汙水處理好氧生物流化床的原理與應用（簡體書）

《清華大學百年校慶環境科學與工程系列著作：汙水處理好氧生物流化床的原理與應用》系統介紹了汙水處理好氧生物流化床的技術原理與應用。內容包括：生物流化床的發展沿革、三相生物流化床的流化原理、內循環三相生物流化床反應器及其特性、流化床反應器的生物載體、生物流化床反應器的固液分離、運用CFD對生物流化床的數值模擬、生物流化床對碳源污染物的降解、生物流化床的脫氮除磷、生物流化床的設計方法和生物流化床處理污水的工程應用實例等。《清華大學百年校慶環境科學與工程系列著作：汙水處理好氧生物流化床的原理與應用》可作為高等院校環境工程專業本科生和研究生學習汙水處理工程的技術參考書，也適合從事汙水處理的專業技術人員參考。·

施漢昌，博士，清華大學環境學院教授。1982年畢業於清華大學土木與環境工程系。1989～1990年英國水研究中心訪問學者，1994年美國Michigan大學高級訪問學者，2002年加拿大Alberta大學訪問教授，2003年美國Stanford大學訪問教授，2007年瑞典隆德大學訪問教授。長期從事水污染控制的理論與技術研究，在污水生物處理反應器、反應動力學和生物傳感器等方面取得了大量的研究成果，積累了豐富的經驗。多次擔任國家科技攻關項目、“863”項目等重大研究課題的負責人。在國內外期刊上發表學術論文300余篇，曾獲中國環境科學學會“環境科學優秀科技工作者”稱號。·

《污水處理好氧生物流化床的原理與應用》可作為高等院校環境工程專業本科生和研究生學習污水處理工程的技術參考書，也適合從事污水處理的專業技術人員參考。

叢書序前言第1章 生物流化床的發展與應用1.1 生物流化床的發展沿革1.1.1 流化床的基本條件1.1.2 理論與方法1.2 流化床技術在水處理中的應用1.2.1 流化床的早期應用1.2.2 生物流化床的發展與應用第2章 三相生物流化床的流化原理2.1 三相流化床中的流化機理和氣相特性2.1.1 初始流化2.1.2 氣體擴散的一般特性2.1.3 大顆粒流化床體中的氣體分散2.1.4 液—氣間傳質係數2.2 三相流化床流體力學的總體行為2.2.1 壓力降2.2.2 流型2.2.3 初始流化2.2.4 壓力脈動2.3 三相流化床的相含率2.3.1 總固含率及其經驗關聯2.3.2 總含氣率2.3.3 自由空間區的固含率2.3.4 自由空間區的氣含率2.3.5 顆粒可潤濕性的影響2.4 三相流化床中的混合特性2.4.1 描述反應器液相流態特徵的模型2.4.2 液齡分佈曲線的測定2.5 多尺度的能量最小化方法應用於氣—液—固三相流化床的模型研究2.5.1 引言2.5.2 模型組成2.5.3 模型驗證第3章 內循環三相生物流化床及其特性3.1 內循環三相生物流化床的液相流態特徵3.1.1 ITFB液相流態特徵的研究概況3.1.2 液體循環速度、循環時間和混合時間3.1.3 液體循環速度理論分析3.2 內循環三相生物流化床的氣含率特徵3.2.1 總平均氣含率3.2.2 載體性質對總平均氣含率的影響3.2.3 升降流區面積比對總平均氣含率的影響3.2.4　εgt、εr和εd關係分析3.2.5 依據兩相drift-flux的模型3.2.6 依據流體力學的模型3.2.7 氣相含率εg的測定方法3.2.8 升流區與降流區氣含率關係理論分析3.2.9 氣含率與反應器其他性能參數的關係3.3 內循環三相生物流化床的氧轉移特性3．3．1氧轉移基本規律及特性參數3.3.2 充氧速度的測定方法3.3.3 影響反應器充氧效率的因素3.3.4 反應器充氧特性模型描述3.4 內循環三相生物流化床的改進設計3.4.1 流化床應用中存在的問題3.4.2 反應器結構分析3.4.3 反應器的氣—液—固三相分離3.4.4 好氧HSBCR反應器開發3.4.5 好氧—HSBCR反應器開發3.4.6 迷宮型載體分離器的研究3.4.7 HSBCR反應器氧轉移特性3.5 關於美國環境保護署對流化床生物處理工藝的研究及思考3.5.1 背景……第4章 流化床的生物載體第5章 運用CFD對生物流化反應器的數值模擬研究第6章 高效分離生物流化複合反應器處理生活污水第7章 生物流化反應器處理含氮廢水第8章 生物流化反應器處理工業廢水第9章 內循環三相流化床的設備型式及結構設計第10章 生物流化床處理生活污水的工程應用第11章 生物流化床處理工業廢水的工程應用參考文獻·

第1章 生物流化床的發展與應用
1.1 生物流化床的發展沿革［1］
在污水處理中，生物處理是最常用的處理技術。最初的生物處理技術可以追溯到19世紀末，英國曼徹斯特采用生物濾池處理污水，以滿足人口密集的工業區內公眾的衛生要求。經過100多年的發展，以活性污泥法為代表的生物處理方法已經成為污水處理的主流工藝。隨著污水生物處理技術的發展，對生物反應的過程和機理研究逐步深入，產生了具有各種不同功能和特點的污水處理生物反應器。本書將重點介紹污水生物處理技術之一――流化床生物反應器。從污水處理生物流化反應器的研究和發展可以看到污水處理技術的發展途徑和近年反應器精細化研究技術對新型污水處理生物反應器發展的促進作用。
由于大量的污水需要處理，城市污水處理廠的規模往往遠大于一般的工業設施。污水處理技術的發展與其他大規模工業技術發展一樣，遵循著大規模過程工程發展的規律。在確定了最初的反應系統之后（如污水中的BOD可以通過附著微生物去除），需要按照以下三條規則發展：
（1）發揮規模效益：使用大型的過程單元增加指定工作的生產量；
（2）提高單元效率：在保持性能的同時縮小個體過程單元的尺寸；
（3）反應系統更新：不斷發現可替代的新反應系統。
當人們把提高單元效率看成是在大規模工業過程持續發展中的一種重要因素時，可以設計出多種新的高效工藝過程，但這些新工藝不一定具有良好的經濟性。然而，由于經濟利益與提高過程效率具有不可避免的關聯性，那些經濟效益不佳的工藝就會被淘汰，失去進一步應用的機會。例如，固定生物膜滴濾池在80年的發展歷程中，形成了一種操作簡便、高效的水處理設施。該設施可以適應較大的流量和進水濃度變化，并能保持高效的特點。為了進一步發掘被固定微生物的潛力，人們發明了生物轉盤，但是隨之產生了硬件設施復雜性的顯著增加，抵消了設備小型化帶來的效益。要在不增加硬件設施的條件下提高過程的反應效率，需要運用流體力學和生物反應動力學的理論來解決過程工程問題，此類研究會涉及工藝過程中的各要素，包括污水、供氧、固定的生物膜及其生物量的調控等。流化床生物反應器的發明與發展為這些問題的研究提供了一種可借鑒的案例。
由于過程效率提高對研究、發展的時間和費用支出等有苛刻的要求，因此需要極為謹慎地設計目標，并需要整個研究充滿活力、思路清晰、周密計劃，并投入充足的人力物力。在建立小試和中試的試驗裝置前，作為預測，必須建立工程概念的評估模型進行模擬分析。
1.1.1 流化床的基本條件
人們很早就認識到廢水處理中的混合微生物具有很好的黏附性，能夠在無煙煤、玻璃、塑料、砂礫和石頭等常見的材料上形成連續的固定生物膜層。這與純培養的微生物不具有黏附性，并生成不連續的菌落形成了鮮明的對比。
鑒于以上的認識和經驗，可以在開放式的生物反應器中加入惰性顆粒物以供固定的生物膜生長。圖1.1-1給出了通過添加小玻璃珠使小試混合反應器的處理效果得到改善的效果。反應器在入流速率大于洗出速率的條件下運行，試驗數據表明當外推至沒有表面支持物時轉化率為零。在實際運行時，反應器內缺乏顆粒物，容器壁等固定的表面也能夠固定生物膜，從而促使最終轉化。由于反應器運行時，碳濃度的消耗遵循零級反應動力學，因此添加的固體表面積使得轉化率按比例提高。由于系統的動力學參數可以定量測得，因此固定生物膜的平均厚度可以通過如圖1.1-1所示的轉化率隨表面積變化數據進行估算，對應的膜厚度約為0.25mm。
圖1.1-1 混合反應器中添加支持表面對轉化率的影響
由圖1.1-1的數據得出的重要推論是：①不存在實際的洗出速率；②由于懸浮生物量非常低，轉化主要通過固定生物膜實現；③不需要從沉淀池或其他地方回流濃縮的微生物。
當然，①～③通常適合于滴濾池。當涉及生長緩慢的微生物時，這些條件就會顯得很重要，因為洗出速率與微生物的比增長速率直接相關（無論是否有回流）。當較低的生物量產率系數成為反應特點時，這些條件就有重要的意義，因為與自由懸浮生長微生物的運行相比，固定生物膜的微生物濃度相對較高。
顯然，當固定生物膜作為反應器的一個特點時，會出現生物填料層的阻塞問題和實際應用中的穩定性問題。即使通過基本設計與運行措施避免了阻塞的危險，仍會遇到如何將總生物量及顆粒物“控制”在反應器中等細節問題。滴濾池中的阻塞問題可以通過使用大孔隙的大型生物填料來克服，也可以通過設置防御性運行程序和依據生態學原理強化生物膜脫落來控制生物量的過度累積。然而，這些因素會導致床體和局部生物量的變化，從而不可避免地引起滴濾池運行不穩定。
在含有懸浮顆粒的完全混合反應器中，顆粒上的固定生物膜由于生長而不斷增加，然而這種生長可以借助顆粒與顆粒、顆粒與器壁、顆粒與動力裝置之間的摩擦而得到控制。由于環境均一，可以認為整個反應器中的微生物生長速率是一致的，然而與之相對的是，在反應器的不同位置上，上述摩擦程度卻是不同的。盡管單個顆粒上的生物量存在不同，但反應器中總體生物量可以穩定積累而且有恒定的轉化效率。有趣的是一些研究者考慮是否可以從反應器中轉移附有生物膜的載體顆粒，再將剝離生物膜后的載體顆粒回流至反應器，通過潷水和剪切等方式濃縮載體上剝離下來的生物量，并作為傳統沉淀或澄清方法的一種可替代的生物量恢復方法。
通過向傳統混合反應器中加入懸浮顆粒載體為微生物固定提供支撐表面的例子可以得到以下幾點關于如何發展和選擇恰當的反應器結構以達到既定要求的推論：①反應器內需要保持穩定的生物量以維持穩定的處理效率；②單位反應器體積內期望有較高的載體表面積；③反應器內需要均一的剪切力以達到對單個顆粒載體上生物量的控制；④在顆粒載體上生物量穩定的條件下運行是可行的；⑤在最小的摩擦條件下，具有不穩定生物量的顆粒生物膜的運行也是可行的，在這種方式下顆粒生物膜的生物量將決定顆粒在反應器中的分布狀態；⑥在不影響生物膜生物量的同時，能夠從反應器中連續去除和回流顆粒載體；⑦以上條件可以通過最少的硬件設施和運行措施實現。
在流化床中，載體顆粒由于流動克服重力作用而相互分離并自由懸浮。產生連續的顆粒床，其床層厚度大于相應的固定床，載體顆粒在其中做相對連續運動。對于被單相流體流化的均勻尺寸的顆粒載體，會形成均一床體，即局部均勻的孔隙度和載體顆粒密度。
流化床的孔隙度與固定床類似，而與典型的含有懸浮顆粒物的完全混合式反應器不同，對尺寸、形狀和載體顆粒濃度沒有內在限制。
在含有均勻尺寸載體的生物流化床內，由均勻推動力產生的均勻摩擦力會產生均勻和穩定的載體生物膜生物量，證明摩擦力足以平衡微生物的生長。因此上述第①～④項很容易實現。
流化床還有一個特點：如果床體是由不同尺寸或密度的顆粒所組成，那么這些顆粒會根據其各自的物理性質在不同的位置聚集起來。當摩擦力不足以平衡微生物生長時，會出現附著少量生物膜的顆粒物堆積在入口處，而附著過量微生物的顆粒物堆積在出口處的現象。這是由于從入口到出口處局部流速會逐漸下降，摩擦力也呈相同的變化趨勢。這樣，很容易實現上述第⑤項，而且由于顆粒被不斷地移出并回流，那么第⑥項也能實現。
流化床技術以滿足第⑦項要求的流體力學條件為發展與應用的依據。
綜上所述，為實現過程工程的目的，應該明確什么是“優先”，尤其要確定是否需要穩定的生物量積累，并據此調整流化床的運行狀態。后者取決于選擇合適的載體尺寸、密度及流速。例如，保持顆粒載體生物量恒定的最小摩擦力、小而輕的載體顆粒及能實現流化的流速。如果不用移走顆粒載體的方法來保持穩定的生物量，就會產生預期的微生物積累。在此情況下就必須在流化床頂部設置一個動力裝置以增加摩擦力或將沖出的載體返回至剪切區，也可以通過回流使床體進一步膨脹并增強攪拌。
圖1.1-2所示的是一個完全混合式生物流化床的小試裝置，其流化狀態和床體膨脹率獨立于過程通量，由于可以更換載體的類型和數量，這種反應器概念對附著在載體上生物膜的流化特性研究及對于反應動力學和過程參數的闡述具有重要意義。
圖1.1-2 完全混合式生物流化床
1.1.2 理論與方法
考慮到生物流化床概念的復雜性和目前對生物反應過程的理解水平，我們需要對流化床反應器的預期效果和操作特點有一個切實的評價。對于有恒定顆粒載體生物量的完全混合式生物流化床（圖1.1-2），其對可溶性組分的去除效率可通過“恒化器”的擴展理論來說明固定生物量對反應器運行效果的貢獻。
根據“恒化器”的擴展理論，轉化效率（CO/CI）與以下參數有關：
①無量綱的停留時間參數，VGF max ；
②無量綱的床體生物量存留參數，Y ρbO LA KmS ；
③無量綱的進水濃度，KCmI ； 1 2
④ 描述固定生物量擴散極限的無量綱參數， Y ρOb KGmmax De L 。
上述符號可分為以下兩類：①體積流量（F）、反應器體積（V）、固定生物層的厚度（L）、單位反應器體積內的載體表面積（AS）及進水濃度（CI）是物理變量；最大比生長速率（Gmax）、生物密度（ρb）、生物量產率系數（YO）、莫諾德系數（Km）及生物量的有效擴散系數（De）是描述生物反應的參數。
因此對于給定的反應，已知Gmax、Km、YO、De，可得
CCOI ＝ g1 VF ，ρbLAS，CI，L（1.1-1）
式中，F/V為停留時間；ρbLAs為床體生物量。相應的反應（RV）體積速率由下式給出：
Gmax RVKm ＝ VGF max KCmI 1-CCOI （1.1-2）
式中，RV/（GmaxKm）為無量綱的反應體積速率。因此對于給定的反應，已知Gmax、Km、YO、De，可得
RV ＝ g2 VF ，ρbLAS，CI，L（1.1-3）
Atkinson和Davies使用式（1.1-1）和式（1.1-2）給出的代數關系繪制了圖1.1-3、圖1.1-4和圖1.1-5，用以描述完全混合式生物流化床的運行特征。為方便計算，忽略了固體擴散極限，盡管這種假設在實際應用時是不可行的。因此圖1.1-3、圖1.1-4和圖1.1-5高估了實際轉化效率和反應體積速率。然而這種假設簡化了計算，代表了一種漸進的條件，為討論提供了基礎。
因此，式（1.1-1）和式（1.1-2）轉變為
對圖1.1-3，
CO ＝ g1 F ；ρb LA S ；CI ＝100（1.1-4）
CIVGmaxYOKmKm
對圖1.1-4，
CCOI ＝ g1 VGF max ；Y ρbO LA KmS ＝ 100 ；KCmI （1.1-5）
對圖1.1-5，
圖1.1-3 生物活性表面對完全混合式生物流化床轉化效率的影響
（CI/Km＝100；β＝ρbLAS/（YOKm））
圖1.1-4 進水濃度對完全混合式生物流化床轉化效率的影響（ρbLAS/（YOKm）＝100，α＝CI/Km）
GmaxRVKm ＝ g2 VGF max ；YρbO LA KmS ；KCmI ＝100（1.1-6）從上述各圖可以推出：
① 如YρbO LA KmS ＞ 0， 載體不會被洗出；
② 通過提高床體生物量濃度可提高反應的轉化效率和體積速率；
③ 轉化效率隨進水濃度增加而降低。