張趙劍，趙永祿，周俊波，張 洋，劉偉海

(1.高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京化工大學，北京 100029;2.新疆中泰化學股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

多功能懸浮式生物膜反應器設計及參數(shù)計算

張趙劍1，趙永祿2，周俊波1，張 洋1，劉偉海2

(1.高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京化工大學，北京 100029;2.新疆中泰化學股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

介紹一種改進的生物膜反應器。該設備以氯堿工業(yè)廢水為設計處理對象，集生化處理功能和預過濾功能于一身，在繼承傳統(tǒng)生物膜反應器諸多優(yōu)點的前提下，創(chuàng)新地采用懸浮填料模塊化結構，方便現(xiàn)場組裝和后期調(diào)整需要。同時，論述反應器設計運行中主要參數(shù)的確定。

生物膜反應器;懸浮填料;模塊化結構

0 引言

廢水處理，尤其是成分更加復雜的工業(yè)廢水處理是環(huán)保界的長期課題。廢水處理、回用的難點在于如何去除其中懸浮或溶解的雜質(zhì)。單純的物理方法如吸附、過濾對懸浮雜質(zhì)直接有效，但是對可溶物質(zhì)的去除有局限性。深度過濾如超濾、反滲透通過孔徑控制出水水質(zhì)，對于冷卻水、外排水深度處理回用效果顯著［1］，但其前提是通過合理的設備和生化處理工藝降解大分子有機物等以減緩膜表面的污堵［2］。

目前，生化處理主要有活性污泥法和生物膜法，其中活性污泥法在工業(yè)實踐中廣泛應用。一方面，該方法具有很強的凈化功能，去除BOD(生化需氧量）及混合液中活性污泥濃度的效率高，均可達到95%以上［3］;但另一方面，所需要的曝氣池容積大，占用土地較多，基建費用高［4］。去除1 kg COD要產(chǎn)生0.5 kg干重的多余活性污泥，對這些固體廢物處理進一步提高成本［5］。另外，無法避免的污泥膨脹問題不僅影響出水水質(zhì)，增加額外處理費用，而且極易引起大量污泥流失，嚴重時可致使工藝失效［6］。

比較而言，生物膜法具有效率高、占地小、泥污量少等優(yōu)點，得到人們越來越多的關注，發(fā)展十分迅速。生物膜可認為是由一種或是多種微生物群體組成的并附著在某種載體表面上進行生長發(fā)育［7］。生物反應器作為載體的儲放單元，是微生物生長和生化反應的關鍵場所。其結構型式、填料選擇、填料量、氣水分布等參數(shù)的設計對實際應用中生化效果有很大影響。反應器的設計應在滿足性能指標情況下，力求結構簡單明了，制造加工容易。另外，還要考慮到后期維護、維修等操作的方便性。

本設備以氯堿工業(yè)中大量產(chǎn)生的聚合懸浮母液為主要處理對象進行設計，充分考慮該類廢水中含有多種對微生物有害的成分，以達到回用水質(zhì)標準為目標［8－9］，針對性地進行工藝參數(shù)的計算核算。

1 結構設計及填料選擇

1.1 生物膜過濾反應器結構設計

就流體力學特征來說，生物膜反應器的結構尺寸決定著反應器主要特性。為了確定最佳尺寸，進而合理設計的需要，有必要提前了解結構尺寸對反應器特性的影響。根據(jù)文獻資料［10］，大多數(shù)反應器H/D值一般為6∶1，即對應的 H/S(m－1）值為7.6∶1。設備為常壓敞口容器，考慮到設備的制造、加工和安裝，反應器選擇矩形截面。參考上述信息，這里選定H/S為8∶1，在橫截面尺寸為1 m×0.5 m的情況下，其外形尺寸為1 m×0.5 m×4 m。

本生物膜反應器 (見圖1）采用底部進水，因此其下部有曝氣進水口，頂部敞口保持常壓，處理后的液體從上部溢流槽流出。反應器底部有1個穿孔曝氣管系統(tǒng)，所述穿孔曝氣管系統(tǒng)包括多根中空管件連接組合而成，該類型曝氣裝置可以有效地使氣液均勻［11］。

反應器底部還有配合一定傾角的排污口，排污一般間隔為72 h左右，持續(xù)時間為10 min左右，具體排污時間和間隔需要根據(jù)實際情況確定。

本新型懸浮式生物膜反應器對填料進行模塊化裝填，突出特點是利用填料籠金屬籠網(wǎng)結構對填料進行攔截，金屬籠網(wǎng)既方便裝填填料，又減小了懸浮物附著面積，并可以防止填料流失，可以有效避免因生物填料流失造成的效能下降或者填料堵塞造成設備損壞。此外籠網(wǎng)結構的存在，一方面起到了過濾功能，另一方面氣液經(jīng)過時，讓氣液進一步均勻，客觀上起到了分布器的作用。

圖1 多功能懸浮式生物膜反應器模型運行剖視及進出口圖Fig.1 Multifunction suspended biofilm reactor structure

1.2 填料選擇

研究結果表明:懸浮式濾料比沉沒式濾料對懸浮顆粒物、有機物的去除率更高且更耐有機負荷和水力負荷沖擊［12］。根據(jù)以上資料、原料母液狀況和以往生化處理經(jīng)驗，擬采用球形高分子懸浮填料。多面空心球填料上下有多片球瓣，表面積大，傳質(zhì)效率高，產(chǎn)品的球瓣與球瓣之間空間大，此外，采用科學配方，將高分子材料經(jīng)特殊工藝改性構造而成的高分子懸浮填料，親水性好，抗沖擊力強，具有易掛膜、生物活性高、處理效果好等有優(yōu)點，在國內(nèi)外廢水處理行業(yè)得到廣泛應用。

在一定容積下，填料的直徑與數(shù)量負相關，填料球直徑越大，需要的數(shù)量越少，填料間空隙越大，生物可附著占據(jù)的總體積越小;另一方面，填料球直徑過于小，出現(xiàn)密實堆積的現(xiàn)象，水流阻力過大，可能造成一定的堵塞，因此需要選擇合適的直徑。Allan T.Mann等對比比重不同濾料的COD去除率研究表明［13］，濾料比重為0.92時效果優(yōu)于1.05，說明在一定范圍內(nèi)較小比重度略優(yōu)。

目前，多孔生物球填料主要有 Φ80、Φ100，Φ150三種規(guī)格產(chǎn)品?？紤]到上述問題，這里選擇Φ80的多孔生物球填料。該類型產(chǎn)品單個重量約18 g，比重為0.93，填充量約為2 000個/m3。

2 主要運行參數(shù)確定

考慮到菌種特性及其針對PVC母液的性質(zhì)，擬采用兩級生物膜反應器串聯(lián)方式處理。運行參數(shù)也參照進水COD濃度的較大值600 mg/L設計。運行過程中，可根據(jù)實際情況通過控制水量，改變回流比等方式作出合理調(diào)整，保證反應器的運行穩(wěn)定性。

綜合考慮多方面的因素，比對參考文獻中的實驗情況及運行結果，合理確定母液參數(shù)如下:

2.1 原水流量

為保證出水水質(zhì)，取進水COD較大值，根據(jù)容積負荷 Lv計算流量［14］:

式中:Vf為反應區(qū)體積，單級為1.5 m3，2級共有3 m3;Lv為容積負荷，5 kg［COD］/(m3·d）;S0為進水COD，600 mg/L;

用上面公式計算出最大負荷，即進水COD波動峰值情況下的進水量。根據(jù)計算結果，計算平均進水流量為1 m3/h，為了留取一定余量，設定運行流量QW為0.5 m3/h，即12.5 m3/d。

2.2 空氣流量

在標準狀況下，空氣密度ρ=1.293 kg/m3，空氣中氧質(zhì)量分數(shù)為δ=0.210 kg O2/kg空氣。

式中EA為曝氣器的氧利用率，一般為10% ～25%。

上述公式中未知參數(shù)較多且個別參數(shù)較難測定，另外，在實際設計中只給出COD的數(shù)值而沒有BOD值。雖然可根據(jù)廢水的B/C值折算成BOD后進行計算，但更為實際的做法是根據(jù)經(jīng)驗公式直接計算曝氣量［15］，再用氣水比進行校核。此處采取此種

式中:R為曝氣池進水COD，取600 mg/L和500 L/h計算，計算得7.2 kg/d;EA為曝氣器的氧利用率，設定10%。

2.3 氣水比

方法。

一般生活污水，氣水比可以取8∶1～20∶1，根據(jù)相關資料。PVC母液BOD/COD普遍為0.25左右，可生化性相對較弱，屬于生化難降解的廢水，一般取低負荷，氣水比在40∶1～60∶1比較正常。此處采取較大的氣水比44∶1較符合實際情況。

2.4 曝氣反應區(qū)校核

根據(jù)公式計算曝氣所需容積并與設計容積對比:

式中:QW為運行進水流量，12.5 m3/d;Sx為進出水COD濃度差，2級處理母液，每級濃度差0.3 kg/m3;Lv為容積負荷，5 kg［COD］/(m3·d）。

經(jīng)計算，當前狀態(tài)下需要曝氣反應有效體積至少為0.75 m3，而設計反應區(qū)體積為1.5 m3，滿足運行需要，設計合理。

2.5 水力停留時間

水力停留時間 (hydraulic residence time，HRT）是污水在曝氣池的停留時間，其為曝氣池容與污水流量的比值:

參考相關研究表明［16］，在曝氣池中的平均停留時間與運行方式無關，即與回流比無關，其值大小與設計水力停留時間一致，即設計水力停留時間為6 h。

3 結語

1）多功能懸浮式生物膜反應器是一種基于PVC母液深度處理研究的生化處理設備，該設備將傳統(tǒng)的生化池和沉淀池合二為一，兼具生物處理和粗過濾的功效，極大節(jié)省空間，提高了運行效率。

2）與污泥法相比，生物膜法可以極大避免污泥膨脹，而且污泥沉降性好。特別是根據(jù)本反應器設計，配備穿孔曝氣系統(tǒng)和均勻布水裝置，使氧、有機物和微生物充分接觸，更有利于離心機廢水和乳化粉廢水中微量PVA進行初步生物分解和COD的去除。

3）本新型的懸浮式生物膜反應器的突出特點是利用填料籠金屬籠網(wǎng)結構對填料進行分層填裝，一方面，分層填裝形成間隔的不連續(xù)填料狀態(tài)，使水、氣進一步大范圍均勻，另一方面，填料籠的模塊化設計方便裝填、拆卸以及維修。

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Design and operating parameter determ ination ofmultifunctional biofilm reactor with suspended packing

ZHANG Zhao-jian1，ZHAO Yong-lu2，ZHOU Jun-bo1，ZHANG Yang2，LIUWei-hai2
(1.Engineering Research Center for Polymer Processing Equipment，Ministry of Education，BeijingUniversity of Chemical Technology，Beijing 100029，China;2.Xingjiang Zhongtai Chemical Co.，Ltd.，Wulumuqi830000，China）

This paper introduces an improved biofilm reactorwith suspended packing.Inheritedmany advantages of traditional biofilm reactors，the reactor combines biological treatment with pre-filtering function，targetting to the chlor-alkali industry wastewater treating process.Its innovativemodular structure is of convenience for both on-site filling and later adjusting.Meanwhile，this paper also discusses the design process and the determination ofmain operating parameters.

biofilm reactor;suspended packing;modular structure

TU991.25

A

1672－7649(2014）04－0139－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.030

2013－06－24;

2013－10－21

新疆科技廳支疆項目(2013911045）

張趙劍(1988－）男，碩士研究生，從事化工過程機械專業(yè)研究。