氣升式環(huán)流生物反應(yīng)器的優(yōu)化方案

氣盛循環(huán)生物裝置（以下簡(jiǎn)稱循環(huán)生物裝置）的內(nèi)循環(huán)動(dòng)力來自氣體。在石油化工領(lǐng)域，傳統(tǒng)氣升式環(huán)流生物反應(yīng)器的氣體分布器多為管式分布器，具有壓降低、氣體流量大等特點(diǎn)，但是應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域，因含有較多的固體雜質(zhì)，易出現(xiàn)出氣孔堵塞問題基于此，本文開展微孔分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，考察各試驗(yàn)條件下反應(yīng)器的流化效果及傳質(zhì)性能，確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為氣體分布器的工業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。1實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1橡膠膜的制作實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示實(shí)驗(yàn)用氣體分布器均為微孔氣體分布器，均是采用三元乙丙橡膠（EPDM）材料制成橡膠膜加工而成，該材料具有一定抗腐蝕性。該微孔分布器有盤式與管式兩種形式，圖2是兩種微孔分布器的示意圖。1.2帶加載體不投加量試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用空氣、自來水分別作為氣相、液相，環(huán)流反應(yīng)器中不投加載體，進(jìn)行氣液兩相流試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，壓縮空氣壓力為0.2MPa，壓縮空氣流量為0.5～2.5m利用氣液傳質(zhì)“雙膜理論”2結(jié)果與討論2.1孔氣體分布裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化2.1.1不同結(jié)構(gòu)微孔分布器對(duì)比管式和盤式微孔分布器中兩種主要類型，兩類分布器有不用的應(yīng)用條件和適宜的工況，在環(huán)流反應(yīng)器中進(jìn)行管式和盤式兩種微孔氣體分布器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考察氧傳質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律，便于開展合適環(huán)流反應(yīng)器的分布器結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，兩種微孔分布器的氧傳質(zhì)系數(shù)均隨氣體流量的增加而增大，且變化規(guī)律基本一致。在相同的氣體流量下，盤式微孔分布器的氧傳質(zhì)系數(shù)K2.1.2不同分布器直徑下氧傳質(zhì)系數(shù)的影響選取四種不同直徑（0.3R、0.4R、0.5R、0.6R，其中R為導(dǎo)流筒內(nèi)半徑）的盤式微孔分布器，考察分布器直徑對(duì)氧傳質(zhì)效果的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)氣體分布器直徑從0.3R到0.6R逐漸增大的過程中，氧傳質(zhì)系數(shù)表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)分布器直徑為0.4R時(shí)，分布器的氧傳質(zhì)效果最佳。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，分布器直徑太小會(huì)導(dǎo)致氣泡聚并的概率增大，分布器直徑太大氣泡又容易與內(nèi)筒壁接觸，甚至?xí)膬?nèi)筒與外筒之間的環(huán)隙區(qū)域逸出，因此分布器直徑過大或過小都會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)效果的減弱。2.1.3．2流場(chǎng)至均壓監(jiān)測(cè)試驗(yàn)選取4種分布環(huán)安裝位置，即分布器膜平面到導(dǎo)流筒底部距離為0、0.5R、1R、1.5R，考察分布器安裝位置對(duì)氧傳質(zhì)效果的影響，結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)中分布器直徑均取0.4R，導(dǎo)流筒距反應(yīng)器底部高度為3R。由圖5可以看出，隨著分布器膜盤到導(dǎo)流筒底部距離從0R到1.5R逐漸增加，分布器的氧傳質(zhì)系數(shù)出現(xiàn)先增加后降低的情況。這是由于當(dāng)分布器膜盤到導(dǎo)流筒底部距離過小時(shí)，阻礙了流體的定向循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)分布器膜盤到導(dǎo)流筒底部距離過大時(shí)，部分氣泡進(jìn)入外環(huán)導(dǎo)致參與循環(huán)的氣泡減少，進(jìn)而造成氧傳質(zhì)減弱。當(dāng)分布器膜盤到導(dǎo)流筒底部距離為1R時(shí)，氧傳質(zhì)最佳。由此得到分布器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)為：盤式微孔分布器直徑為0.4R，膜盤到導(dǎo)流筒底部距離為1R，在此條件下氧傳質(zhì)效果最佳。2.2微孔氣體分布裝置的性能常溫條件下，在水深2m的環(huán)流反應(yīng)器中測(cè)試優(yōu)化后的盤式微孔分布器的充氧能力、氧利用率與動(dòng)力效率等性能指標(biāo)并考察其變化規(guī)律。2.2.1不同氣體流量對(duì)充氧能力的影響充氧能力是一種評(píng)價(jià)曝氣設(shè)備的重要指標(biāo)，它是氧轉(zhuǎn)移系數(shù)K分布器的充氧能力q通過式(2)計(jì)算得出微孔分布器充氧能力，得到充氧能力隨氣體流量的變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可看出，隨著氣體流量的增加，微孔氣體分布器的充氧能力隨之增加，當(dāng)氣體流量為2m2.2.2氧利用率和動(dòng)力效率的概念氧利用率指在20℃、常壓的測(cè)試條件下，氣體分布器一定時(shí)間內(nèi)，通過氣體傳質(zhì)傳遞到液體水中的氧氣體積量占?xì)怏w分布器供氧總體積量的百分比。氧利用率是一種評(píng)價(jià)曝氣裝置的曝氣性能指標(biāo)。通常情況下進(jìn)氣量小，則氧利用率高，但供氧量不足可能不能滿足工藝的需氧量要求。另外，氧的利用率高與動(dòng)力效率呈非線性關(guān)系。分布器的氧利用率與充氧能力q由圖7可看出，隨著氣體流量的增加，微孔氣體分布器的氧利用率隨之減少，當(dāng)氣體流量為1.5～2m2.2.3較高的動(dòng)力效率動(dòng)力效率是評(píng)價(jià)一種曝氣裝置的最重要的一個(gè)指標(biāo)。充氧能力高，即氧傳質(zhì)系數(shù)大或推動(dòng)力大，但不一定省電。如果供氣量小，氧的利用率雖高，但供氧量（或吸氧量）可能不能滿足需氧的要求，如提供足夠的動(dòng)力進(jìn)行攪動(dòng)（聯(lián)合曝氣），雖提高了氧的利用率，但動(dòng)力效率不一定高。所以，評(píng)價(jià)一種曝氣裝置最重要的指標(biāo)是在滿足足夠的充氧能力條件下動(dòng)力效率的高低。為了降低生化反應(yīng)器的動(dòng)力消耗，降低污水處理的成本，最重要的是提高曝氣設(shè)備的動(dòng)力效率。分布器的動(dòng)力效率與充氧能力q由圖8可看出，隨著氣體流量的增加，盤式微孔氣體分布器的動(dòng)力效率隨之減少，當(dāng)氣體流量為1.5～2m3膜盤到回流筒底部距離(1）盤式微孔分布器傳質(zhì)效果優(yōu)于管式微孔分布器，盤式微孔分布器直徑為0.4R時(shí)，