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三相内循环生物流化床的工艺原理

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学社技术 发表于 2019-9-8 09:09 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
在空气的提升作用下,载体和废水在反应器内不断循环移动,呈现不同的接触混合状根据反应区内导流板两侧工艺特征和功能,将反应器的反应区分为升流区和降流区。" T: L6 r9 r2 u2tech.cn

+ r% H  {0 A2 Q2 C0 Y/ j在升流区内,具有一定压力和流量的压缩空气通过微孔曝气器由池底进入升流区,对载体产生气提作用,升流区内的载体与液体、气体形成三相流,以一定的速率向上移动。/ b2 N( W' Q8 {$ b  S' |! I2tech.cn

( P3 \; N* k; G! A降流区是一沿水流方向截面逐渐增大的区域,水流速率在此区逐渐下降,在运动惯性和气体的抽吸作用下,降流区内的水流携带气泡、载体和从沉淀区回流的污泥由导流板底部进入升流区再次被提升,由此在反应器内形成循环流。
! n8 E- F' d4 T& e: f- E7 R( Q& q! v- y2tech.cn
在载体循环流动过程中,载体之间相互摩擦、碰撞,同时由于三相流中气、液、固三相的不同步特征,空气和液体对载体表面产生较强的剪切作用,载体表面老化的生物膜不断脱落更新,使生物膜处于高活性,维持整个反应器净化高效状态。
! B: @3 e5 O5 a3 L
% B; l# [6 U! {2 V5 l5 X- q2 p由于载体的不断循环,反应区呈动平衡下的移动状态,使生物膜与废水充分接触,强化了生物降解作用;同时在升流区内由于三相流的剧烈运动,空气中的氧得以以较快的速率溶于水中,以及降流区水流携带气泡流动,其水接触时间长,氧转移率高,因此在反应器具有较好的充氧效果。" |( _" W5 R3 l6 ~2tech.cn

6 j8 A) r% I2 i
三相内循环生物流化床的生物膜动力学原理
9 Q) ^0 g8 y' m4 U' c  e% N2tech.cn

7 O) c7 d2 Z0 V  W& S/ }4 a  F内循环生物流化床反应器本质上是一种生物膜法工艺,有机物在生物膜中的降解与传递速率的关系可用西勒数Φ来加以度量。8 O4 O* `1 N3 ]' B- \+ g2tech.cn

/ Y8 g/ U. I; [* ` 环境学社1.jpg , |" H9 ^3 O8 c0 M0 R2tech.cn
式中,rm——惰性载体半径(cm);
% g6 M" ^* m* C  x- ?8 |: U3 F0 uqmax——最大有机物降解速率(mgBOD5/mgSS·d);8 `1 B( k$ x$ w3 i2tech.cn
KS——米氏常数(mgBOD5/L);: z, W( X  T/ S2tech.cn
ρ——生物膜干密度(mg/ml);2 W+ j  l/ e, J2tech.cn
D0——有机物在生物膜中的扩散系数(cm2/s)。
2 h: ^4 e% [# b3 a
4 Y5 e  V- h& P1 |有机物实际降解速率与无传质阻力时的降解速率之比为效率因子η,η与Φ的关系见下图,图中λ=rp/rm,rp为生物载体半径(cm)。
) U9 k7 b/ J! t, ]4 p
0 N5 g6 n  E( S( A  L3 m. I 环境学社2.jpg
6 {. }; X  b. H: Z, @η-Φ关系
3 f6 Q/ Y6 d8 Z( b; w8 Z' h1、λ=1.2;2、λ=1.5;3、λ=1.8;4、λ=2.1;5、λ=2.4
2 h2 ]( W5 o' e( y; Y& u, `8 D/ G- U" x2tech.cn
  由上图可见,Φ很小时η接近于1,传质阻力可忽略不计,有机物降解速率正比于反应器内生物浓度,而直接与载体大小、密度及生物膜厚有关,因而只要对这些参数加以适当的选择和控制即可达到反应器优化的目的。有种情况可能导致较小的Φ值:$ y% t- G3 H4 u4 o5 b0 ?2tech.cn
% o5 w% ^- N* q: l$ N5 |2tech.cn
①生物膜很薄,此时为提高反应速率必须在反应器中增加载体量以达到增加X的目的;
6 X/ _  j6 |% q& U$ P' [' m( o& I, c. i2tech.cn
②废水有较小的 环境学社3.jpg 三相内循环生物流化床的工艺原理值,这意味着K很小或D0很大,废水一般较难降解,处理效率不受传质速率所控制,在这种情况下载体上的生物膜可适当厚些而不必过多地增加载体量来提高X值。+ Q1 c+ O# o9 V! ^  A: h2tech.cn
" }3 n! |8 D. t" a" z) O2tech.cn
  当Φ较大时,η很小,此时传质阻力很大,有机物的降解速率由生物膜内有机物的传递速率所控制,这种情况的出现也有2种可能:
# Q1 ~, O  |) ^1 a, Q& p3 Y" I9 ^/ t$ l4 ~/ @  K, o( l2tech.cn
①载体上的生物膜很厚;1 }6 a/ g2 \9 s0 g- r) Y2tech.cn
; ]/ N+ g2 w6 T. H  m7 ?2tech.cn
②废水的值很大,即K很大或D0很小,此时废水比较容易降解,为提高有机物的降解速率可增加载体的投加量和保持很薄的生物膜以减小传质阻,增加η值。0 |$ [" c5 }7 K9 a8 I) V% m2tech.cn
8 G7 e" \4 w* M/ w' x# `: Y! q2tech.cn
三相内循环生物流化床反应器内水力学原理
; K. A6 e- y" M# w2tech.cn

9 ^6 ?* W  y% I' ]在流化床内,循环的动力来源于升流管和降流管之间的压差,此压差应等于流体流动的动能、沿程阻力损失、局部阻力损失之和,根据能量方程,有下列关系成立:
/ t+ W; R- F) ^/ [7 c1 ]+ R- E/ I' {  \" S  e2tech.cn
环境学社1.jpg
+ z5 f' s6 N1 X; C0 y' Q- t
3 E. R1 v% C, {+ O$ m  g, i式中:ε——气体滞留量;
, v# h1 A8 o& i$ ], Wu——液体流速(m/s);
8 f* i# u# m: Z8 M4 TL——反应器内筒高度(m);! e6 Y6 s* @! m2tech.cn
Σξi——沿程阻力和局部阻力系数之和;8 B5 V6 K8 N+ I2tech.cn
d,r——下标,分别表示降流区和升流区。3 l( |2 Z4 U  z* D5 \; O1 G6 H2tech.cn
8 n# }9 C' N1 m& |2tech.cn
由于在升流区进行曝气,大量气体在升流区顶部向上逸出,故降流区所夹带的气体滞留量很小,与升流区相比可忽略不计,即εd≈0,则由上式可得:+ L8 n! X( i- h; x: u& a5 E2tech.cn
4 R4 ~" U; Z+ m' z5 H2tech.cn
环境学社2.jpg - ?# W! `2 F, r% \2tech.cn
8 G, ?1 V6 V: a4 ]2tech.cn
环境学社3.jpg
+ G6 F9 l1 @8 s* r# f* ~* C9 l, l  J) ?2tech.cn
式中,Ar与Ad分别为升流区和降流区的截面积(m2)。
2 k; k$ S- v" g  u2 }6 y* V; z7 Y' q) F1 B* I0 N; J2tech.cn
假定升流区气体滞留量εr与流化床供气量Qg成正比,即εr=kQg,将其代入上式可得:# \' e# K! |6 g2tech.cn
$ c, V( m7 i/ A) t5 m8 o2tech.cn
环境学社4.jpg
5 U$ o0 w5 }1 [, c4 m( W: S9 p3 V+ @( P$ d2tech.cn
由上式可知,在流化床中,供气量对液体的循环、反应器内的混合影响很大。当供气量Qg与内筒长度L一定时,循环速度和阻力损失系数与升流管和降流管的面积之比有关,而影响阻力系数ξi的主要因素是内筒底和反应器底部之间的距离,因为外筒的下向流动流体在内筒底部经180°转弯后进入内筒而向上流动,这种流动方向改变造成的水头损失极大,故它是阻力损失的主要部分。
, _! d6 e2 l# e7 k
# ]0 w% W7 Y1 v. ]3 e+ ?- H4 ~3 v* p可推论内筒底与流化床底部的距离越大,则阻力越小、循环速度越大。如果固定内筒底与底部的距离、内筒面积与外筒面积之比Ar/Ad,而增大内筒的长度(即增大反应器的高度),虽然L的增大导致了流体沿程阻力损失的增大,但Σξi的增大幅度小于L的增大,故随反应器高度增加,循环速度也增大。# Y( t' E  m( G' J6 J* ]4 \2tech.cn

3 G2 V7 N7 v7 L7 e$ k
三相内循环生物流化床有机物降解动力学原理

6 R3 W2 a( D* E: ^
- N- e; p* K' m9 C假定有机物的降解速率对生物浓度和有机物浓度均为一级反应,升流区和降流区的有机物降解动力学系数相同,可分别对升流区和降流区建立有机物的物料平衡:
2 d: g  L* ], }5 I! a; r$ {! z
3 Y, \& W" h& F( Z, D* j; V升流区r:QSo+RQSd=(Q+RQ)Se+KXrVrSe
  C) c. |3 W/ h  `: J+ c' Z7 Q- r9 n8 b4 {, t1 i2tech.cn
降流区d:ROSe=RQSd+KXdVdSd. j) _- [3 M( t, v/ B6 X2tech.cn
$ q9 E% R! _' @- N( K8 s2tech.cn
式中:RQ——内循环流量(m3/d);+ u3 `/ Q) y+ L2tech.cn
      K——有机物降解的动力学系数(m3/kg·d);6 c! C  J" z+ y/ X+ p6 O' q. ?2tech.cn
      Q——进水流量(m3/d);* h" g: ]6 R' G& n. e# x6 u2tech.cn
      X——生物浓度(g/L);1 }/ z. w3 y) ^* V) _# n$ s2tech.cn
      V——体积(m3);
3 D5 O" _3 V: t1 u      S——有机物浓度,以COD计(mg/L)。
- A0 m; S1 T$ ^/ e9 C" R
, I  R: W) T& b下标r、d分别代表升流区和降流区,o,e分别代表进水和出水。$ ?  G  O& e+ A9 w2tech.cn

3 d$ f3 b% e. x+ J% p+ @( I0 G3 B5 i由上两式整理得:# n! M6 \2 E* z( s: O2tech.cn

" ?8 G( k2 o, O( X3 \* i4 n 环境学社1.jpg : Q8 ?1 Y* ~: j6 J3 g) [1 m8 T2tech.cn
: t+ X5 u; C! j3 J) }2tech.cn
由上式可见,循环流量RQ增大,可使得出水有机物浓度Se减小,而增大反应器高度将提高循环流量,因此高度较大的反应器有利于提高有机物的去除效果。
+ `, q/ l2 d4 \; B- |
5 g, R, g& I! M: s当循环流量RQ很大时,上式可简化成:
; [, w4 J- I# [8 q, @8 R6 E
: [3 H1 g$ `8 t2 R) WQSo=(Q+KXrVr+KXdVd)Se' L+ j4 S, u" h; K( i2tech.cn
1 W& r" Z7 k; [9 Z2tech.cn
令XrVr+XdVd=XV,其中X为反应器内的平均生物浓度,则:
/ B! i- |' q& [. y$ D: t8 P0 l9 v; \6 R5 P2tech.cn
环境学社2.jpg ' @# h2 r# b* P; C2tech.cn

$ o: q. w+ L7 L% M  Y式中,θ=V/Q,此即为完全混合反应器(CSTR)的有机物降解模型,由此可见,当内循环流量很大时,内循环三相生物流化床反应器即可视为CSTR。
1 f9 V0 _! R0 s4 ~$ \9 y
5 Z2 C. I; _0 c+ E' W7 Z: @- J# y( \: O2tech.cn
2 p2 i; c. c, s& W2tech.cn

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精彩评论2

 楼主| 学社技术 发表于 2019-9-8 09:11 | 显示全部楼层
三相内循环生物流化床的脱氮原理

; G* X/ i5 V7 L2 u$ A' F. s9 J
2 Y1 G  R) V+ }& x, Q在三相内循环生物流化反应器内,通过亚硝化菌和硝化菌的作用,将氨氮氧化成亚硝化氮(NO2-N)和硝化氮(NO3-N)。
4 j* b+ y# k& L. L; Q# w, Z- u' s& [* R7 n8 K; H+ l" C4 N2 a2tech.cn
环境学社1.jpg , f3 P+ ^# O1 L2 O2tech.cn

7 Y, y7 `' \- K总反应为: NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
6 @" [, Q5 r# d/ t& Y
; y6 R! V* D8 \: s, `8 Q硝化过程中NH4+-N耗于异化氧化和同化合成的经典公式为:# X. N  h& e! c. X- X2tech.cn
- M: j& M. `* Q2tech.cn
NH4++1.83O2+1.98HCO3-→0.98NO3-+0.021C5H7NO2+1.88H2CO3+1.04H2O$ U) O. `' _/ G; R4 M2tech.cn

+ w8 n- ~2 h1 f# ]" R在缺氧池内,通过反硝化菌的作用,将氧化态氮(NO2-或NO3-)还原成气态氮(N2或N2O)的过程称为反硝化反应。反应式为:
. H& t' G8 `9 n  r1 ~( i& K; g2 @, u4 w2tech.cn
环境学社2.jpg " z: |8 Z7 q% r  X0 p( U2tech.cn

" M4 ]  U% O' n6 g; Q反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作用来完成的。若以甲醇为电子供体有机物,其经典反应式为:
+ i% U$ D; A& h$ L5 ^: y6 L
# l" z, L7 N1 t0 [NO3-+1.08CH3OH+0.24H2CO3→0.065H7NO2+0.47N2+1.68H2O+HCO3-
5 y: Z! O# P6 c4 ]& ?& ]% ]5 K1 g7 b3 M9 @( z- P1 Q2tech.cn
学社贴贴学历认证 发表于 2019-9-8 09:44 | 显示全部楼层
内循环三相生物流化床的工艺特点

  t& t9 q9 j- U2 q% O
7 h! L; j8 X% o$ g6 j( \  L  O4 j1、空气从三相床底部直接曝气,既为微生物提供氧气,又为载体流化提供动力,可以控制生物膜厚度的过度增长。
; g- d5 \: o7 z  Z& r& D$ H1 \. i! m6 J/ o5 Y" i2tech.cn
2、由于气、液、固在升流区和降流区之间循环流动,循环速度很大,远大于载体终端沉降速度,流体形成的剪切作用可有效地控制生物膜厚度,以避免过厚的生物膜引起的内传质阻力增大,使循环式流化床中生物膜保持较高的活性。# R* x' r& ]! ~8 Q2tech.cn

  [0 l- F6 M, y5 ^3、由于循环式流化床的紊动剪切及水力摩擦使过厚的生物膜自行脱落,因此可防止载体的大量流失,载体的流失量很少。$ Q7 K( Q7 D2 \% D2tech.cn

/ E* r7 f1 A1 h+ x$ y) M0 @/ K4、载体的流化性能好。升流筒直径合适,保持一定的气速,载体流化均一性好,对生物膜的良好生长十分有利。+ ?/ F6 v2 {8 |2tech.cn
) g" t; S  D; g! Q: d& S$ ?2tech.cn
5、氧的转移效率高,液体在升流管河降流管之间循环流动,气、液接触时间长。
9 }& r% Y9 {$ K# G1 A9 U9 Q* S. d
9 m3 U" z& _! ?% }9 k1 s  z+ n
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