超高效厌氧生物反应器床层膨胀行为的研究陈小光

第23卷第6期高校化学工程学报No.6Vol.232009年12月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesDec.2009文章编号：1003-9015(2009)06-1001-06超高效厌氧生物反应器床层膨胀行为的研究陈小光,郑平(浙江大学环境与资源学院,浙江杭州310029)摘要：采用厌氧颗粒污泥和实验室模拟产气，系统研究了超高效厌氧生物反应器的床层膨胀行为。以床层膨胀率、最大污泥量和最大泥水接触时间作为膨胀行为表征参数，分别建立了固定态、流化态和输送态行为模型，模型计算值与试验值吻合较好。固定态时，ul≤0.45mm⋅s−1，床层膨胀率为0，最大污泥量为4867mL(床层有效体积为7850mL)，最大泥水接触时间逐渐逼近860s(HRT最大值为2222s)；流化态时，0.45mm⋅s−1＜ul≤6.88mm⋅s−1，床层膨胀率、最大污泥量和最大泥水接触时间分别为5.28%~255.69%、1368~4559mL和104~732s(HRT范围为145~2222s)；输送态时，ul＞6.88mm⋅s−1，颗粒污泥洗出床层。反应器高效稳定运行时，床层处于流化态，其床层膨胀率、最大污泥量和最大泥水接触时间分别逼近160%、1860mL和104s。关键词：厌氧反应器；膨胀行为；流化态；固定态；输送态中图分类号：X703.3；TQ文献标识码：ABedExpansionBehaviorsofSuper-High-RateAnaerobicBioreactorCHENXiao-guang,ZHENGPing(DepartmehtofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China)Abstract:Bedexpansionbehaviorsofsuper-high-rateanaerobicbioreactorwereinvestigatedbyusinganaerobicgranularsludgeandinternalsimulationgasproduction.Bedexpansionratio,maximumbedsludgecontentandmaximumbedcontacttimebetweensludgeandliquidwereusedasthebasicparametersofbedexpansionbehaviors,andbedexpansionbehaviormodelsunderbedfixation,fluidizationandtransportationstatewereestablishedseparately.Thepredictionsfromthesemodelsagreewellwiththeexperimentaldata.Underbedfixationstate,superficialliquidvelocityislessthan0.45mm⋅s−1,bedexpansionratiois0,maximumbedsludgecontentis4867mLandmaximumbedcontacttimebetweensludgeandliquidapproaches860s(withthemaximumhydraulicretentiontime(HRT)of2222s).Underbedfluidizationstate,superficialliquidvelocityisbetween0.45mm⋅s−1and6.88mm⋅s−1,andbedexpansionratio,maximumbedsludgecontentandmaximumbedcontacttimebetweensludgeandliquidare5.28%~255.69%、1368~4559mLand104~732s(withHRTbetween145sand2222s),respectively.Undertransportationstate,superficialliquidvelocityismorethan6.88mm⋅s−1andwashoutofthegranularsludgeoccurred.Whensuper-high-rateanaerobicbioreactorisruneffectivelyandstablely,thebioreactorisunderbedfluidizationstate,underwhichbedexpansionratio，maximumbedsludgecontentandmaximumbedcontacttimebetweensludgeandliquidapproach160%、1860mLand104s,respectively.Keywords:anaerobicbioreactor;expansionbehaviors;fluidizationstate;fixationstate;transportationstate1引言自从Lettinga等[1]成功研发升流式厌氧污泥床(UASB)反应器后，得到了广泛应用[2]，并涌现了上流式分段污泥流化床反应器(USSB)[3]、外循环颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)[4]和内循环厌氧流化床反应器收稿日期：2009-02-16；修订日期：2009-06-10。基金项目：国家高科技研究发展计划(863)项目(2006AA06Z332)；浙江省大学生创新科技推广项目(200931892911742)。作者简介：陈小光(1979-)，男，江西东乡人，浙江大学博士生。通讯联系人：郑平，E-mail：[e-mail]1002高校化学工程学报2009年12月(IC)[5]等一大批高效厌氧生物流化床反应器(ABFR)。工业实践显示，这类ABFR的有机负荷高达40kgCOD⋅(m3·d)−1以上[6]。实验室研究证明，ABFR的潜能远未充分发挥。例如，本课题组自主研发的SPAC超高效厌氧生物反应器，其容积负荷高达306gCOD⋅(L⋅d)−1，容积产气率高达131L⋅(L⋅d)−1，容积COD去除率高达240g⋅(L⋅d)−1[7,8]。然而，高容积负荷和高容积产气率极易产生高床层膨胀率，引起床层污泥量和泥水接触时间的改变。由于污泥量与反应速率呈正相关，而泥水接触时间与反应物生成量呈正相关，因此研究超高效厌氧生物反应器床层的膨胀行为及其与表观液速和表观气速的关系，对ABFR的操作优化和设计优化具有重要意义。2床层膨胀行为模型颗粒污泥床层的膨胀行为是表观液速(ul，容积负荷所致的上流液速)和表观气速(ug，容积产气率所致的上流气速)协同作用的结果，它包括固定态、流化态和输送态。表观液速和表观气速较低时，床层中的颗粒污泥所受的提升力小于重力，污泥床处于固定态；表观液速和表观气速超过起始流化速度(umf)时，颗粒污泥所受的提升力接近重力，污泥床开始松动，孔隙率增大，床层发生膨胀，并逐渐进入流化态；当表观液速和表观气速进一步提高至起始输送速度(umt)时，颗粒污泥所受的提升力超过重力，污泥床进入输送态，颗粒污泥被洗出床层。超高效厌氧反应器处于上述三种床层膨胀状态时，其行为可用床层膨胀率(E)、最大污泥量(Vpmax)和最大泥水接触时间(maxτ)来表征。2.1膨胀率根据床层膨胀前后颗粒污泥高度不同，可将床层膨胀率定义为：()gls(ls)uu100%EHHH=−×(1)其中，Hgls(ls)为气液固三相或液固两相下的床层膨胀高度，mm；Hu为固定床时的污泥高度，mm。若反应器床内含泥总量不变，则有关联式(2)成立：()gls(ls)su01HAHAεε=−(2)其中，A为床层截面积，mm2；0ε为初始孔隙率；sε为颗粒污泥含率。联立式(1)和式(2)可将床层颗粒污泥膨胀率转化为：()0ss1100%Eεεε=−−×(3)根据式(3)可知，床层膨胀率与污泥含率sε有关，由于污泥含率随反应器容积负荷和容积产气率的改变而改变，因此三种膨胀状态下的床层膨胀率各不相同。2.1.1固定态的膨胀率当通过床层的流体表观速度小于起始流化速度umf时，污泥床处于固定态，其污泥含率保持不变，膨胀率为0。根据静力学平衡原理，可得液固两相条件下的umf(已另文推导)为：()()320pplmf01501dguερρμε−=−(4)2.1.2流化态的膨胀率当通过床层的流体表观速度介于umf与umt之间时，污泥床处于流化态。床层各相含率满足下式：gls1εεε++=(5)其中，gε可通过经验关联式(6)[9]求解。()()0.70.98glg0.0981010uuε−=(6)本文采用广义尾流模型[10]表征，并忽略流化床层中液体尾流造成的摩擦阻力后，可得到lε为：()11(1)lg1gggi1nnukukkvεεεε−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠(7)其中，n为颗粒膨胀因子，无量纲；k为尾流与气泡的平均体积比率，其值为：()()0.7391.293lg0.2111010kuu−=(8)第23卷第6期陈小光等：超高效厌氧生物反应器床层膨胀行为的研究1003vi为颗粒受到直径为D的反应器内壁影响的终端沉速，mm⋅s−1，它满足关联式(9)。pit10dDvu−=(9)其中，ut为颗粒不受反应器内壁影响(反应器直径D为无限大)的终端沉速，mm⋅s−1。令式(7)中ug和gε均为零，则可得液固两相系统的流化床液含率与表观液速的关系式为：lilnuvε=(10)式(10)中的n值和式(9)中的ut可分别由经验关联式(11)和式(12)[11]得到。()0.240.57p4.80.04311.242.4nGadDn−⎡⎤=−⎢⎥⎣⎦−(11)0.0180.01613.3ltlp(2.331.53)uGaGadμρ−=−(12)其中，lμ为液体黏度，g⋅(cm⋅s)−1；()32lppl/Gadgρρρμ=−。通过联立式(3)和式(5~13)便可求出床层流化态的膨胀率。2.1.3输送态的膨胀率当通过床层的流体表观速度大于颗粒污泥的起始输送速度(umt，mm⋅s−1)时，颗粒污泥进入输送态。理论上可计算出液固两相条件下起始输送速度为：()mtst1uuε=−(13)通过联立式(3)和式(5~12)便可求出床层输送态的膨胀率。2.2最大污泥量当床层膨胀率一定，颗粒污泥充满反应器有效体积时，床层污泥量达到最大，最大污泥量Vpmax为：pmax0sVVε=(14)其中，V0为床层有效体积，mL。通过联立式(14)和式(5~12)便可求出床层膨胀时的最大污泥量。2.3最大泥水接触时间床层膨胀率一定时，床层污泥量越大，微生物与污水的接触时间也越长。在同一床层膨胀率下，床层达到最大污泥量时，颗粒污泥与底物的接触时间也达到最大，即最大泥水接触时间(maxτ，s)。maxτ可由下式计算。max0ll0llHAuAHuτεε==(15)其中，H0为床层高度，mm。通过联立式(15)和式(7~12)可求出床层膨胀时的最大泥水接触时间。3实验材料与方法3.1试验装置试验装置如图1所示。冷态试验采用稀硫酸(0.5%)溶液来模拟进料，利用化学反应生成CO2(饱和NaHCO3+稀硫酸)来模拟生物产气，运用实际废水处理中的颗粒污泥以模拟超高效厌氧生物反应器的正常运行工况。3.2颗粒污泥与相关参数颗粒污泥取自某造纸废水处理厂，其颗粒平均直径为dp=1.14mm，颗粒污泥密度为ρp=1.052g⋅cm−3。反应器主要结构尺寸：床层直径、高度和有效体积分别为φ100mm、1000mm和7850mL；沉降区直径和高度分别为φ280mm和300图1试验装置示意Fig.1Sketchofexperimentalapparatus1.tankforsaturatedNaHCO32.tankforH2SO4(0.5%)3.pump4.reactor5.v