生物流化床應(yīng)用于廢水處理已有近30年的歷史, 在多種處理場合已得到了廣泛應(yīng)用.由于生物流化床在水處理應(yīng)用方面具有微生物相多樣化、微生物濃度高、耐沖擊負荷能力強、比表面積大、氧傳質(zhì)效率高等優(yōu)點, 國內(nèi)外研究者一直對生物流化床的填料設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其新型流化床的開發(fā)有著濃厚的興趣, 但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生物流化床在應(yīng)用中仍存在如下問題

固液分離時間大于反應(yīng)時間的結(jié)構(gòu)不合理現(xiàn)象;大型化的瓶頸問題;設(shè)計出一種新型生物流化床—四邊形折流式膜生物流化床.反應(yīng)器整體為長方體結(jié)構(gòu)且保留了傳統(tǒng)生物流化床塔式結(jié)構(gòu);下部采用定在膜組件正下方的流化床底部, 膜組件通過自制T型支架固定, 且進水管、曝氣頭和膜組件布置在同一軸線上.了折流板與導(dǎo)流錐設(shè)計出一個進水角度, 利用該

角度來沖擊反應(yīng)器底部填料, 提高了填料的利用率, 實現(xiàn)了再啟動流化容易;上部采用了浸沒式膜組件, 利用氣、固、液三相沖刷膜組件, 降低了膜污染, 解決了載體流失等問題.

　　目前, 關(guān)于生物流化床的動力學(xué)研究大多是運用脈沖響應(yīng)法、數(shù)值模擬、壓差法和光纖探頭測速法等, 這些研究成果較好地揭示了三相生得流場的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像.PIV的基本原理是在流場中布撒一些與流體跟隨性良好且具有良好的示蹤

性和反光性的示蹤粒子, 用激光照射所測區(qū)域, 使用CCD相機獲取示蹤粒子的瞬時運動圖像, 設(shè)置適當?shù)目鐜瑫r間, 對拍攝的兩幅連續(xù)的圖像進行互相關(guān)計算, 根據(jù)兩幀圖像的位移和時間間隔, 從而得到流場的速度場.近十幾年來, PIV被廣泛應(yīng)用在氣液兩相流流場測量中, 例如, 將PIV技術(shù)與激光誘導(dǎo)熒光法結(jié)合后測定了氣液兩相流的速度場,

并獲得了氣泡流態(tài)特性;應(yīng)用PIV技術(shù)測試了多孔同時曝氣對近膜面液相速度場的影響.通過這些研究證明了PIV的準確性和可靠性, 為利用PIV分析四邊形折流式膜生物流化床內(nèi)液相流場特性, 特別是在有少量填料時液相流場可視化研究指明了前景.

　　本文基于取樣法和PIV技術(shù), 對四邊形折流式膜生物流化床在不同進水流量和曝氣強度組合的工況下的填料濃度和液相流場特性進行測量, 同時對填料濃度、流場特性和膜污染三者之間的關(guān)系進行剖析, 尋求流化床運行過程中節(jié)能的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化的操作條件.

　　2 實驗裝置和方法(Experiments) 2.1 實驗系統(tǒng)

　　四邊形折流式膜生物流化床實驗測試系統(tǒng)的流程如圖 1a所示, 主要由四邊形折流式膜生物流化床、進出水系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)、膜組件、曝氣系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)等部分組成.流化床為長方體的透明玻璃體, 結(jié)構(gòu)尺寸為300 mm×150 mm×950 mm(長×寬×高), 總?cè)莘e為42.75 L, 折流板底部縫隙高度為72 mm, 傾斜角度為35°,

導(dǎo)流錐傾斜角反應(yīng)器停止后再啟動流化困難;固液接觸面摩擦較弱易造成載體生物膜細胞傳質(zhì)濃度邊界層趨向穩(wěn)定而制約傳質(zhì)效率;相間相對流動速度差小, 作用于生物膜的水力剪切力較弱, 載體生物膜新舊菌體更新速率慢, 影響了生化代謝效率等.針對傳統(tǒng)生物流化床的特點, 本課題組將四邊形生物流化床、物流化床的動力學(xué)特性, 但浸入式測試技術(shù)具有時空分辨率低、標定曲線具有不確定性等局限性, 對流場干擾是zui大局限;數(shù)值模擬大多認為固相為液體的一部分,

把氣液雙流體模型應(yīng)用于氣、固、液三相流, 模擬和模型準確度不高, 均不能較真實地反應(yīng)液相流態(tài).粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry, 簡稱PIV)作為一種對流場無干擾的瞬態(tài)全流場測試手段, 既具備單點測量技術(shù)的分辨率和精度, 又能獲膜生物反應(yīng)器、折流式厭氧反應(yīng)器與生物流化床相結(jié)合, 度為30°.膜組件為中空纖維膜超濾膜組件, 采用聚偏氟乙烯材質(zhì)制成, 膜壁厚40~50 μm, 微孔平均孔徑為0.1~0.2 μm, 膜尺寸為40 mm×300 mm, 標準膜通量為200 L·h-1.曝氣系統(tǒng)中曝氣管管徑為5.8 mm, 曝氣頭尺寸為34 mm×43 mm, 曝氣孔孔徑為0.1~0.3 mm.實驗中為防止膜組件和曝氣頭的擺動, 將曝氣頭固

　　圖 1 四邊形折流式膜生物流化床實驗測試系統(tǒng)流程圖(a)、拍攝分區(qū)(b)和激光斷面分布圖(c) (1.出水箱, 2.蠕動泵, 3.激光電源, 4.激光器, 5.同步器, 6.氣體流量計, 7.空氣壓縮機, 8.膜組件, 9.氣泡, 10.椰殼活性炭, 11.進氣管, 12.進水管, 13.導(dǎo)流錐, 14.液體流量計, 15.潛水泵, 16.計算機, 17.相機, 18.四邊形流折流式膜生物流化床, 19.曝氣頭, 20.激光斷面)