导流式移动床生物膜反应器流速选择及流态分析

第35卷第2期2011年2月水产学报J0URNAL0FF1SHERIESOFCHINAVO1．35．No．2Feb．，2011文章编号：1000—0615(2011)02—0283—08DOI：10．3724／SP．J．1231．2011．17089导流式移动床生物膜反应器流速选择及流态分析张成林。，倪琦，徐皓，管崇武(1．上海海洋大学水产与生命学院，上海201306；2．中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092；3．中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海200092)摘要：水力条件对反应器内生物膜的生长及流态形式起着决定性作用。实验分别用0．15，0．25，0．35m／s的水流流速对内径为44mm的管状生物膜反应器进行水力冲击，观察不同生物滤料的挂膜情况，并利用计算流体力学软件对导流式移动床生物膜反应器流态进行数值模拟。结果显示，在低流速的水力冲击下，生物滤料的挂膜效果最好，平均厚度约为70m，且不同结构生物滤料的挂膜情况无明显差异；反应器的模拟曝气速度为0．6m／s时，其内部的综合流动及挂膜效果最佳。因此可知，生物膜的生长情况与同种材质生物滤料的结构形状无关，但与滤料所处的水力情况有关，膜厚度随着水流速度的增大而减小；移动床生物膜反应器的曝气量大小及结构形状是影响其流态的重要因素。本研究可以为此类反应器的设计与高效运行提供基础数据。关键词：生物滤料；生物膜厚度；流态模拟；移动床生物膜反应器中图分类号：S969．327文献标识码：A随着水产养殖业的发展及社会对环境保护的日益重视，养殖废水的重复利用成为必然趋势。生物处理是废水处理的核心环节，其主要分为两个阶段：生物膜的生长阶段和微生物对废水的反应处理阶段，其中生物膜的生长情况直接对第二阶段的处理效果产生影响。因此，研究生物膜的生长机理及影响因素，对处理养殖废水有重要意义。生物膜反应器主要依靠生物滤料作为载体为微生物提供附着生长条件，生物滤料的存在状态与生物膜生长状态是反应器构建的关键。近几年来，国内外研究人员对影响生物膜生长的因素做出了较多研究，朱松明等在2001年于华盛顿州立大学水产养殖研究实验室利用挠性塑料管作为生物膜载体，来研究不同雷诺数对生物膜的动力学影响，结果表明，水力情况是决定生物膜生长及水体总氨氮去除率的重要因素。2002年，SANDU等利用直径不同的圆柱形容器，以ABS塑料珠子作为生物膜载体，测试不同流速对生物膜厚度及硝化效率的影响，结果显示，生物膜的厚度随着水流速度的增加而减小。2007年，楼菊青等在研究移动床生物膜反应器水力特性的实验中指出，过快的水流循环速度会造成挂膜困难甚至会导致生物膜大量脱落，从而降低效率。移动床生物膜反应器是由挪威KALDNESM和SINTEF研究机构联合研发的一种生物膜污水处理技术J，在反应器构建中，水流速度的选择是关键，过低的流速会影响移动床滤料的流动状态，造成滤料运动不充分；过高的流速则会影响生物膜的附着生长。水产养殖废水属于微污染水体，其营养水平相对较低，水流对移动床生物膜反应器中生物膜形成的影响还未见报道。本实验旨在通过控制水流流量，对比研究在不同流速下滤料表面生物膜的附着生长情况，同时使用Fluent软件对移动床生物膜反应器的流动状态进行数值模拟分析，采用理论分析与实验数据优化结合的收稿日期：2010—08—31修回日期：2010—11—15资助项目：国家鲆鲽类产业体系项目(nycytx-50一G04)；公益性行业(农业)科研专项(nyhyzx07—046一鲆鲽工程化)；农业部“弓进国际先进科学技术”自由申报项目(2008一Z9)通讯作者：徐皓，E—mail：xuhao@fmiri．ac．cn2期张成林，等：导流式移动床生物膜反应器流速选择及流态分析表1生物滤料参数对照Tab．1Thecomparisonofcharade~aboutbiofilmcarriers表2基质营养的组成成份Tab．2Compositionofsyntheticsubstrate成份composition质量(g)massNH4C1NaHCO3MgSO4‘7H2ONa2HPO4KH2PO4FeC13‘6H2O13773500361591535注：溶液浓度根据不同实验工况进行稀释。Notes：Concentrationaccordingtodifferentexperimentalconditions实验水质测量及方法实验稀释水源为经过曝气的自来水，pH值约为7．1，溶氧浓度在4．8mg／L左右，实验运行阶段为两个月。在系统运行期间，每天上午9时对蓄水池内水体的温度、pH值、溶解氧浓度(DO)、氨氮浓度(TAN)、亚硝氮浓度(NO．N)等各项指标进行测定记录，测定间隔为24h。各水质指标的测定