气升式内环流生物膜反应器设计与试验

张永京 ，李大玉，缪 宏 ，朱 松

（1.扬州大学机械工程学院；2.扬州市海牛厨房设备有限公司，江苏 扬州 225000）

0 引言

环流反应器作为一种高效的多相反应器，广泛地应用于生物工程、能源化工等领域。环流反应器结构简单，不需要机械搅拌装置及循环泵，仅依靠其内部不同区域流体的密度差作为推动力便可形成规则的循环流动。因此，对环流反应器进行的相似放大工作容易实现，并且环流反应器拥有较好的流体力学特性[1-2]。环流反应器按照内部流体的流动型式及操作工况有多种分类方式，其中，气升式环流反应器由于结构简单、易于操作等优点，应用的最为广泛[3-5]。

本文设计了一种三相气升式反应器，该反应器外部采用多导流筒低高径比，其内部采用圆升气管的方形内循环式，具有优良的流体力学特性，可形成多级环流的流动状态，另外通过对内环流器内氧传质模拟与试验，获得底物去除效果最佳的参数情况。

1 装置整体结构设计与工作原理

1.1 整体结构

气升式环流反应器主要由上升区、下降区和气液分离区三部分组成[6]。按照反应器的环流类型可分为气升式内环流反应器和气升式外环流反应器两类[7]。气升式环流反应器由两同心圆筒构成，通常内导流筒作为上升区，两筒环隙作为下降区，结构示意图如图1（a）所示。气升式外环流反应器结构稍微复杂一些，上升区与下降区分开，这为分别控制上升区和下降区的反应条件提供了方便，结构示意图如图1（b）所示。本设计采用气升式内环流结构，内环流生物膜反应器主要由内筒、外筒、企业分离器和弹性填料四部分组成。

1.2 工作原理

气体经过空气分布器从内筒喷入，气液混合流经过内筒中的弹性填料向上流动。反应器中的曝气一方面提供底物降解所需要的氧气，另一方面改善液体的流动状态，增强了传质。顶部气液分离器中，混合流实现气液分离。气液分离后的流体一部分经排水口溢流排出，另一部分经过内外筒之间的环隙向下环流。环流的液体中包含脱落的生物膜，脱落的生物膜在锥底沉积，可定时排出。

2 仿真试验

2.1 氧传质模型建立

氧在液相和生物膜中的扩散系数分别用Dow和Dof表示。氧在纯水中的扩散系数Dow为2.0×10-9m2/s。

式中，pf为生物膜的干密度。生物膜干密度定义为单位体积湿生物膜的干生物质量。湿生物膜体积可以根据光载体直径和平均生物膜厚度进行计算，生物膜的干生物量等于生物载体的干质量减去光载体的干质量，生物膜干密度pf的计算公式为：

式中：Wf为生物膜的干质量，mg；

Nf为样品中的生物载体数量；

Dp为载体的直径，mm；

δ为平均生物膜厚度，mm。

（1）剪下支生物载体,在光学显微镜下测量其直径,得厚度 δ；

（2）剪下部分生物载体于烘箱中在105℃下烘烤 24 h，称重为 Wf；

（3）将干生物载体置于加热的NaOH溶液中；

（4）去除生物膜后，反复重洗和稀释载体；

（5）将载体在105℃下烘烤24 h，称重；

（6）重复2、3、4步骤，直到光载体干质量恒重为W2，则Wf=W1-W2；

（7）计算载体数量为Nf。

测得的生物膜干密度Pf为49.612 mg/L，带入得，Dof=0.7×10-9m2/s。

2.2 内环流生物膜反应器内氧传质的模拟

当COD为1 000 mg/L、HRT为10H、曝气量为300～600 mL/min时对内环流生物膜反应器内氧传质进行了模拟。曝气量为300 mL/min和600 mL/min时模型的一个纵截面的浓度等高线分布见图2所示。由于微生物的消耗，氧的浓度在流动方向上逐渐减小。随着曝气量的增大，氧的浓度的减小越来越缓慢，而生物膜中氧的渗透深度逐渐增加，耗氧层的厚度也随之变厚了。

3 结果分析

3.1 出口处氧浓度分析

通过对每一段的计算进行叠加，氧在出口处的浓度如图3所示。从图3可以看出，模拟值和实验值的最大误差为15%，最小误差仅有5%。实验值并不能看出明显的规律性，主要是因为在实验室受到外界因素的影响，例如大气压和温度，而且也受到人为操作因素的影响。而模拟值却可以看成是一条光滑的曲线。模拟值比实验值偏低，分析其原因首先是因为采用的模型做了很多简化，和真实的情况有一些差别，其次是因为忽略了曝气所产生的气泡和液相之间的传质。

3.2 曝气量模拟时氧气浓度分析

随着曝气量的增加，消耗率的模拟值也一直增加，而实验值却在曝气量超过500 mL/min时开始减小。曝气量越大，上升区内的液相流速也就越大，生物膜表面的剪切力也随之增大，微生物的脱落也就越快。曝气量的增加不仅带来了更多溶解氧量，也使得微生物的脱落变得更快，这就需要为曝气量找到一个平衡。在本文的实验中，发现曝气量在400～500 mL/min时底物的去除率最佳。

对曝气量进行模拟时，分别在反应器模型靠近底部的区域、中部和靠近出口的区域截取一小段生物膜片断，这个片断包括的生物膜和膜外处的液相，观察这3个片断内氧的浓度分布。

从图4中可以看出，在反应器的底部区域，氧渗透到生物膜内大约0.3 mm处，而到了反应器的顶部区域，随着液相溶解氧的浓度下降，这个值减小到大约0.15 mm。从模拟结果可以看出，反应器底部比反应器顶部有着更厚的耗氧层，更有利于微生物的生长，所以应该有着更厚的生物膜。实验观察发现，反应器下部生物膜稍厚，为0.4～0.6 mm，呈黑色，上部生物膜稍薄，为0.1～0.3 mm，呈黄褐色，这与模拟结果是相符的。反应器下部供养充足，生物膜生长更快，但当生物膜大于一定厚度时，譬如，由于氧不能完全渗透到内部，所以在内部就形成了呈黑色的厌氧层。耗氧层的厚度是一定的，生物膜越厚，就意味着厌氧层越厚。所以，反应器底部既有耗氧层，又有厌氧层，而厌氧层更厚，从总体看就呈黑色。相反，在反应器顶部虽然供氧不足，但因为生物膜很薄，氧基本上能够完全渗透，所以，是以呈黄色的耗氧层为主。