邢保山,金仁村,馬 春
(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院,浙江杭州310036)
厭氧流化床反應器模型的研究進展
邢保山,金仁村,馬 春
(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院,浙江杭州310036)
厭氧流化床反應器(AFBR)屬于生物膜法的一種,它以惰性顆粒為載體充填在床內(nèi),使之表面覆蓋生物膜,以比表面積大、傳質(zhì)速率大和懸浮固體濃度高為主要優(yōu)勢.迄今已有大量的研究旨在建立AFBR的數(shù)學模型,以優(yōu)化反應器和工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計,提高運行效率.文章綜述了AFBR的各種數(shù)學模型,為優(yōu)化AFBR的設(shè)計提供了依據(jù).
數(shù)學模型;厭氧流化床反應器;生物膜;厭氧反應器
生物處理技術(shù)是廢水處理領(lǐng)域的主流技術(shù).其中,厭氧生物處理技術(shù)因運行費用低、能源(甲烷)可回收、剩余污泥量少、處理能力高效等優(yōu)點,近20年來引起了國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注,成為未來廢水處理技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢[1-2].厭氧流化床反應器(Anaerobic Fluidized-Bed Reactor,AFBR)是一類利用惰性載體為生物膜生長提供機械支撐的反應器.這些生物顆粒能利用進水的流速維持流態(tài)化,因此,流化床系統(tǒng)可以避免其它生物膜反應器中常見的堵塞問題,具有效率高、能耗低、占地少、運行穩(wěn)定等優(yōu)點[1].但AFBR會遇到另一個嚴重的運行問題:當生物膜在載體表面不斷生長時,生物載體的密度將會減小,這會導致生物膜載體被出水帶出反應器.由于缺乏合理的設(shè)計原則,現(xiàn)在AFBR并未普遍應用.為了優(yōu)化AFBR的操作和設(shè)計,有必要建立簡單而符合實際的數(shù)學模型.本文主要探討AFBR模型的構(gòu)建方法,并展望了未來的發(fā)展方向.
載體所支撐的生物顆粒的流體力學行為對于AFBR的設(shè)計極為關(guān)鍵:顆粒在長大過程中,它們的大小、形狀和密度會隨之變化,這會對顆粒的水力學行為產(chǎn)生影響.顆粒沉降和流化特征(如流化床層高度)與液速的關(guān)系,對于AFBR的設(shè)計也非常關(guān)鍵,尤其是流化床層高度,因為它決定了固體停留時間和生物活性區(qū)域內(nèi)生物膜的比表面積.對于剛性顆粒的流態(tài)化模型,很容易在化工文獻中找到,而在厭氧流化床中,還需考慮生物膜對顆粒的影響[3-4].
1.1 終端沉降速度
在一個無限的液相范圍內(nèi),單球體顆粒的沉降速度可表示為
其中:g——重力加速度;dp——顆粒直徑;ρp——生物膜顆粒密度;ρL——液體密度;CD——曳力系數(shù).根據(jù)生物膜厚度和載體類型,ρp通常為1 100~1 500 kg/m3,CD是顆粒雷諾數(shù)Ret的函數(shù).
當粒徑范圍為0.5~1 mm的沙子或密度類似的其他載體作為惰性支撐物時,生物膜顆粒常處于過渡流范圍(1<Ret<100).此時,光滑、剛性球體的曳力系數(shù)可表示為
CD=18.5Ret-0.6.
該式不能直接應用于載體所支撐的顆粒,因為實際的顆粒既不光滑也不剛硬,因此需要一些經(jīng)驗公式來計算生物膜顆粒的CD值[5-6].生物膜載體顆粒的曳力系數(shù)通常要比光滑的、剛硬的顆粒大,而生物膜載體顆粒表面的粗糙性則被認為是其主要原因[5].
計算CD值的經(jīng)驗公式是不同的研究人員根據(jù)各自的試驗數(shù)據(jù)擬合而得,他們所設(shè)計的生物流化床通常在某個或多個方面異于他人.同時,生物膜的可變性和表面的粗糙性以及載體顆粒的類型對生物膜顆粒的水力特性有較大影響.因此,床層流化模型應該將這些參數(shù)一并考慮.但鑒于系統(tǒng)本身的復雜性,可能無法求得相關(guān)方程的解析解,所以當經(jīng)驗公式適用于常見的運行條件時,即可認可此公式.
1.2 流態(tài)化機制
在一個厭氧生物流化床反應器中,生物載體通過不斷流入的液體保持其流態(tài)化,而流化床的孔隙率和生物量由流態(tài)化機制所決定.因此,必須獲得真實情況下床層流化的表達式.
對于由均勻球體顆粒所組成的流化床,有以下關(guān)系式[7]:
其中:up——空床液體流速;ε——孔隙度;ut——無壁效應的終端沉降速度;ui——有壁效應的終端沉降速度;D——床體直徑;n——常數(shù).
Andrews等[8]探討了流化床中生物量與床層高度之間的關(guān)系.由于生物顆粒具有一定的沉降速度,流化床會趨于垂直分層.對于床層不分層和完全分層,均可以給出床層高度與生物膜平均厚度之間的關(guān)系,其精確性已得到試驗結(jié)果的驗證.
Mulcahy等[5]建立了一個模型,確定了適用于流化床中生物顆粒的ut和n值,其表達式如下:
式中μ為液體粘度.
Ngian等[9]發(fā)現(xiàn)Richardson-Zaki公式對于小載體顆粒的ui值可以做出很好的估計,但對于大載體顆粒的ui估計值要比試驗所測值低30%~70%.Nicolella等[6]發(fā)現(xiàn)ui只有自由沉淀速度的80%.他們指出在確定常數(shù)ui值時必須謹慎使用該公式.
總之,R-Z公式可以用來描述流化床的膨脹特性.但是常數(shù)n和ui似乎又是關(guān)于生物膜顆粒性質(zhì)的一個函數(shù).對于這些公式在生產(chǎn)規(guī)模反應器中的應用還需由實踐證實.
1.3 產(chǎn)氣對流體力學特性的影響
產(chǎn)氣對流體力學特性的影響,對于AFBR的設(shè)計和放大是一個非常重要的內(nèi)容.許多關(guān)于AFBR流動模式的研究表明,AFBR的水力學特性可由軸向擴散的推流模型[10-11]模擬.但這些研究并沒有考慮產(chǎn)氣對流動模式的影響.Diez-Blanco等[12-15]研究了在AFBR中產(chǎn)氣對流體力學特性的影響.結(jié)果表明,一個6 m高的流化床中產(chǎn)生的沼氣會導致床層體積縮減6%.鑒于此,研究者認為沼氣對流體力學特性的影響可以忽略.然而,Buffière等[16]的研究結(jié)果表明:盡管沼氣對床層高度的影響可以忽略,但沼氣產(chǎn)生的氣泡會影響相含率(影響液固的接觸時間)和液相混合;此外,與典型的具有氣體注入的三相流化床反應器中流體力學特性相比,沼氣在流化床中產(chǎn)生的總氣含率要比氣體直接注入流化床所產(chǎn)生的多.
1.4 床層分化
Schreyer等[17]發(fā)現(xiàn)在一個流化床反應器中生物膜覆蓋的沙子顆粒具有分層現(xiàn)象.床層分化可歸因于生物膜對顆粒沉降速度的影響.生物膜的覆蓋會降低顆粒的整體密度,增大其浮力;生物膜還能增加顆粒的體積,進而增大上升液體的曳力.流化床中的顆粒可能會根據(jù)其大小和平均密度相互分離[18].
床層分化對于反應器的性能有許多負面影響,較厚的生物膜會引起傳質(zhì)阻力增大和流失問題.為了防止分化并保持顆粒大小均勻,已有大量的嘗試以去除大顆粒表面過多的生物膜[18-19],如外設(shè)生物膜顆粒分離器(篩子)、床頂部設(shè)置葉輪和運用內(nèi)部過濾設(shè)備等.許多研究者考察了水力剪切對生物膜和生物膜分離速率的影響,并以此作為控制生物膜厚度的手段[19-20].生物膜分離速率似乎取決于紊流程度和顆粒濃度,并且隨著紊流和顆粒濃度的增大而增大.在較高的水力剪切(即高水流速度)條件下,觀察到的生物膜要比在低速水流條件下的更為光滑和均勻[21].另外,Schreyer等[17]的研究表明,引進能增加水力剪切的稀釋劑可促使床不分層.
由于生物膜厚度或載體顆粒大小的差異會引起床層分化.因而,對于非均勻的載體顆粒,床層分化現(xiàn)象非常普遍.當載體顆粒都均勻時,Andrews等[8]觀察到了一個完全的混合床(沒有分層現(xiàn)象).
2.1 生物膜模型
具有均勻厚度的生物膜球體顆粒,其基質(zhì)的去除表達式如下:
其中:D——生物膜內(nèi)基質(zhì)的有效擴散系數(shù);r——從載體中心測得的半徑值;s——生物膜內(nèi)基質(zhì)濃度;Rt——單位體積生物膜的基質(zhì)消耗本征速率.
許多研究者認為基質(zhì)的去除動力學可以利用Monod模型來描述,鑒于模型中的常數(shù)值,反應速率能夠呈現(xiàn)一級或者零級動力學特性[22].對于AFBR,零級反應動力學可以描述基質(zhì)的消耗過程(同時考慮酸化和產(chǎn)甲烷兩階段)[21-24],其反應速率Rt=ρk0,其中ρ為密度,k0為表觀反應速率常數(shù).
對于基質(zhì)可以完全滲透和部分滲透到生物膜內(nèi)部這兩種情況,Mulcahy等[23]提出了式(2)的解.若基質(zhì)能完全滲透到生物膜內(nèi),則
若基質(zhì)只能部分滲透到生物膜內(nèi),則
其中:rm——載體顆粒半徑,rp——生物顆粒半徑,sb——流化床內(nèi)液相主體基質(zhì)濃度.
在流化床反應器中,可用簡單的推流模型描述溶解性基質(zhì)的軸向傳遞過程.對于基質(zhì)可完全滲入到生物膜內(nèi)部的情況,反應器內(nèi)基質(zhì)的濃度可通過Mulcahy等[23]的公式得到:
其中:s0——進水基質(zhì)濃度;se——出水基質(zhì)濃度;Q——進水流量;Vm——生物膜體積.
La Motta等[24]通過試驗驗證了該模型,結(jié)果表明基質(zhì)可完全滲入的零級動力學模型較精確.Hirata等[10]估計了在三相流化床反應器中生化反應的動力學參數(shù),利用在穩(wěn)態(tài)下基質(zhì)平衡關(guān)系和Monod動力學方程,在基質(zhì)的消耗速率和基質(zhì)濃度(用生化需氧量BOD5表示)與生物膜的總面積之間建立了一個關(guān)系式.以下的假設(shè)用于構(gòu)模:1)反應器系統(tǒng)完全混合;2)用BOD5表示的總有機碳(TOC)是唯一的限制性基質(zhì),其它基質(zhì)均過量;3)該反應遵循Monod動力學方程,基質(zhì)抑制可忽略;4)反應發(fā)生在固定的區(qū)域.
在穩(wěn)態(tài)下,基質(zhì)的平衡方程如下:
其中:F——進水流量;V——反應器容積;rx——生物膜生長速率;YX/S——產(chǎn)率系數(shù),為形成的生物量與消耗的基質(zhì)質(zhì)量之比;sss——反應器內(nèi)穩(wěn)態(tài)下限制性基質(zhì)濃度;sin——進水基質(zhì)濃度.
如果反應遵循Monod的動力學方程,那么其速率方程為:
其中:ρb——生物膜的干密度;δ——生物膜的有效厚度;Sb——生物膜的總表面積,可通過下式得到:Sb=π(Dave)2N,式中N為反應器內(nèi)總的顆粒數(shù)量,Dave為顆粒的平均直徑.
修改式(6)可得:
其中:μ——比增長速率;μmax——最大比增長速率;km——Monod常數(shù).
把上式中的rx代入式(4),可得
其中
Buffière等[25]研究了生物膜活性沿著反應器高度的變化,也提出了一種生物膜模型,并假設(shè):1)均質(zhì)的生物膜具有均勻的厚度;2)球形載體大小一致;3)內(nèi)部傳質(zhì)可用費克定律描述;4)液相完全混合,濃度均一;5)無外部傳質(zhì)限制.他們以蛋白質(zhì)、乙酸和丙酸作為基質(zhì),對取自反應器不同高度的生物顆粒進行了一系列試驗,同時檢測了基質(zhì)消耗量隨時間的變化.模擬的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)非常吻合.為了與試驗結(jié)果相符,研究還對生物膜內(nèi)的菌群分布(即產(chǎn)酸細菌和產(chǎn)甲烷細菌的相對豐度)進行了控制,這表明在基質(zhì)動力學中菌群組成非常重要.同時試驗中也檢測了生物膜的比活性.以下是試驗所得的一些結(jié)論:1)生物膜較厚的顆粒分布于反應器的頂部,而生物膜較薄的顆粒分布于反應器的底部;2)產(chǎn)酸細菌的活性從反應器底部到頂部逐漸減弱,而產(chǎn)甲烷細菌的活性恰好相反;3)生物膜厚度的變化會引起菌群結(jié)構(gòu)的改變.
Buffière等[16]在總碳去除動力學的基礎(chǔ)上,為AFBR構(gòu)建了一種模型.他們考慮了模型中產(chǎn)氣的兩種影響:產(chǎn)氣改變了軸向的混合程度,這對反應器內(nèi)形成濃度梯度有重要的影響;產(chǎn)氣會導致床的收縮,這將減少液體和生物顆粒之間的接觸.此外,他們還發(fā)現(xiàn)TOC的去除動力學與Monod模型非常吻合.
床的收縮使液固接觸減少10%~25%.
式中:εs——固含率;εs0——液固流化床中固含率;Ug——表觀氣速.
反應器內(nèi)氣含率εg可以通過以下關(guān)系式得到:
一個沿軸向擴散的推流式模型可用來描述反應器中液相的混合程度.反應器中物料平衡關(guān)系為:
其中上述各式中,s——基質(zhì)濃度;x——床高減少量;H——床層高度;ks——Monod方程中的半飽和濃度;Ezl——軸向擴散系數(shù);U1——表觀液速;rmax——Monod方程中的最大反應速率;z——軸向距離.
利用示蹤試驗可以得到軸向擴散系數(shù),所得試驗結(jié)果符合以下方程:
其中:Dc——反應器直徑;εl——液含率.
因此,通過式(10)的相含率,以及式(11),(12)的解可知該模型的結(jié)果與實際更為吻合.此外,Kim等[26]給出了液相中軸向分離系數(shù)DzL的方程式.
2.2 分層生物膜模型
分層的生物膜模型早在1988年就由Canovas-Diaz等[27]提出.厭氧的生物膜被分割成截然不同的內(nèi)層和外層,內(nèi)層由產(chǎn)甲烷細菌組成,而外層則由產(chǎn)酸細菌組成.基質(zhì)在外層轉(zhuǎn)化為酸,然后在內(nèi)層轉(zhuǎn)化為甲烷.在這兩層中基質(zhì)利用的偏微分方程分別為
式中D1,D2分別指基質(zhì)通過產(chǎn)酸細菌和產(chǎn)甲烷細菌層時的擴散系數(shù);G,F(xiàn)分別指葡萄糖和脂肪酸的濃度;k1為零級速率常數(shù)(糖轉(zhuǎn)化的零級動力學常數(shù));k2為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)轉(zhuǎn)化動力學常數(shù);ki為抑制常數(shù);z為穿透生物膜的距離;x1,x2分別為產(chǎn)酸細菌和產(chǎn)甲烷細菌的生物量.
作者同樣解釋了分層的生物膜較不分層的生物膜更具優(yōu)勢的原因.當VFA的濃度很高時,在不分層的生物膜中,產(chǎn)甲烷細菌將會受到VFA的抑制,而對于分層的生物膜,膜外層的存在可以將抑制程度降低.
Droste等[28]給出了一個在生物膜內(nèi)基質(zhì)序列利用的模型.該模型假設(shè)兩種微生物之間不會發(fā)生引起動力學和擴散系數(shù)改變的相互作用,并且還假設(shè)了不分層的生物膜和Monod類型的動力學特性.通過對模型的數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)生物膜內(nèi)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物會加速基質(zhì)向終產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化,但其增加并不明顯.
總之,上文探討了建立基質(zhì)利用動力學模型的兩種方法.在第一種方法中,TOC被認為是限制性基質(zhì),并沒有考慮各反應步驟的基質(zhì)轉(zhuǎn)化動力學、生物膜菌群組成和擴散限制.利用試驗結(jié)果,可以估計模型所涉及的參數(shù).雖然這種方法很簡單,但缺乏令人信服的理論解釋,依然是經(jīng)驗性的.在第二種方法中,動力學模型考慮了各反應步驟的基質(zhì)轉(zhuǎn)化動力學、生物膜菌群組成和擴散限制,這似乎更切合實際.但是,這些模型的有效性最終都需要在大尺度反應器中進行驗證.
已有一些文獻報道了AFBR的流體力學和床層膨脹特性.生物膜載體的曳力系數(shù)通常要比相同大小的剛性顆粒大.到目前為止,已有試驗證據(jù)表明,流化床的膨脹方式符合R-Z公式.研究表明,膨脹指數(shù)能通過R-Z公式計算獲得,參數(shù)ui理論計算值是試驗值的30%~80%.但所有的這些研究都假設(shè)生物顆粒尺寸均勻.
許多研究者認為床的分層是由于存在不同厚度的生物膜導致的.在這樣的情況下,R-Z公式應用是不可靠的.因此,合理的建模需要考慮床層分化的膨脹特性.
理想的推流和CSTR模型被用來描述小型AFBR中的流體流動模式,這種假設(shè)對于大型反應器的應用需要進一步的研究.在建立AFBR的動力學模型時,包括p H、基質(zhì)和產(chǎn)物的抑制作用,Monod方程的有效性,微生物菌群的結(jié)構(gòu)、位置以及顆粒形狀等因素的影響也都需要研究.
參考文獻:
[1]鄭平,馮孝善.廢物生物處理[M].北京:高等教育出版社,2006:285-345.
[2]金仁村,鄭平,蔡靖,等.負荷沖擊下厭氧生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[J].化工進展,2006,25(7):770-779.
[3]Nicolella C,Loosdrecht M M C,Heijnen J J.Wastewater treatment with particulate biofilm reactors[J].Journal of Biotechnology,2000,80(1):1-33.
[4]Felice R D.Hydrodynamics of liquid fluidisation[J].Chemical Engineering Science,1995,50(8):1213-1245.
[5]Mulcahy L T,Shieh W K.Fluidization and reactor biomass characteristics of the denitrification fluidized bed biofilm reactor[J].Water Research,1987,21(4):451-458.
[6]Nicolella C,Loosdrecht M M C,F(xiàn)elice R D,et al.Terminal settling velocity and bed-expansion characteristics of biofilm-coated particles[J].Biotechnology and Bioengineering,1999,62(1):63-70.
[7]Fuentes M,Scenna N J,Aguirre P A,et al.Hydrodynamic aspects in anaerobic fluidized bed reactor modeling[J].Chemical Engineering and Processing,2008,47(9/10):1530-1540.
[8]Andrews G F,Tien C.The expansion of a fluidized bed containing biomass[J].American Institute of Chemical Engineers Journal,1979,25(4):720-723.
[9]Ngian K F,Martin W R B.Bed expansion characteristics of liquid fluidized particles with attached microbial growth[J].Biotechnology and Bioengineering,1980,22(9):1843-1856.
[10]Hirata A,Takemoto T,Ogawa K,et al.Evaluation of kinetic parameters of biochemical reaction in three phase fluidized bed biofilm reactor for wastewater treatment[J].Biochemical Engineering Journal,2000,5(2):165-171.
[11]Seok J,Komisar S J.Integrated modeling of anaerobic fluidized bed bioreactor for deicing waste treatment I:model derivation[J].Journal of Environmental Engineering,2003,129(2):100-109.
[12]Diez-Blanco V,Garcia-Encina P A,F(xiàn)ernandez-Polnco F.Effect of biofilm growth,gas and liquid velocities on the expansion of an anaerobic fluidized bed reactor(AFBR)[J].Water Research,1995,29(7):1649-1654.
[13]Wu Chunsheng,Hang Jusheng,Gou Hongyou.Expansion characteristics of an anaerobic fluidized bed reactor with internal biogas production[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2005,80(11):1273-1281.
[14]Mussati M,Thompson C,F(xiàn)uentes M,et al.Characteristics of a methanogenic biofilm on sand particles in a fluidized bed reactor[J].Latin American Applied Research,2005,35:265-272.
[15]Mussati M C,Aguirre P,F(xiàn)uentes M,et al.Aspects on methanogenic biofilm reactor modeling[J].Latin American Applied Research,2006,36(3):173-180.
[16]Buffière P,F(xiàn)onade C,Moletta R.Mixing and phase hold-ups variations due to gas production in anaerobic fluidized-bed digesters:influence on reactor performance[J].Biotechnology and Bioengineering,1998,60(1):36-43.
[17]Schreyer H B,Coughlin R W.Effects of stratification in a fluidized bed bioreactor during treatment of metalworking wastewater[J].Biotechnology and Bioengineering,1999,63(2):129-140.
[18]Safferman S I,Bishop P L.Aerobic fluidized bed reactor with internal media cleaning[J].Journal of Environmental Engineering,1996,122(4):284-291.
[19]Ruggeri B,Caire G,Specchia V,et al.Determination of optimal biofilm activity in a biological fluidized bed(BFB)reactor[J].Water Science and Technology,1994,29(10/11):347-351.
[20]Gjaltema A,Vinke J L,Loosdrecht M M C,et al.Abrasion of suspended biofilm pellets in airlift reactors:importance of shape,structure and particle concentrations[J].Biotechnology and Bioengineering,1997,53(1):88-99.
[21]Lau Y L.Relative importance of mean velocity and bed shear on biofilm accumulation in open-channel flows[J].Water Science and Technology,1995,32(8):193-198.
[22]Henze M,Harremoes P.Anaerobic treatment of wastewater in fixed film reactors:a literature review[J].Water Science and Technology,1983,15(8/9):1-101.
[23]Mulcahy L T,Shieh W K,La Motta E J.Kinetics model of biological denitrification in a fluidized biofilm reactor(FBBR)[J].Progress in Water Technology,1980,12:143-157.
[24]La Motta E J,Cascante P.Substrate consumption kinetics in anaerobic biofilm fluidized bed reactor[J].Journal of Environmental Engineering,1996,122(3):198-204.
[25]Buffière P,Steyer J P,F(xiàn)onade C,et al.Modeling and experiments on the influence of biofilm size and mass transfer in a fluidized bed reactor for anaerobic digestion[J].Water Research,1998,32(3):657-668.
[26]Kim S D,Kim C H.Axial dispersion characteristics of three phase fluidized beds[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,1983,16:172-178.
[27]Canovas-Diaz M,Howell J A.Stratified mixed-culture biofilm model for anaerobic digestion[J].Biotechnology and Bioengineering,1988,32(3):348-355.
[28]Droste R L,Kennedy K J.Sequential substrate utilization and effectiveness factor in fixed biofilms[J].Biotechnology and Bioengineering,1986,28(11):1713-1720.
Research Advances of AFBR Model
XING Bao-shan,JIN Ren-cun,MA Chun
(College of Life and Environmental Sciences,Hangzhou Normal University,Hangzhou 310036,China)
The anaerobic fluidized bed reactor(AFBR)is one of biofilm processes.It is filled with inertial granule as carrier,so that the surface is covered with biofilm.It has the advantages of larger specific surface,high mass transfer rate and high concentration of suspended solids.Substantial existing researches are aimed at establishing mathematical models,optimizing the design of reactor and process control system to enhance the operational efficiency.This article summarized every mathematical models,and provided evidences for the optimization of AFBR design.
mathematical model;AFBR;biofilm;anaerobic reactor
X703.1
A
1674-232X(2012)03-0205-06
10.3969/j.issn.1674-232X.2012.03.003
2011-10-30
國家自然科學基金項目(50808060;51078121).
金仁村(1979—),男,副教授,博士,主要從事環(huán)境生物技術(shù)和水污染控制工程研究.E-mail:jrczju@yahoo.com.cn