污水處理好氧生物流化床的原理與應(yīng)用

內(nèi)容概要

《污水處理好氧生物流化床的原理與應(yīng)用》系統(tǒng)介紹了污水處理好氧生物流化床的技術(shù)原理與應(yīng)用。內(nèi)容包括：生物流化床的發(fā)展沿革、三相生物流化床的流化原理、內(nèi)循環(huán)三相生物流化床反應(yīng)器及其特性、流化床反應(yīng)器的生物載體、生物流化床反應(yīng)器的固液分離、運(yùn)用CFD對生物流化床的數(shù)值模擬、生物流化床對碳源污染物的降解、生物流化床的脫氮除磷、生物流化床的設(shè)計(jì)方法和生物流化床處理污水的工程應(yīng)用實(shí)例等。
《污水處理好氧生物流化床的原理與應(yīng)用》可作為高等院校環(huán)境工程專業(yè)本科生和研究生學(xué)習(xí)污水處理工程的技術(shù)參考書，也適合從事污水處理的專業(yè)技術(shù)人員參考。

作者簡介

博士，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授。1982年畢業(yè)于清華大學(xué)土木與環(huán)境工程系。1989～1990年英國水研究中心訪問學(xué)者，1994年美國Michigan大學(xué)高級訪問學(xué)者，2002年加拿大Alberta大學(xué)訪問教授，2003年美國Stanford大學(xué)訪問教授，2007年瑞典隆德大學(xué)訪問教授。長期從事水污染控制的理論與技術(shù)研究，在污水生物處理反應(yīng)器、反應(yīng)動力學(xué)和生物傳感器等方面取得了大量的研究成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。多次擔(dān)任國家科技攻關(guān)項(xiàng)目、“863”項(xiàng)目等重大研究課題的負(fù)責(zé)人。在國內(nèi)外期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，曾獲中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會“環(huán)境科學(xué)優(yōu)秀科技工作者”稱號。

書籍目錄

叢書序前言第1章 生物流化床的發(fā)展與應(yīng)用1.1 生物流化床的發(fā)展沿革1.1.1 流化床的基本條件1.1.2 理論與方法1.2 流化床技術(shù)在水處理中的應(yīng)用1.2.1 流化床的早期應(yīng)用1.2.2 生物流化床的發(fā)展與應(yīng)用第2章 三相生物流化床的流化原理2.1 三相流化床中的流化機(jī)理和氣相特性2.1.1 初始流化2.1.2 氣體擴(kuò)散的一般特性2.1.3 大顆粒流化床體中的氣體分散2.1.4 液-氣間傳質(zhì)系數(shù)2.2 三相流化床流體力學(xué)的總體行為2.2.1 壓力降2.2.2 流型2.2.3 初始流化2.2.4 壓力脈動2.3 三相流化床的相含率2.3.1 總固含率及其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)2.3.2 總含氣率2.3.3 自由空間區(qū)的固含率2.3.4 自由空間區(qū)的氣含率2.3.5 顆?？蓾櫇裥缘挠绊?.4 三相流化床中的混合特性2.4.1 描述反應(yīng)器液相流態(tài)特征的模型2.4.2 液齡分布曲線的測定2.5 多尺度的能量最小化方法應(yīng)用于氣-液-固三相流化床的模型研究2.5.1 引言2.5.2 模型組成2.5.3 模型驗(yàn)證第3章 內(nèi)循環(huán)三相生物流化床及其特性3.1 內(nèi)循環(huán)三相生物流化床的液相流態(tài)特征3.1.1 ITFB液相流態(tài)特征的研究概況3.1.2 液體循環(huán)速度、循環(huán)時(shí)間和混合時(shí)間3.1.3 液體循環(huán)速度理論分析3.2 內(nèi)循環(huán)三相生物流化床的氣含率特征3.2.1 總平均氣含率3.2.2 載體性質(zhì)對總平均氣含率的影響3.2.3 升降流區(qū)面積比對總平均氣含率的影響3.2.4 εgt、εr和εd關(guān)系分析3.2.5 依據(jù)兩相drift-flux的模型3.2.6 依據(jù)流體力學(xué)的模型3.2.7 氣相含率εg的測定方法3.2.8 升流區(qū)與降流區(qū)氣含率關(guān)系理論分析3.2.9 氣含率與反應(yīng)器其他性能參數(shù)的關(guān)系3.3 內(nèi)循環(huán)三相生物流化床的氧轉(zhuǎn)移特性3.3.1 氧轉(zhuǎn)移基本規(guī)律及特性參數(shù)3.3.2 充氧速度的測定方法3.3.3 影響反應(yīng)器充氧效率的因素3.3.4 反應(yīng)器充氧特性模型描述3.4 內(nèi)循環(huán)三相生物流化床的改進(jìn)設(shè)計(jì)3.4.1 流化床應(yīng)用中存在的問題3.4.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分析3.4.3 反應(yīng)器的氣-液-固三相分離3.4.4 好氧HSBCR反應(yīng)器開發(fā)3.4.5 好氧-缺氧HSBCR反應(yīng)器開發(fā)3.4.6 迷宮型載體分離器的研究3.4.7 HSBCR反應(yīng)器氧轉(zhuǎn)移特性3.5 關(guān)于美國環(huán)境保護(hù)署對流化床生物處理工藝的研究及思考3.5.1 背景3.5.2 試驗(yàn)第4章 流化床的生物載體4.1 生物載體材料及其特性4.1.1 概述4.1.2 載體顆粒的類型4.2 附著生物膜及其厚度與微生物量的計(jì)算4.2.1 載體顆粒的性質(zhì)4.2.2 具有穩(wěn)定生物量的流化床反應(yīng)器4.3 微生物的固定與載體材料的選擇4.3.1 微生物的固定方法4.3.2 固定化微生物載體4.3.3 載體材料的選擇方法4.4 內(nèi)循環(huán)生物流化床反應(yīng)器載體流化規(guī)律4.4.1 載體循環(huán)流化的基本規(guī)律4.4.2 載體流化規(guī)律的測定方法4.4.3 影響載體流化的因素分析第5章 運(yùn)用CFD對生物流化反應(yīng)器的數(shù)值模擬研究5.1 CFD技術(shù)和Fluent軟件介紹5.1.1 CFD技術(shù)概況5.1.2 Fluent軟件的主要特點(diǎn)5.2 CFD模擬方程5.2.1 混合物連續(xù)性方程5.2.2 混合物動量方程5.2.3 混合物能量方程5.2.4 相對(滑移)速度和漂移速度5.2.5 第二相的體積分?jǐn)?shù)方程5.3 反應(yīng)器形式及模擬條件5.3.1 實(shí)際反應(yīng)器基本尺寸要求5.3.2 反應(yīng)器形式5.3.3 基本假設(shè)5.4 HSBCR反應(yīng)器內(nèi)流動狀況的模擬5.4.1 模擬反應(yīng)器尺寸及參數(shù)5.4.2 反應(yīng)器內(nèi)靜壓力分布5.4.3 反應(yīng)器內(nèi)液體循環(huán)速度分布5.4.4 反應(yīng)器內(nèi)氣含率分布5.5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)HSBCR反應(yīng)器的模擬5.5.1 高徑比對反應(yīng)器水力學(xué)的影響5.5.2 降流區(qū)與升流區(qū)面積比對反應(yīng)器水力學(xué)的影響5.5.3 底隙高度對反應(yīng)器水力學(xué)的影響5.6 不同形式氣體分布器對HSBCR反應(yīng)器的影響5.6.1 氣體分布器形式及安裝位置5.6.2 靜壓力分布5.6.3 氣含率分布5.6.4 液體循環(huán)速度第6章 高效分離生物流化復(fù)合反應(yīng)器處理生活污水6.1 HSBCR反應(yīng)器中的附著相微生物與懸浮相微生物6.1.1 試驗(yàn)裝置與測試方法6.1.2 進(jìn)水容積負(fù)荷對生物膜生長的影響6.1.3 MLSS濃度對生物膜生長的影響6.1.4 反應(yīng)器流態(tài)對生物膜生長的影響6.2 好氧HSBCR反應(yīng)器處理生活污水6.3 一體化好氧-缺氧HSBCR反應(yīng)器處理生活污水6.3.1 裝置及處理流程6.3.2 氣浮裝置的運(yùn)行參數(shù)6.3.3 處理生活污水的效果分析6.3.4 反應(yīng)器的化學(xué)強(qiáng)化除磷第7章 生物流化反應(yīng)器處理含氮廢水7.1 高濃度氨氮廢水的脫氮處理7.1.1 引言7.1.2 反應(yīng)器設(shè)計(jì)7.1.3 馴化和固定化7.1.4 合成廢水7.1.5 溫度對NOx-N去除率的影響7.1.6 pH對NOx-N去除率的影響7.1.7 C/N比對NOx-N去除率的影響7.1.8 HRT對NOx-N去除率的影響7.1.9 氣體流速對NOx-N去除率的影響7.1.10 最佳操作條件下連續(xù)生物過程效果7.1.11 最佳操作條件下NOx-N和COD的局部分布7.2 生物流化反應(yīng)器中硝化與反硝化的結(jié)合7.2.1 引言7.2.2 生物膜反應(yīng)器中硝化反硝化作用7.2.3 異養(yǎng)細(xì)菌層對反硝化速率的影響7.2.4 以亞硝酸鹽作為脫氮過程中間產(chǎn)物7.2.5 有害中間產(chǎn)物的形成7.3 新型氣升式高效脫氮反應(yīng)器CIRCOX?7.3.1 引言7.3.2 試驗(yàn)過程7.3.3 反應(yīng)器的性能7.3.4 系統(tǒng)評價(jià)7.4 氣升式生物流化反應(yīng)器中水力停留時(shí)間對硝化作用的影響7.4.1 引言7.4.2 試驗(yàn)過程7.4.3 水力停留時(shí)間對硝化作用的影響7.5 金屬回收工業(yè)廢水的生物脫氮7.5.1 引言7.5.2 試驗(yàn)過程7.5.3 脫氮效果7.5.4 數(shù)學(xué)分析第8章 生物流化反應(yīng)器處理工業(yè)廢水8.1 處理丙烯酸廢水的中試8.1.1 試驗(yàn)概況8.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論8.1.3 流化床出水的好氧后處理8.1.4 處理丙烯酸廢水的建議方案8.2 處理石化廢水的試驗(yàn)研究8.2.1 試驗(yàn)概況8.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論8.2.3 流化床出水的氣浮效果8.3 厭氧生物反應(yīng)器-好氧流化床工藝處理抗生素制藥廢水8.3.1 試驗(yàn)概況8.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論8.3.3 流化床出水的混凝效果8.4 流化床處理油漆廢水的中試8.4.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c研究內(nèi)容8.4.2 試驗(yàn)流程8.4.3 流化床處理油漆廢水的試驗(yàn)8.4.4 流化床運(yùn)行中存在與遺留的問題8.4.5 推薦流化床處理油漆廢水工藝流程8.4.6 運(yùn)行費(fèi)用分析8.5 低密度生物質(zhì)載體三相流化床處理煉油廠廢水8.5.1 應(yīng)用流化床生物反應(yīng)器處理廢水研究8.5.2 試驗(yàn)與處理效果第9章 內(nèi)循環(huán)三相流化床的設(shè)備型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.1 內(nèi)循環(huán)三相生物流化床設(shè)計(jì)概述9.1.1 反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)9.1.2 三相分離器的設(shè)計(jì)9.1.3 輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)9.2 高效分離生物流化反應(yīng)器(HSBFR)設(shè)計(jì)概述9.2.1 高效分離生物流化反應(yīng)器的特點(diǎn)9.2.2 反應(yīng)區(qū)設(shè)計(jì)9.2.3 載體分離器設(shè)計(jì)9.2.4 氣浮分離器設(shè)計(jì)9.2.5 高效分離生物流化反應(yīng)器放大設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)第10章 生物流化床處理生活污水的工程應(yīng)用10.1 常州某污水處理工程10.1.1 工程簡介10.1.2 污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)10.1.3 污水處理運(yùn)行效果10.2 宜興市周鐵鎮(zhèn)污水處理廠10.2.1 工程簡介10.2.2 污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)10.2.3 污水處理效果10.3 永嘉縣上塘鎮(zhèn)中心城區(qū)污水處理站10.3.1 工程簡介10.3.2 污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)10.3.3 污水處理站土建與設(shè)備表10.3.4 污水處理的效果10.4 深圳市蛇口海關(guān)污水處理站工程10.4.1 工程簡介10.4.2 污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)10.4.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)備10.4.4 平面布置10.5 四川高縣污水處理廠工程10.5.1 工程簡介10.5.2 污水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)10.5.3 單體構(gòu)筑物設(shè)計(jì)及設(shè)備10.5.4 污水廠平面布置第11章 生物流化床處理工業(yè)廢水的工程應(yīng)用11.1 天津市中央藥業(yè)有限公司制藥廢水處理站11.1.1 項(xiàng)目概況11.1.2 處理工藝11.1.3 污水處理站的土建與設(shè)備表11.2 北京南順油脂廠廢水處理站11.2.1 工程簡介11.2.2 油脂生產(chǎn)廢水11.2.3 廢水處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)11.2.4 廢水處理運(yùn)行效果11.3 浙江龍盛集團(tuán)廢水處理工程11.3.1 浙江龍盛集團(tuán)廢水處理工程概況11.3.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)與水量11.3.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)11.3.4 工藝流程11.3.5 浙江龍盛集團(tuán)污水處理廠部分實(shí)景圖11.4 厭氧和好氧生物流化反應(yīng)器處理Enschede市高勝啤酒廠廢水11.4.1 設(shè)計(jì)背景11.4.2 主要技術(shù)11.4.3 運(yùn)行結(jié)果11.5 生物流化床反應(yīng)器處理Paulaner啤酒廠及Hulshof制革廠廢水11.5.1 引言11.5.2 Paulaner啤酒廠11.5.3 Paulaner啤酒廠的運(yùn)行結(jié)果11.5.4 Hulshof皇家制革廠11.5.5 Hulshof皇家制革廠廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章  生物流化床的發(fā)展與應(yīng)用 1.1  生物流化床的發(fā)展沿革［1］在污水處理中，生物處理是最常用的處理技術(shù)。最初的生物處理技術(shù)可以追溯到19世紀(jì)末，英國曼徹斯特采用生物濾池處理污水，以滿足人口密集的工業(yè)區(qū)內(nèi)公眾的衛(wèi)生要求。經(jīng)過100多年的發(fā)展，以活性污泥法為代表的生物處理方法已經(jīng)成為污水處理的主流工藝。隨著污水生物處理技術(shù)的發(fā)展，對生物反應(yīng)的過程和機(jī)理研究逐步深入，產(chǎn)生了具有各種不同功能和特點(diǎn)的污水處理生物反應(yīng)器。本書將重點(diǎn)介紹污水生物處理技術(shù)之一――流化床生物反應(yīng)器。從污水處理生物流化反應(yīng)器的研究和發(fā)展可以看到污水處理技術(shù)的發(fā)展途徑和近年反應(yīng)器精細(xì)化研究技術(shù)對新型污水處理生物反應(yīng)器發(fā)展的促進(jìn)作用。 由于大量的污水需要處理，城市污水處理廠的規(guī)模往往遠(yuǎn)大于一般的工業(yè)設(shè)施。污水處理技術(shù)的發(fā)展與其他大規(guī)模工業(yè)技術(shù)發(fā)展一樣，遵循著大規(guī)模過程工程發(fā)展的規(guī)律。在確定了最初的反應(yīng)系統(tǒng)之后（如污水中的BOD可以通過附著微生物去除），需要按照以下三條規(guī)則發(fā)展： （1）發(fā)揮規(guī)模效益：使用大型的過程單元增加指定工作的生產(chǎn)量； （2）提高單元效率：在保持性能的同時(shí)縮小個(gè)體過程單元的尺寸； （3）反應(yīng)系統(tǒng)更新：不斷發(fā)現(xiàn)可替代的新反應(yīng)系統(tǒng)。 當(dāng)人們把提高單元效率看成是在大規(guī)模工業(yè)過程持續(xù)發(fā)展中的一種重要因素時(shí)，可以設(shè)計(jì)出多種新的高效工藝過程，但這些新工藝不一定具有良好的經(jīng)濟(jì)性。然而，由于經(jīng)濟(jì)利益與提高過程效率具有不可避免的關(guān)聯(lián)性，那些經(jīng)濟(jì)效益不佳的工藝就會被淘汰，失去進(jìn)一步應(yīng)用的機(jī)會。例如，固定生物膜滴濾池在80年的發(fā)展歷程中，形成了一種操作簡便、高效的水處理設(shè)施。該設(shè)施可以適應(yīng)較大的流量和進(jìn)水濃度變化，并能保持高效的特點(diǎn)。為了進(jìn)一步發(fā)掘被固定微生物的潛力，人們發(fā)明了生物轉(zhuǎn)盤，但是隨之產(chǎn)生了硬件設(shè)施復(fù)雜性的顯著增加，抵消了設(shè)備小型化帶來的效益。要在不增加硬件設(shè)施的條件下提高過程的反應(yīng)效率，需要運(yùn)用流體力學(xué)和生物反應(yīng)動力學(xué)的理論來解決過程工程問題，此類研究會涉及工藝過程中的各要素，包括污水、供氧、固定的生物膜及其生物量的調(diào)控等。流化床生物反應(yīng)器的發(fā)明與發(fā)展為這些問題的研究提供了一種可借鑒的案例。 由于過程效率提高對研究、發(fā)展的時(shí)間和費(fèi)用支出等有苛刻的要求，因此需要極為謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)目標(biāo)，并需要整個(gè)研究充滿活力、思路清晰、周密計(jì)劃，并投入充足的人力物力。在建立小試和中試的試驗(yàn)裝置前，作為預(yù)測，必須建立工程概念的評估模型進(jìn)行模擬分析。 1.1.1  流化床的基本條件 人們很早就認(rèn)識到廢水處理中的混合微生物具有很好的黏附性，能夠在無煙煤、玻璃、塑料、砂礫和石頭等常見的材料上形成連續(xù)的固定生物膜層。這與純培養(yǎng)的微生物不具有黏附性，并生成不連續(xù)的菌落形成了鮮明的對比。 鑒于以上的認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn)，可以在開放式的生物反應(yīng)器中加入惰性顆粒物以供固定的生物膜生長。圖1.1-1給出了通過添加小玻璃珠使小試混合反應(yīng)器的處理效果得到改善的效果。反應(yīng)器在入流速率大于洗出速率的條件下運(yùn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)外推至沒有表面支持物時(shí)轉(zhuǎn)化率為零。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)缺乏顆粒物，容器壁等固定的表面也能夠固定生物膜，從而促使最終轉(zhuǎn)化。由于反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，碳濃度的消耗遵循零級反應(yīng)動力學(xué)，因此添加的固體表面積使得轉(zhuǎn)化率按比例提高。由于系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)可以定量測得，因此固定生物膜的平均厚度可以通過如圖1.1-1所示的轉(zhuǎn)化率隨表面積變化數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，對應(yīng)的膜厚度約為0.25mm。 圖1.1-1  混合反應(yīng)器中添加支持表面對轉(zhuǎn)化率的影響 由圖1.1-1的數(shù)據(jù)得出的重要推論是：①不存在實(shí)際的洗出速率；②由于懸浮生物量非常低，轉(zhuǎn)化主要通過固定生物膜實(shí)現(xiàn)；③不需要從沉淀池或其他地方回流濃縮的微生物。 當(dāng)然，①～③通常適合于滴濾池。當(dāng)涉及生長緩慢的微生物時(shí)，這些條件就會顯得很重要，因?yàn)橄闯鏊俾逝c微生物的比增長速率直接相關(guān)（無論是否有回流）。當(dāng)較低的生物量產(chǎn)率系數(shù)成為反應(yīng)特點(diǎn)時(shí)，這些條件就有重要的意義，因?yàn)榕c自由懸浮生長微生物的運(yùn)行相比，固定生物膜的微生物濃度相對較高。 顯然，當(dāng)固定生物膜作為反應(yīng)器的一個(gè)特點(diǎn)時(shí)，會出現(xiàn)生物填料層的阻塞問題和實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性問題。即使通過基本設(shè)計(jì)與運(yùn)行措施避免了阻塞的危險(xiǎn)，仍會遇到如何將總生物量及顆粒物“控制”在反應(yīng)器中等細(xì)節(jié)問題。滴濾池中的阻塞問題可以通過使用大孔隙的大型生物填料來克服，也可以通過設(shè)置防御性運(yùn)行程序和依據(jù)生態(tài)學(xué)原理強(qiáng)化生物膜脫落來控制生物量的過度累積。然而，這些因素會導(dǎo)致床體和局部生物量的變化，從而不可避免地引起滴濾池運(yùn)行不穩(wěn)定。 在含有懸浮顆粒的完全混合反應(yīng)器中，顆粒上的固定生物膜由于生長而不斷增加，然而這種生長可以借助顆粒與顆粒、顆粒與器壁、顆粒與動力裝置之間的摩擦而得到控制。由于環(huán)境均一，可以認(rèn)為整個(gè)反應(yīng)器中的微生物生長速率是一致的，然而與之相對的是，在反應(yīng)器的不同位置上，上述摩擦程度卻是不同的。盡管單個(gè)顆粒上的生物量存在不同，但反應(yīng)器中總體生物量可以穩(wěn)定積累而且有恒定的轉(zhuǎn)化效率。有趣的是一些研究者考慮是否可以從反應(yīng)器中轉(zhuǎn)移附有生物膜的載體顆粒，再將剝離生物膜后的載體顆粒回流至反應(yīng)器，通過潷水和剪切等方式濃縮載體上剝離下來的生物量，并作為傳統(tǒng)沉淀或澄清方法的一種可替代的生物量恢復(fù)方法。 通過向傳統(tǒng)混合反應(yīng)器中加入懸浮顆粒載體為微生物固定提供支撐表面的例子可以得到以下幾點(diǎn)關(guān)于如何發(fā)展和選擇恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器結(jié)構(gòu)以達(dá)到既定要求的推論：①反應(yīng)器內(nèi)需要保持穩(wěn)定的生物量以維持穩(wěn)定的處理效率；②單位反應(yīng)器體積內(nèi)期望有較高的載體表面積；③反應(yīng)器內(nèi)需要均一的剪切力以達(dá)到對單個(gè)顆粒載體上生物量的控制；④在顆粒載體上生物量穩(wěn)定的條件下運(yùn)行是可行的；⑤在最小的摩擦條件下，具有不穩(wěn)定生物量的顆粒生物膜的運(yùn)行也是可行的，在這種方式下顆粒生物膜的生物量將決定顆粒在反應(yīng)器中的分布狀態(tài)；⑥在不影響生物膜生物量的同時(shí)，能夠從反應(yīng)器中連續(xù)去除和回流顆粒載體；⑦以上條件可以通過最少的硬件設(shè)施和運(yùn)行措施實(shí)現(xiàn)。 在流化床中，載體顆粒由于流動克服重力作用而相互分離并自由懸浮。產(chǎn)生連續(xù)的顆粒床，其床層厚度大于相應(yīng)的固定床，載體顆粒在其中做相對連續(xù)運(yùn)動。對于被單相流體流化的均勻尺寸的顆粒載體，會形成均一床體，即局部均勻的孔隙度和載體顆粒密度。 流化床的孔隙度與固定床類似，而與典型的含有懸浮顆粒物的完全混合式反應(yīng)器不同，對尺寸、形狀和載體顆粒濃度沒有內(nèi)在限制。 在含有均勻尺寸載體的生物流化床內(nèi)，由均勻推動力產(chǎn)生的均勻摩擦力會產(chǎn)生均勻和穩(wěn)定的載體生物膜生物量，證明摩擦力足以平衡微生物的生長。因此上述第①～④項(xiàng)很容易實(shí)現(xiàn)。 流化床還有一個(gè)特點(diǎn)：如果床體是由不同尺寸或密度的顆粒所組成，那么這些顆粒會根據(jù)其各自的物理性質(zhì)在不同的位置聚集起來。當(dāng)摩擦力不足以平衡微生物生長時(shí)，會出現(xiàn)附著少量生物膜的顆粒物堆積在入口處，而附著過量微生物的顆粒物堆積在出口處的現(xiàn)象。這是由于從入口到出口處局部流速會逐漸下降，摩擦力也呈相同的變化趨勢。這樣，很容易實(shí)現(xiàn)上述第⑤項(xiàng)，而且由于顆粒被不斷地移出并回流，那么第⑥項(xiàng)也能實(shí)現(xiàn)。 流化床技術(shù)以滿足第⑦項(xiàng)要求的流體力學(xué)條件為發(fā)展與應(yīng)用的依據(jù)。 綜上所述，為實(shí)現(xiàn)過程工程的目的，應(yīng)該明確什么是“優(yōu)先”，尤其要確定是否需要穩(wěn)定的生物量積累，并據(jù)此調(diào)整流化床的運(yùn)行狀態(tài)。后者取決于選擇合適的載體尺寸、密度及流速。例如，保持顆粒載體生物量恒定的最小摩擦力、小而輕的載體顆粒及能實(shí)現(xiàn)流化的流速。如果不用移走顆粒載體的方法來保持穩(wěn)定的生物量，就會產(chǎn)生預(yù)期的微生物積累。在此情況下就必須在流化床頂部設(shè)置一個(gè)動力裝置以增加摩擦力或?qū)_出的載體返回至剪切區(qū)，也可以通過回流使床體進(jìn)一步膨脹并增強(qiáng)攪拌。 圖1.1-2所示的是一個(gè)完全混合式生物流化床的小試裝置，其流化狀態(tài)和床體膨脹率獨(dú)立于過程通量，由于可以更換載體的類型和數(shù)量，這種反應(yīng)器概念對附著在載體上生物膜的流化特性研究及對于反應(yīng)動力學(xué)和過程參數(shù)的闡述具有重要意義。 圖1.1-2  完全混合式生物流化床 1.1.2  理論與方法 考慮到生物流化床概念的復(fù)雜性和目前對生物反應(yīng)過程的理解水平，我們需要對流化床反應(yīng)器的預(yù)期效果和操作特點(diǎn)有一個(gè)切實(shí)的評價(jià)。對于有恒定顆粒載體生物量的完全混合式生物流化床（圖1.1-2），其對可溶性組分的去除效率可通過“恒化器”的擴(kuò)展理論來說明固定生物量對反應(yīng)器運(yùn)行效果的貢獻(xiàn)。 根據(jù)“恒化器”的擴(kuò)展理論，轉(zhuǎn)化效率（CO/CI）與以下參數(shù)有關(guān)： ①無量綱的停留時(shí)間參數(shù)，VGF max ；  ②無量綱的床體生物量存留參數(shù)，Y ρbO LA KmS ；  ③無量綱的進(jìn)水濃度，KCmI ； 1 2  ④ 描述固定生物量擴(kuò)散極限的無量綱參數(shù)， Y ρOb KGmmax De L 。 上述符號可分為以下兩類：①體積流量（F）、反應(yīng)器體積（V）、固定生物層的厚度（L）、單位反應(yīng)器體積內(nèi)的載體表面積（AS）及進(jìn)水濃度（CI）是物理變量；最大比生長速率（Gmax）、生物密度（ρb）、生物量產(chǎn)率系數(shù)（YO）、莫諾德系數(shù)（Km）及生物量的有效擴(kuò)散系數(shù)（De）是描述生物反應(yīng)的參數(shù)。 因此對于給定的反應(yīng)，已知Gmax、Km、YO、De，可得 CCOI ＝ g1 VF ，ρbLAS，CI，L（1.1-1） 式中，F(xiàn)/V為停留時(shí)間；ρbLAs為床體生物量。相應(yīng)的反應(yīng)（RV）體積速率由下式給出： Gmax RVKm ＝ VGF max KCmI 1-CCOI （1.1-2）  式中，RV/（GmaxKm）為無量綱的反應(yīng)體積速率。因此對于給定的反應(yīng)，已知Gmax、Km、YO、De，可得 RV ＝ g2 VF ，ρbLAS，CI，L（1.1-3） Atkinson和Davies使用式（1.1-1）和式（1.1-2）給出的代數(shù)關(guān)系繪制了圖1.1-3、圖1.1-4和圖1.1-5，用以描述完全混合式生物流化床的運(yùn)行特征。為方便計(jì)算，忽略了固體擴(kuò)散極限，盡管這種假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是不可行的。因此圖1.1-3、圖1.1-4和圖1.1-5高估了實(shí)際轉(zhuǎn)化效率和反應(yīng)體積速率。然而這種假設(shè)簡化了計(jì)算，代表了一種漸進(jìn)的條件，為討論提供了基礎(chǔ)。 因此，式（1.1-1）和式（1.1-2）轉(zhuǎn)變?yōu)?對圖1.1-3， CO ＝ g1 F ；ρb LA S ；CI ＝100（1.1-4） CIVGmaxYOKmKm 對圖1.1-4， CCOI ＝ g1 VGF max ；Y ρbO LA KmS ＝ 100 ；KCmI （1.1-5）  對圖1.1-5， 圖1.1-3  生物活性表面對完全混合式生物流化床轉(zhuǎn)化效率的影響 （CI/Km＝100；β＝ρbLAS/（YOKm）） 圖1.1-4  進(jìn)水濃度對完全混合式生物流化床轉(zhuǎn)化效率的影響（ρbLAS/（YOKm）＝100，α＝CI/Km） GmaxRVKm ＝ g2 VGF max ；YρbO LA KmS ；KCmI ＝100（1.1-6）從上述各圖可以推出： ① 如YρbO LA KmS ＞ 0， 載體不會被洗出；② 通過提高床體生物量濃度可提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率和體積速率；③ 轉(zhuǎn)化效率隨進(jìn)水濃度增加而降低。

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