新型光催化生物流化床开发及性能评估

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新型光催化生物流化床开发及性能评估

吉栋梁１，２祝建中１陈龙３

(1、河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室及河海大学环境学院，江苏南京2100982、盐城市环保局，江苏盐城2240013、泛华建设集团有限公司南京设计分公司，江苏南京210019)

难降解有机废水对环境污染严重，对人及环境生物毒害性强，一直是水处理领域研究的热点。传统废水处理技术处理难降解有机废水均存在一定缺陷。本文结合光催化氧化技术对有机物分解快和生物法对简单结构有机物降解彻底性好、成本低、原位修复性强及循环流化床结构紧凑、操作简单、反应速度快等特点，开发一种高效、实际应用性强的新型复合水处理装置———新型光催化生物流化床，

并进行性能评估研究，为工业化应用提供理论依据。１新型光催化生物流化床开发１．１反应器关键结构设计在前人研究基础上，以内循环三相生物流化床为主体外挂光催化反应装置构成新型光催化生物流化床。该反应器详细设计涉及到反应器高径比、导流筒与反应器直径比、反应器横断面积和光催化反应装置四方面主要参数设定。

１．１．１反应器高径比设定。韦朝海研究表明，三相流化床内液体循环速度受反应器高径比影响较大，随表观气速增加，反应器内各相混合时间随高径比增加而明显增加，适当增加高径比可提高反应

器性能［１］

。朱家亮研究发现高径比影响流化床内气液循环流动型态，低高径比时为完全混合流，过低高径比上升区容易出现漩涡和返混且流体径向分布不均匀，高高径比时为推流型，下降区液速增大且

液体循环程度提高［２］

。升流区高度增加，反应器内液体循环速度加快，气泡循环路径增加，气泡聚合概率增大，较大的气泡造成气泡和液体之间接触面积下降，导致氧的传质能力降低，且高径比增大会引起反应器进出口压降差变大，增加能耗。因此，高径比不宜过大。

通常反应器高径比以３～５为宜［３，

４］，本研究设定高径比为５，设定反应器主体直通段高度为１０００ｍｍ，则反应器直径为２００ｍｍ。

１．１．２导流筒与反应器直径比设定。韦朝海等研究导流筒与反应器直径比对反应器内气含率的影响，分别取Ｄｒ／Ｄ为０．５０、０．５９、０．７４和０．８８进行实验。结果表明：气含率大小与Ｄｒ／Ｄ的比值成正相关性，随Ｄｒ／Ｄ变化而变化。但是，当气含率大到一定的程度时，开始出现大量的气泡溢出液面，造成降流区气含率下降，不利于整个

反应器的气含率的提升［５］

。朱家亮选取Ｄｒ／Ｄ为０．５、０．６、０．７、０．８和０．９五个工况，研究导流筒与反应器直径比对流化床液体循环的影响，结果表明：在气含率和循环流动阻力约束下，Ｄｒ／Ｄ可取０．６－０．８，

最佳值为０．７［２］

。因此，选取Ｄｒ／Ｄ＝０．７，已设定反应器直径为２００ｍｍ，则导流筒直径为１４０ｍｍ。

１．１．３反应器横断面积设计。针对不同底隙高度的内循环流化床反应器，相关研究表明导流筒截面积与底隙液体路径的面积比在０．４－０．８之间，可取到较好效果［６］。本设计采用锥角为６０°设置过流断面的内径（半径）为６９．２８ｍｍ，外径（半径）为１０３．９２ｍｍ，通过计算得面积比为０．６，符合最优断面条件。

１．１．４光催化反应装置设计。根据光源在反应器中的位置和光在反应器中的传递方式，光反应器可分为外置光源反应器和内置光源反应器两种。平板型和浅池型为常见外置光源反应器，因为效率低、费用昂贵等缺点难以工业化应用。因此，内置光源环形流化床反应器［７－９］是研究的热点。根据本反应器结构，本研究设置两个对称外挂式内置光源光反应装置。光催化反应装置外径设计考虑的主要因素为光催化反应装置与反应器主体的耦合性和催化光反应装置内的光催化效率。因此，光催化反应装置高度和外径均不易过大。本研究设定光催化反应装置内液体平均停留时间为２ｈ，则每个反应装置的体积为０．００５２５ｍ３，设定光催化反应器外径为１２０ｍｍ，则光催化反应装置高度为５００ｍｍ、光催化灯直径为３０ｍｍ。

１．２反应器基本结构

新型光催化生物流化床反应器采用高透明有机玻璃材质制造，为方便装卸与更换，用法兰连接内部构件，实体图如图１所示。具体结构尺寸为：反应器主体直径２００ｍｍ，高１５００ｍｍ，导流筒直径１４０ｍｍ，导流筒高度１０００ｍｍ；光催化筒直径１２０ｍｍ，高度５００ｍｍ，催化灯直径３０ｍｍ，高度４５０ｍｍ，与主反应器接口上端高度为８００ｍｍ处，直径６０ｍｍ。

图１新型光催化生物流化床实体图

新型光催化生物流化床反应器流体参数控制情况为：以恒流泵控制进水流量，控制水力停留时间；以空气泵曝气，用空气流量计控制空气流量，从而控制气水比。液相在升流区向上流，在降流区向下流，部分液相进入光催化反应区。新型光催化生物流化床反应器性能控制情况为：控制进水量来控制反应器的总水力停留时间；控制进气量大小控制反应器内气、水比，进而控制反应器内流化程度；控制反应器降流区与光催化反应区之间过连接通道大小，控制光催化反应区水力停留时间。

２新型光催化生物流化床性能评估研究２．１实验方案设计

向反应器内投加１．２７ｋｇ活性炭，计算得反应器内活性炭理论平均浓度为３０ｇ／Ｌ，设定反应器内通气量为３Ｌ／ｍｉｎ，进水量５ｍＬ／ｓ。具体实验方案设置如下：

２．１．１研究导流筒和反应器直径比的影响，设置导流筒高度为１．０ｍ，取Ｄｒ／Ｄ分别为０．６、０．７、０．８、０．９进行实验，通过收集反应器主反应区最高点液体中活性炭含量，测定导流筒内液体速度，分析导流筒和反应器直径比对流化状态影响。

２．１．２研究导流筒高度的影响，设置导流筒和反应器直径比为０．７，导流筒高度分别设置为０．６ｍ、０．７ｍ、０．８ｍ、０．９ｍ和１．０ｍ，通过收集反应器主反应区最高点液体中活性炭含量，测定导流筒内液体速度，分析导流筒高度对反应器内流化状态影响。

２．２实验仪器和试剂

新型光催化生物流化床反应器，自制，南京市有机琉璃加工厂

摘要：在前人研究的基础上，针对难降解有机废水处理过程中存在的缺陷，开发一种高效、实用性强的新型复合水处理装置———新

型光催化生物流化床，并进行性能评估。实验结果表明：最佳反应器结构为Ｄｒ／Ｄ比值为０．８；导流筒高度为０．９－１ｍ之间。

关键词：光催化；生物流化床；开发；

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