影响循环移动载体生物膜反应器性能的因素分析

1 实验装置及实验方法
　　影响反应器充氧性能的结构和操作参数主要为反应器升流区与降流区截面积之比、挡板上方的液面高度和底隙高度、曝气量和填充比的大小等，根据实际运行的移动床反应器的结构特点，本实验确定了如下实验装置和实验方法。
1.1实验装置
　　图1所示为本试验中采用的循环移动载体生物膜反应器实验装置，外形尺寸为L×W×H=1000mm×250mm×1400mm，由反应区和沉淀区两部分组成。反应区有效水深为1.2m，有效体积为172L，由导流隔板将其分成升流区和降流区。内装CLS-Ⅲ型空心圆柱填料(密度约为0.96g／cm3，比表面积为350m2／m3)，由微孔曝气管在升流区进行曝气充氧，造成升流区和降流区污水的密度差，从而使液体夹带着填料在反应器中不断地循环移动。
1.2 实验方法
　　在不同的结构和操作参数条件下，在进水中加适量Na2S03和催化剂CoCl2，使移动床中的溶解氧降为零，通人空气，同时将溶解氧测定仪放人反应器中，每隔一定时间测定溶解氧的变化，根据ln(Cs—C)与时间的直线关系，其斜率即为氧转移系数[1]。
　　本实验所测定的数据均为清水实验数据，由于移动床反应器内水的流态大致符合完全混合的特征，反应器内务区域水的物理和化学性质相差不大，因此使用清水实验数据得出的结论同样适用于污水实验，也可用于实际生产。
2 实验结果及理论分析
2.1 升、降流区截面积之比(Ar／Ad)对充氧能力的影响
　　理论分析认为：当较小时Ar／Ad，升流区的流速快，导致气泡聚并，而且进入降流区时液体降流速低，不足以将气泡携带进入此区，因此降流区溶解氧浓度变小；当Ar／Ad较大时，升流区液流速度较慢，气泡聚并的机会减少，溶解氧变大。但若Ar／Ad过大，气泡在溶解到液体之前逃逸液面的机会增多，导致降流区的溶解氧浓度急剧下降，反应器总溶解氧量也会略有下降。当曝气量为0.75m3h，Ar／Ad取不同值时反应器内降流区混合液溶解氧含量比较见表1。
　　从表1可以看出，当Ar／Ad取值范围在2/3左右时，(此时，底隙高度LB。取为250mm)可以得到较好的充氧效果，而其值变大或变小，都会使反应器内氧转移效率下降。
表1 不同Ar／Ad值时降流区溶解氧浓度变化

Ar/Ad	不同曝气时间的溶解氧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 　挡板上方的液面高度LT，与底隙高度LB对充氧能力的影响
　　反应器有效水深确定后，将反应器升流区和降流区隔开的挡板高低位置发生变化时，反应器的氧转移效率和液体循环速度都会发生相应的变化。实验中发现适当增大液面高度LT值，液体循环速度和氧转移系数均有所上升，原因可能是升流区气泡在逃逸液面之前与液体有更长时间的接触将能量传递给液相，从而使降流区的液体下降速度加快。但LT过大，降流区内的填料就会有一部分通过挡板上端返回到升流区，影响反应器内填料的正常循环移动。
表2　不同LT值时降流区溶解氧和液体循环速度的关系

液面高度LT/mm	溶解氧ρ（O2）/(mg·L-1)	液体循环速度／(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数据是在Ar/Ad值取为2/3的条件下测定的，曝气量为0.75m3/h。溶解氧的质量浓度为降流区内混合液曝气8min后测定的结果。

　　从表2中可以看出，当LT值变大时，液体循环速度和溶解氧的质量浓度均有所上升但实验同时发现 LT值超过250mm后液面部分填料会出现短流现象，而加大液体循环速度至15 cm／s后，LT值可达到350 mm，但此时能耗将大幅度增加，因此当液体速度在10cm／s左右时，取LT值为250mm。
　　底隙高度LB。是指曝气装置到挡板的垂直距离，它是一个重要的参数。如果LB过小，则液体流动阻力大，会降低液体循环速度和含气率，且生物载体在由降流区进入升流区时受到的剪切作用大，不利于生物膜的生长；如果LB过大，则由曝气装置出来的部分气泡会进入降流区，同样降低液体循环速度和含气率，甚至导致流型的改变，而影响反应器的性能。本试验取底隙高度LB值为250 mm，表1的试验结果证明这一取值是合理的。
2.3 曝气量与填充比对氧转移系数的影响
　　曝气量和填充比是移动床反应器关键性的操作参数之一，它们的取值直接影响着反应器氧转移效率的大小，不同填充比下氧转移系数随气量的变化关系曲线见图2，不同气量下氧转移系数随填充比的变化关系曲线见。
　　试验表明：曝气量和填充比同时影响着氧转移系数。在无填料的情况下，曝气量是主导因素：氧转移系数随着曝气量的增加先增大而又减小。因为在低气量的条件下，随着气体流量的增大，含气率增大，相应地增大了气液接触面积；而当气体流量增大到一定程度后，曝气产生的气泡直径变大，上升速度快，气泡更易于逃逸，使氧转移系数降低。
　　在一定的填充比的情况下，一方面由于填料占据本来的一部分液体空间导致反应器内含气率下降，另一方面由于填料切割气泡的作用使气泡直径变小而增大转移系数。从图中可以看出，在气量为0.8m3／h时，填充比为0时的KLa。值大于填充比为30％时的KLa。这可能是因为在无填料填充时，0.8m3／h左右的曝气量使氧转移系数达到最大。而加入30％的填料后，填料占据液体空间使含气率下降的作用占主导地位，因此氧转移系数随着填料的加入变小。但当填充比大于30％后，随着填充比的增加氧转移系数增大。
3 小结
　　①在移动床反应器氧转移效率的各项影响因素中，曝气量的影响最大，但同时也不可忽略其他影响因素。
　　②权衡反应器流体状态和经济因素后，实验中LT与LB值均取为250mm，提升区与回落区之比Ar/Ad值为2/3。
　　③随着填充比的增加，氧转移系数逐渐上升，鉴于循环流速的限制，50％的填充比比较适合。
　　④随着曝气量的增加，水流紊动性加大，有助于氧的利用，但气量过高时，又会导致氧利用率的下降。