生物工艺学12.ppt

生物流化床(Fluidised bed)
一、生物流化床的发展及概述
流化床反应器是利用流态化的概念进行传质或传热操作的一类反应器。流化床从开发至今只有几十年的历史,最初主要用于化工合成和石化行业,后来由于此类反应器在许多方面所表现出来的独特优势,使它的应用范围逐渐拓展到煤的燃烧、金属的提炼、空气的净化等诸多领域。
生物流化床处理污水的研究和应用始于20世纪70年代初的美国。当时,作为固定床生物膜法的生物滤池已得到较为普遍的应用。固定床操作存在着容易堵塞的弊病,因此要求选用大粒径的滤料,然而大粒滤料却限制了微生物附栖生长的比表面积,降低了反应器内的生物量,从而影响处理效率。能否在解决堵塞问题的同时又能保证高的处理效率成为人们所关心的课题。正是在这样的背景下,提出了将固定床改变为流化床的设想。
生物流化床的优点:
一、生物流化床中小粒径的载体提供了微生物附栖生长的巨大比表面积,使反应器内能维持高的微生物浓度(可达40~50g/L)因而提高了反应器的容积负荷[可达(3~6kg/m3·d)甚至更高]。
二、流态化的操作方式创造了反应器内良好的传质条件,无论是氧还是基质的传递速率均明显提高。对于食品、酿造这类可生化性较好的工业废水,生化反应的速率较快,因此生物流化床在传质上的优势更能明显体现。
三、较高的生物量和良好的传质条件使生物流化床可以在维持处理效果的同时减少反应器容积,节省投资,且占地面积小。
四、与活性污泥法相比,生物流化床具有较强的抵抗冲击负荷的能力,不存在污泥膨胀问题。
五、生物流化床反应器中为了阻止载体流失,一般在反应器顶设置沉淀区,在沉淀区同时可将脱落的生物膜分离出来。在负荷不高、对出水悬浮物浓度无特殊要求时可以省去二沉池,剩余污泥通过脱膜设备排出系统,这就简化了流程。
尽管生物流化床具有上述的诸多优点,而且近三十年来其应用范围和规模日益扩展,但是其普及程度始终远不及活性污泥法、生物接触氧化,也不及生物滤池。原因是多方面的,但其中最主要的一点是由于流态化本身的特点,使生物流化床反应器的设计和运转管理对技术的要求较高。几十年来,流态化技术尽管取得了很大的进展,但知道今天,人们对流化现象内部规律的了解仍然相当粗浅,以至于大量工程的设计还是主要依靠经验判断。如果将新近投产的流化床反应器与早年开发的反应器对比,人们很难找出本质的技术革新,这说明几十年间虽然已经积累了大量研究和应用的数据,却很少体现在流化床的设计中。
在投资和运转费用方面,根据国外的比较,生物流化床的投资及占地面积分别仅相当于传统活性污泥曝气池的70%和50%,但运转费用却相对较高,这主要缘于载体流化的动力消耗。为节省能量,有人倾向于使用低密度的载体,但低密度的载体使过程控制更加困难,载体极易流失,而且降低了传质性能。
(一)生物流化床的定义和床层特性

若流体自下而上通过颗粒固定床层,其初期压降将随流速的增大而增大,且压降与流速呈线形关系。当流速增大到某一数值,此时压力降低的数值等于颗粒床层浮重时,床中颗粒便由静止开始向上运动,床层也由固定床开始膨胀;若流速继续增大,则床层进一步膨胀,直到颗粒之间互不接触,悬浮在流体中,这一状态叫初始流态化。达到初始流态化以后,如在继续增大流速,床层会进一步膨胀,但压降却不再增大。初始流态化对应的流速叫临界流化速度(umf)。
二、生物流化床的原理和类型
临界流化速度(umf)是指示固定床与流化床之中间状态的关键参数,它是使颗粒流化的最小流化速度。
床层膨胀率
=(流化后床层体积-固定床层体积)/固定床层体积
膨胀率为20%左右,膨胀床(Expanded Bed)

膨胀率为30%,流化床( Fluidised bed )
两相流化床
三相流化床