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(chǎng)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(fù)荷能力強(qiáng)、比表面積大、氧傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外研究者一直對(duì)生物流化床的填料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其新型流化床的開(kāi)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(wèn)題

固液分離時(shí)間大于反應(yīng)時(shí)間的結(jié)構(gòu)不合理現(xiàn)象;大型化的瓶頸問(wèn)題;設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(guò)自制T型支架固定, 且進(jìn)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(jì)出一個(gè)進(jìn)水角度, 利用該

角度來(lái)沖擊反應(yīng)器底部填料, 提高了填料的利用率, 實(shí)現(xiàn)了再啟動(dòng)流化容易;上部采用了浸沒(méi)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(wèn)題.

　　目前, 關(guān)于生物流化床的動(dòng)力學(xué)研究大多是運(yùn)用脈沖響應(yīng)法、數(shù)值模擬、壓差法和光纖探頭測(cè)速法等, 這些研究成果較好地揭示了三相生得流場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像.PIV的基本原理是在流場(chǎng)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(cè)區(qū)域, 使用CCD相機(jī)獲取示蹤粒子的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)圖像, 設(shè)置適當(dāng)?shù)目鐜瑫r(shí)間, 對(duì)拍攝的兩幅連續(xù)的圖像進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算, 根據(jù)兩幀圖像的位移和時(shí)間間隔, 從而得到流場(chǎng)的速度場(chǎng).近十幾年來(lái), PIV被廣泛應(yīng)用在氣液兩相流流場(chǎng)測(cè)量中, 例如, 將PIV技術(shù)與激光誘導(dǎo)熒光法結(jié)合后測(cè)定了氣液兩相流的速度場(chǎng),

并獲得了氣泡流態(tài)特性;應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)試了多孔同時(shí)曝氣對(duì)近膜面液相速度場(chǎng)的影響.通過(guò)這些研究證明了PIV的準(zhǔn)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(chǎng)特性, 特別是在有少量填料時(shí)液相流場(chǎng)可視化研究指明了前景.

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

　　2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法(Experiments) 2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　四邊形折流式膜生物流化床實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)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(zhǎng)方體的透明玻璃體, 結(jié)構(gòu)尺寸為300 mm×150 mm×950 mm(長(zhǎng)×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(dòng)流化困難;固液接觸面摩擦較弱易造成載體生物膜細(xì)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(duì)流動(dòng)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(duì)傳統(tǒng)生物流化床的特點(diǎn), 本課題組將四邊形生物流化床、物流化床的動(dòng)力學(xué)特性, 但浸入式測(cè)試技術(shù)具有時(shí)空分辨率低、標(biāo)定曲線具有不確定性等局限性, 對(duì)流場(chǎng)干擾是zui大局限;數(shù)值模擬大多認(rèn)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(zhǔn)確度不高, 均不能較真實(shí)地反應(yīng)液相流態(tài).粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry, 簡(jiǎn)稱PIV)作為一種對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾的瞬態(tài)全流場(chǎng)測(cè)試手段, 既具備單點(diǎn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中為防止膜組件和曝氣頭的擺動(dòng), 將曝氣頭固

　　圖 1 四邊形折流式膜生物流化床實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)泵, 3.激光電源, 4.激光器, 5.同步器, 6.氣體流量計(jì), 7.空氣壓縮機(jī), 8.膜組件, 9.氣泡, 10.椰殼活性炭, 11.進(jìn)氣管, 12.進(jìn)水管, 13.導(dǎo)流錐, 14.液體流量計(jì), 15.潛水泵, 16.計(jì)算機(jī), 17.相機(jī), 18.四邊形流折流式膜生物流化床, 19.曝氣頭, 20.激光斷面)