工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中生物流化床的流化特性研究*

柳 瑤，宋協(xié)法**，梁振林，廉大曉，周 游

（1.中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003；2.山東大學(xué)威海分校漁業(yè)工程實驗室，山東 威海 264209）

生物過濾是養(yǎng)殖污水處理的關(guān)鍵部分。一般根據(jù)養(yǎng)殖系統(tǒng)對水質(zhì)、成本等的要求綜合考慮，確定所需生物過濾器［1］。旋轉(zhuǎn)式生物流化床（Cyclobio fluidized sand biofilters，簡稱CB FSB），是生物過濾器的一種，與其他生物過濾器相比，具有氨氮處理效率較高、比表面積大、占地面積相對小、不需反沖洗的優(yōu)點［2－3］，是一種具有競爭力和開發(fā)潛力的養(yǎng)殖污水處理裝置。

近年來，國內(nèi)關(guān)于流化床的研究主要集中在市政、工業(yè)污水處理方面［4－5］。國外，尤其是在北美等地，流化床已經(jīng)應(yīng)用于養(yǎng)殖污水處理［6－7］，如熱帶魚或者觀賞性魚類［8］，瀕危魚類［9］和彩虹鮭［10］等。處理養(yǎng)殖污水的流化床主要分為5種結(jié)構(gòu)［1］：層鋪礫石水平歧管或假底流化床、垂直歧管流化床和假底孔口分布板流化床、水平歧管流化床和旋轉(zhuǎn)式生物流化床。目前研究主要集中在前4種結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式生物流化床是2004年才提出的一種結(jié)構(gòu)，與其他4種類型相比，具有水頭損失小、能耗低的優(yōu)勢。關(guān)于此結(jié)構(gòu)的報道有：Summerfelt［1］研究了裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)行機(jī)理；Davidson［11］研究了CB FSB中由于生物膜形成導(dǎo)致床層膨脹的2種控制方法以及處理養(yǎng)殖污水的效率；張海耿等［12］探討了石英砂粒徑和初始床層高度對最小流化速度和膨脹率的影響。本文以應(yīng)用于養(yǎng)殖污水處理的CB FSB為研究對象，采用理論計算與實驗研究相結(jié)合的方法，研究不同填充高度和濾料特性對流化特性的影響，為CB FSB的設(shè)計和優(yōu)化及其工業(yè)化應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)簡介

1.2 實驗方法

實驗在內(nèi)徑19cm，床高134cm的有機(jī)玻璃制成的實驗室規(guī)模（Lab-scale）的CB FSB中進(jìn)行。模擬養(yǎng)殖污水為液相，分別以石英砂和陶粒為固相，實驗溫度22℃。研究不同填充高度和濾料特性對流化特性的影響。石英砂和陶粒的物性參數(shù)見表1。

圖1 模擬養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the recirculating system to treat synthetic aquaculture wastewater

表1 濾料的基本物性參數(shù)Table 1 Physical property of biological filter media

1.2.1 濾料粒徑的測定 在工業(yè)化應(yīng)用中，往往采用的是不同大小濾料的混合物。因此，在lab-scale實驗中也模擬工業(yè)化應(yīng)用。在濾料粒徑的選擇時采用篩分法［13］，孔隙率的測定采用充水法［14］。此外，在理論計算時使用的粒徑dp是指濾料群的平均粒徑珡D。Cleasby［15］提出的有效尺寸（An effective size）概念可用于計算濾料平均粒徑珡D。濾料平均粒徑的計算可采用算術(shù)平均值（Arithmetic mean）、幾何平均值（Geometric mean）以及調(diào)和平均值（Harmonic mean），根據(jù)Vuthaluru［16］和陳甘棠［17］的研究，本文采用了調(diào)和平均值。

其中：xi為每層篩網(wǎng)上篩留物的重量分率；dpi為每層篩網(wǎng)上篩留物的平均直徑。

1.2.2 空隙率的測定 顆粒與顆粒間的空隙體積與整個顆粒物料層體積之比稱為空隙率。采用充水法［15］測定。

1.2.3 流速的測定 水流流量的測定一般采用水桶測量［1］（Bucket testing）和流量計測量?？茖W(xué)實驗用流量計對準(zhǔn)確度有一定要求，要求等級在0.05級以上，本文采用水桶測量。

1.3 計算方法

1.3.1 流化狀態(tài)的識別 床層的流化特性隨流化狀態(tài)的變遷而改變，因此有必要識別流化體系處于何種流化狀態(tài)。根據(jù)濾料在流體中分散的均勻與否，可分為散式流化和聚式流化。Wilhelm和Kwauk［18］首先在實驗的基礎(chǔ)上提出了下述識別式：

1.3.2 最小流化速度的計算 最小流化速度（Minimum fluidized velocity，Umf）又稱起始或者臨界流化速度，是流化床設(shè)計和操作的重要參數(shù)。計算最小流化速度的方法很多［19］，最經(jīng)典的是Ergun方程：

對于球形濾料［16］，由Ergun方程推導(dǎo)出以下公式：

最近幾年來，我熟悉的很多作家朋友都拿起了毛筆，有的寫字，有的作畫，我覺得這是一個令人鼓舞的現(xiàn)象。我在網(wǎng)上或其他場所看到了這些朋友的墨跡，感嘆他們寫得真好，我要向他們學(xué)習(xí)。才氣所限，雖然不能成器，但通過學(xué)習(xí)，有些微進(jìn)步還是可能的。

其中：Umf為最小流化速度；ε為床層空隙率；dp為濾料粒徑；ρp為濾料密度；ρ為液體密度；μ為液體粘性系數(shù)；Remf為初始流態(tài)化時對應(yīng)的雷諾數(shù)；Ar為阿基米德數(shù)；g為重力加速度。

此外，Wen和Yu根據(jù)各種顆粒在廣泛范圍內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)得出一個經(jīng)驗公式，這是計算最小流化速度使用最普遍的公式［1，17－18］。這個公式只需要知道濾料的等價直徑Deq，濾料和流體密度ρ，流體黏性系數(shù)μ：

2 結(jié)果與討論

2.1 流化狀態(tài)的識別

以靜止高度（Static Height）SH＝42cm時3種粒徑的石英砂為代表，判斷流化體系所處的狀態(tài)。采用調(diào)和平均值法求得3種石英砂的平均粒徑見表2。將平均粒徑和實測最小流化速度帶入公式（2），計算（Fr）mf，三者依次為0.003 6、0.008 3、0.017，均小于0.13，流化體系屬于散式流化。理論計算與實驗觀察結(jié)果一致。此外，以往研究［17］表明：流體與固體密度差較小的體系易形成散式流化。一般，液固兩相流多為散式流態(tài)化［20］；氣固兩相流多為聚式流態(tài)化。這與本研究的結(jié)果一致。流化體系處于散式流化，說明流化床內(nèi)濾料均勻分布，并且在各個方向上做隨機(jī)運(yùn)動，床層中各部分密度幾乎相等，床層上界面平穩(wěn)而清晰。達(dá)到預(yù)期流化效果。

2.2 最小流化速度

以SH＝42cm時3種粒徑的石英砂為代表，分別采用Ergun方程和Wen和Yu經(jīng)驗公式計算最小流化速度，計算值見表2。結(jié)果表明，二者的計算值與實測值都存在相對偏差（Relative deviation）（dr＝｜U計算值－U實測值｜/U實測值×100%）。然而，Wen 和 Yu經(jīng)驗公式可能因為推導(dǎo)時條件差別較大，導(dǎo)致偏差較大，不適用于旋轉(zhuǎn)式生物流化床最小流化速度的預(yù)測。這與Summerfelt［1］研究中提到的Wen和Yu經(jīng)驗公式適用于預(yù)測傳統(tǒng)流化床最小流化速度的結(jié)果不一致。可能是因為用于養(yǎng)殖污水處理的傳統(tǒng)流化床包括多種進(jìn)水方式，其他幾種進(jìn)水方式比較相似，與經(jīng)驗公式較適應(yīng)，而旋轉(zhuǎn)式進(jìn)水方式差別較大。同時，由Ergun方程計算出的最小流化速度相對偏差明顯小于Wen和Yu經(jīng)驗公式，與實測值更接近。尤其是濾料粒徑較小時，偏差約控制在5%以內(nèi)。在養(yǎng)殖污水處理應(yīng)用時，濾料粒徑一般控制在0.1～0.7mm［1］。因此，濾料粒徑控制在恰當(dāng)范圍內(nèi)時，Ergun方程可以較好的預(yù)測最小流化速度。

表2 最小流化速度（Umf）實測值與計算值的比較Table 2 Comparison of theoretical calculating values and experimental values of minimum fluidized velocity

2.3 膨脹率與流速的關(guān)系

2.3.1 靜止高度對膨脹率的影響

圖2 石英砂床層膨脹率隨水流流速的變化Fig.2 The bed expansion varied with superficial water velocity of silica sand

圖2表示石英砂在不同靜止高度下（SH＝10、21、30和42cm）膨脹率與表觀流速的關(guān)系。圖2a是對每個靜止高度下膨脹率與表觀流速的關(guān)系進(jìn)行分析?？梢钥闯?，在所有的靜止高度下，膨脹率隨表觀流速的增大而增大，回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者不是簡單的線性關(guān)系，而是多項式關(guān)系。這與Vuthaluru［16］研究的用于酸性廢水處理的圓錐形反應(yīng)器得出的流速與膨脹率呈線性關(guān)系的結(jié)論不一致。這可能是因為裝置的形狀和進(jìn)水方式不同造成的。圖2b綜合所有靜止高度下膨脹率與表觀流速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖中可以看出，回歸分析的R2達(dá)到0.921 5。R2越大，膨脹率與流速的相關(guān)性就越高。說明表觀水流流速與床層膨脹率的關(guān)系不受靜止高度的影響。這與Vuthaluru［16］得出的結(jié)論一致。因此，在裝置設(shè)計中預(yù)測流速與膨脹率的關(guān)系時，無需考慮濾料的靜止高度。靜止高度的設(shè)定涉及到濾料填充率的問題，主要考慮裝置的利用率和負(fù)荷。一般，流化床中濾料填充率設(shè)置為37%±0.5%［11］。

2.3.2 濾料特性對膨脹率的影響 表征濾料特性的參數(shù)很多，但影響濾料流化特性的主要參數(shù)有：濾料的大小、密度、強(qiáng)度。下面分別加以討論。

圖3是采用3組不同粒徑的石英砂為濾料時膨脹率與表觀流速的關(guān)系（SH＝42cm）。從圖中可以看出，不同粒徑下，膨脹率都隨著表觀流速的增大而增大。此外，隨著濾料粒徑的增大，達(dá)到相同膨脹率，所需要的表觀流速也不斷增大。這與Summerfelt［1］應(yīng)用Dharmarajah和Cleasby模型通過圖表表示流速、膨脹率、粒徑三者之間的關(guān)系得出的結(jié)論一致。流化床應(yīng)用到養(yǎng)殖污水處理時濾料粒徑的選擇，主要考慮到兩個方面：濾料比表面積和能耗。根據(jù)球形濾料的比表面積公式Ss＝濾料的表面積/濾料的體積＝6/dp［17］可推斷，濾料粒徑越小，比表面積越大。應(yīng)用到流化床過濾器的濾料通過增加比表面積而提高污水處理效率，粒徑一般控制在0.1～0.7mm［1］。同時，濾料越小，需要的水流流速越小，水頭損失越小，系統(tǒng)能耗就越低。因此，需綜合考慮污水處理效率和能耗確定生物流化床中的濾料粒徑。

圖3 不同粒徑石英砂的流速與膨脹率的關(guān)系Fig.3 The comparison of relationship between expansion and velocity with different diameters silica sand

圖4比較了在相同的靜止高度下（SH＝42cm）和濾料粒徑范圍內(nèi)（0.85mm＜D＜1.15mm），分別以石英砂和陶粒為濾料時，膨脹率與流速的關(guān)系。從圖中可以看出，二者的膨脹率都隨表觀流速的增大而增大，但是在相同的流速下陶粒的膨脹率明顯高于石英砂的，而且流速越大，膨脹率之差越大。這是由濾料密度不同引起的。由此可以推斷，以陶粒為濾料時，達(dá)到相同的流化水平，系統(tǒng)能耗將明顯降低。而且，大量的研究已經(jīng)證明以陶粒為濾料時浸沒式生物過濾器的養(yǎng)殖污水處理效率優(yōu)于石英砂。因此，將陶粒作為濾料應(yīng)用到生物流化床中具有很大的開發(fā)潛力。然而，需要考慮的一個因素是濾料磨損。磨損的濾料將影響流化狀況，因此強(qiáng)度是流化床中濾料的另一個重要指標(biāo)。一般，要求磨損率每小時應(yīng)小于0.1%～0.5%（重量）［17］。而陶粒的強(qiáng)度明顯小于石英砂，如果能很好的解決陶粒的強(qiáng)度和濾料粒徑的問題，陶粒在生物流化床中可能得到廣泛的應(yīng)用。

圖4 石英砂、陶粒的流速與膨脹率的關(guān)系Fig.4 The comparison of silica sand and ceramsite of relationship between expansion and velocity

3 結(jié)論

針對養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)式生物流化床展開相關(guān)研究，得到以下結(jié)論：

（1）旋轉(zhuǎn)式生物流化床正常操作時處于散式流態(tài)化，濾料均勻分布，床層中各部分密度幾乎相等，床層上界面平穩(wěn)而清晰。

（2）濾料粒徑控制在恰當(dāng)范圍內(nèi)（0.1～0.7mm）時，Ergun方程可以較好地預(yù)測旋轉(zhuǎn)式生物流化床的最小流化速度。

（3）表觀水流流速與床層膨脹率的關(guān)系不受靜止高度的影響。

（4）濾料的大小、密度、強(qiáng)度是影響流態(tài)化特性的主要參數(shù)。膨脹率隨表觀流速的增大而呈非線性增長；濾料粒徑和密度越大，達(dá)到相同流化狀態(tài)所需要的流速越大，系統(tǒng)能耗越多。因此，在選擇濾料時，要綜合考慮污水處理的效率、系統(tǒng)能耗以及系統(tǒng)磨損。陶粒具有很大的開發(fā)潛力，但在陶粒的加工方面需要展開進(jìn)一步的工作。

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