三種惰性填料生物滴濾床的流體力學性能*

周　超，王芙蓉，韓　帥，盧宏旭，丁文明

(1 深圳市城市廢物處置中心, 廣東　深圳　518028； 2 北京化工大學化學工程學院,北京　100029)

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三種惰性填料生物滴濾床的流體力學性能*

周超1，王芙蓉1，韓帥2，盧宏旭2，丁文明2

(1 深圳市城市廢物處置中心, 廣東深圳518028； 2 北京化工大學化學工程學院,北京100029)

對天然沸石、膨脹蛭石、生物陶粒等三種生物滴濾床惰性填料，進行了干燥與濕潤、噴淋量、微生物生長等不同條件下，氣體流量與床層壓降數據測量，得到了影響條件下的壓降曲線。結果分析顯示，生物陶粒在各種條件下均表現出較好的流體力學性能；對天然沸石及膨脹蛭石類碎片狀填料，潤濕可減小壓降損失，噴淋量過大會增大壓降損失；生物膜生長增加生物濾床的壓降損失，但對生物陶粒填料床，壓降增加不顯著。

滴濾床；惰性濾料；流體力學性能

生物滴濾床由于其具有傳質效果好，氣體壓降低，凈化效果好，運行費用低廉等優勢，在有機廢氣的生物凈化處理中得到廣泛應用[1]。傳統的生物滴濾床常用堆肥、樹皮、木片、木炭等做填料[2]，這類生物質來源的填料雖然具有生物親和性強的優點，但隨著運行時間加長，會產生填料腐敗床體坍塌，進而破壞氣液傳質效果，并增大氣體阻力[3]。

為解決生物質填料的穩定性問題，很多研究采用無機惰性填料作為代替填料，在生物附著生長方面也得到較好效果[4-5]。本研究采用天然沸石、膨脹蛭石、生物陶粒為滴濾床填料，對三種填料滴濾床的流體力學性能進行研究。本研究的目的是考察濾料種類、濾液噴淋量、微生物生長對滴濾床氣體通過能力的影響，為惰性濾料的實際應用提供參考依據。

1　實驗部分

1.1實驗材料

所用沸石購自河北承德，膨脹蛭石與生物陶粒購自江西萍鄉飛云陶瓷濾料廠。天然沸石與膨脹蛭石為碎片狀，生物陶粒

為橢球形。測量各填料的主要性質見表1。

表1　三種生物滴濾床填料的性狀參數

1.2實驗裝置與方法

實驗裝置示意如圖1所示，三個生物濾床的尺寸相同，均為Φ140 mm×1600 mm有機玻璃柱，柱內填料層高度均為1000 mm。用空氣與有機發生氣體定比例混配來模擬污染廢氣。三種惰性填料分別填充于生物濾床I、II、III，每個生物濾床的氣體流量與床層壓力，通過各自連接的轉子流量計與U形管水柱壓差計測量。

圖1　實驗裝置示意圖

2　結果與討論

2.1填料干床狀態的流體力學特性比較

生物滴濾床的氣體流速由生化反應所需時間決定。一般生物滴濾床正常運行的氣體停留時間往往大于30 s，而在生化反應啟動階段其停留時間可能更長(例如300 s)。按照本試驗裝置的填料層高度，換算進氣流量為3.3～33 L/min，對應空塔氣速12～120 m/h。通過調節進氣流量，測得針對三種濾料在干床狀態的壓降變化見圖2。由圖2可見，天然沸石與膨脹蛭石是壓降曲線幾乎重合，而生物陶粒的壓降損失則比前兩者小很多。這是由于，前兩者首先都是碎片狀，同時粒徑尺寸相近，因此表現在壓降曲線接近重合；而生物陶粒粒徑比前兩者大，而且為橢球形光滑外表，因此阻力較小，其較大空速下氣體壓降不到前兩者的一半。

圖2　干床狀態氣體壓降

圖3　雙對數坐標表示

在接近常壓操作狀態下，氣相流的阻力損失可近似按照不可壓縮流體考慮。將圖2數據以雙對數坐標作圖，由圖3可見天然沸石與膨脹蛭石基本落在接近直線內，說明在整個試驗氣速范圍內，兩種填料內的氣體流動基本接近湍流狀態，這將有利于氣體傳質進行。而生物陶粒要在空速36 m/h后，氣體流動基本在湍流狀態，在此之前應該存在層流和過渡區。

2.2噴淋狀態對流體力學特性影響

生物滴濾床的實際運行包括連續噴淋與間歇噴淋兩種操作方式。在間歇噴淋操作時，噴淋將每6 h噴淋一次，以保持填料表面的濕潤，噴淋后30 min進行壓差測量(圖4中濕潤)。為防止滴濾床填料上的微生物膜被沖走，連續噴淋的噴淋量不能太大，本試驗采用150 mL/h和300 mL/h兩種連續噴淋強度(圖4中噴淋1與噴淋2)，測定壓差并對比不同條件的壓降曲線見圖4。

圖4　壓降隨噴淋狀態的變化

從圖4a與圖4b對比可見，噴淋后天然沸石與膨脹蛭石的壓降都大大下降，所有濕潤條件下的壓降都小于干床壓降，說明噴淋水的潤濕，使得碎片狀填料的棱角尖端被水鈍化，減小了氣體擾動，降低了氣體壓降。以上效果只要有水潤濕即可，而噴淋水過量，則水所占據的體積減小了填料間的空隙率，因此隨著噴淋量的增大，氣體阻力增大。另外，圖4b的壓降受噴淋影響比圖4a要大，這可能是由于膨脹蛭石為多孔物質，其持水量更大，導致空隙率下降更快的緣故。

對于生物陶粒的規律則不然，由于生物陶粒本身是橢球形，表面比較光滑，其表現為干、濕狀態對氣流壓降沒有顯著影響；由于生物陶粒空隙率較大，噴淋量較小時，水對空隙率的影響不顯著，而噴淋量較大時對空隙率產生影響。因此圖4c表現為干燥、濕潤與噴淋1壓力曲線接近重合，直到噴淋2才有壓力變化。總體而言，由于粒徑差異，在所有狀態下生物陶粒的壓降均小于天然沸石與膨脹蛭石。

2.3生物生長對流體力學特性影響

圖5　微生物生長后三種填料的壓降變化

生物滴濾池在間歇噴淋條件下掛膜生長1個月后，對三種濾料在掛膜后的壓降情況進行測量，得到壓降曲線見圖5。由圖5可見，三種濾料的壓降曲線與圖2比較，有以下異同：首

先生物陶粒的壓降仍然最低，但與干床與潤濕狀態比較，壓降增加較大；其次天然沸石與膨脹蛭石的壓降大大提高，膨脹蛭石壓降增加尤其明顯。這說明生物膜的生長，降低了填料的空隙率，由于生物陶粒顆粒較大，生物膜對其空隙率影響較小；相反膨脹蛭石為多孔性材料，持有生物量能力較大，再加上其顆粒本身較小，因此其空隙率的下降比天然沸石更加嚴重，導致其生物膜生長后壓降在三者中最大。

3　結　論

(1)壓降損失考慮，生物陶粒填料在各種條件下均表現出較好的流體力學性能；

(2)對碎片狀填料，填料潤濕可減小壓降損失，但噴淋量過大反而會增大壓降損失；

(3)生物膜生長會增加生物濾床的壓降損失，但對生物陶粒填料床，亞將增加不顯著。

[1]Daigger G T, Boltz J P. Trickling Filter and Trickling Filter-Suspended Growth Process Design and Operation: A State-of-the-Art Review[J]. Water Environment Research, 2011, 83(5): 388-404.

[2]席勁瑛,胡洪營, 羅彬,等. 不同填料生物濾塔凈化城市污水廠惡臭氣體研究[J]. 中國給水排水, 2010, 26(3): 1-3.

[3]Chen Y X, Yin J, Wang K X. Long-term operation of biofilters for biological removal of ammonia [J]. Chemosphere, 2005, 58(8): 1023-1030.

[4]Jiang X, Yan R, Tay J H. Reusing H2S-exhausted carbon as packing material for odor biofiltration[J]. Chemosphere, 2008, 73(5): 698-704.

[5]趙凱,李永海,李國兵. 生物滴濾法處理惡臭氣體的填料選擇[J]. 生物技術世界,2012，22(3): 53-54.

Hydrodynamics of Three Biological Trickling Beds with Inert Filters*

ZHOUChao1，WANGFu-rong1，HANShuai2，LUHong-xu2，DINGWen-ming2

(1 Shenzhen City Waste Disposal Center, Guangdong Shenzhen 518028；2 College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Using natural zeolite, expanded vermiculite and biological ceramsite as biological trickling bed fillers, in some running conditions such as dry and wet, spray amount, microbial growth, experiment of bed pressure drop vs gas flowrate data was carried out, and the pressure drop curve was obtained. Results showed that in various conditions biological ceramsite showed the best hydrodynamics performance. For the fragmented packing such as natural zeolite and expanded vermiculite, wetting can decrease the pressure drop loss, but spray volume would increase the pressure drop loss. Biofilm growth increased bed pressure drop loss, but for biological ceramsite packed bed the pressure drop increase was not significant.

trickling bed; inert filters; hydrodynamics

深圳市人居環境委員會科研基金項目(2013)。

周超(1982-)，男，工程師，主要從事環境污染治理工作。

X512

B

1001-9677(2016)03-0061-03