.5umf=0.65cm/s，則由式（11）得床層空隙率ε=0.54。
　　取反應器中裝填的載體總質量Ms=2000kg,則載體的真體積Vs=0.76m³，床層的體積V=6.4m³。
　　取生物膜含水率P=95%，則污泥負荷Fs=0.26kgBOD5/(kg.d），符合要求，所選Ms合理。
　　取回流比R=150%，則床層截面積A=1.1m2，反應器直徑D=1.2m，有效床高H=5.8m。

參考文獻：
[1]氣液固流態化工程[M]，蔡平等譯.北京：中國石油出版社，1993
[2]Iza J . Fluidized Bed Reactor for Anaerobic Wastewater Treat6ment[J].Wat Sci Tech,1991,24(8)

---

電 話： (010)68308004?
E-mail : pantao@cenpok.net