生物流化床養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近些年來(lái)，隨著我國(guó)水資源越來(lái)越緊缺、加大環(huán)境污染控制力度以及人們對(duì)食品安全和品質(zhì)的要求增高，為實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖已成為一種趨勢(shì)。養(yǎng)殖污水處理是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的基礎(chǔ)，而生物過(guò)濾是養(yǎng)殖污水處理的核心。其中生物過(guò)濾器的準(zhǔn)確選擇又至關(guān)重要。因此，開(kāi)展生物過(guò)濾器的研究勢(shì)在必行。生物流化床（CB FSB）是一種極具開(kāi)發(fā)潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的生物過(guò)濾器。
　　本文采用理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)CB FSB

2、的流動(dòng)特性展開(kāi)研究，應(yīng)用于CB FSB的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及放大研究。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的模擬養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)。并分別研究CB FSB在淡水、海水系統(tǒng)中生物過(guò)濾功能的啟動(dòng)過(guò)程，以及操作條件對(duì)養(yǎng)殖污水處理效果的影響。期望數(shù)值模擬的應(yīng)用可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模型試驗(yàn)，達(dá)到節(jié)約研究成本、縮短試驗(yàn)周期目的；而實(shí)驗(yàn)研究為CB FSB在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。研究?jī)?nèi)容主要分為五部分：
　　1.采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，研究CB

3、FSB內(nèi)部流態(tài)、最小流化速度以及流速與膨脹率的關(guān)系。研究表明：CB FSB正常運(yùn)行時(shí)，床體內(nèi)部處于散式流態(tài)化，濾料均勻分布，床層上界面平穩(wěn)而清晰。濾料粒徑控制在恰當(dāng)范圍內(nèi)（0.1-0.7mm）時(shí)，Ergun方程可以較好的預(yù)測(cè)CB FSB的最小流化速度。表觀水流流速與床層膨脹率的關(guān)系不受濾料靜止高度的影響。濾料的大小、密度、硬度是影響流態(tài)化特性的主要參數(shù)。膨脹率隨表觀流速的增大呈非線性增長(zhǎng)；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

4、越大，系統(tǒng)能耗越多。因此，在選擇濾料時(shí)，要綜合考慮污水處理的效率、系統(tǒng)能耗以及系統(tǒng)磨損。
　　2.為確保數(shù)值模擬與實(shí)際情況相符，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，探討模擬過(guò)程中理論模型的設(shè)置，包括：濾料在CB FSB中的受力、多相流模型、湍流模型。著重研究濾料粒徑的確定和曳力模型的選擇對(duì)模擬結(jié)果的影響。研究表明：在CB FSB液固兩相流的數(shù)值模擬過(guò)程中，采用歐拉兩相流模型為多相流模型，RNG k-ε模型為湍流模型，Gidaspo

5、w為曳力模型，Syamlal-Obrien為顆粒粘度系數(shù)，石英砂顆粒粒徑設(shè)為0.55mm時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)際情況最相符。因此，將以上結(jié)果作為研究其他工況時(shí)數(shù)值模擬的基本設(shè)置。此外，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬結(jié)果比較，還發(fā)現(xiàn)：在較低流速下，膨脹率實(shí)驗(yàn)值小于模擬值；在較高流速下，膨脹率實(shí)驗(yàn)值大于模擬值。因此，流量控制在離實(shí)測(cè)與模擬交叉點(diǎn)越近的范圍，模擬與實(shí)測(cè)的誤差越小。一般，流化床膨脹率的操作范圍恰好分布在離交叉點(diǎn)最近的距離，模擬結(jié)果誤差很小，在5

6、-15％。
　　3.采用數(shù)值模擬與正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)CB FSB的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)：錐高、錐距、縫寬進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在等比放大理論基礎(chǔ)上對(duì)半工業(yè)化規(guī)模CB FSB的內(nèi)部流動(dòng)特性做出初步探討。研究表明：各結(jié)構(gòu)參數(shù)錐高、錐距、縫寬對(duì)膨脹率的影響程度依次減弱。將膨脹率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合為：錐高6cm、錐距1.5、縫寬0.1cm。優(yōu)化后CB FSB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，布水效果更好。石英砂顆粒不僅徑向分布均勻，而且在

7、軸向上也分布均勻。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的CB FSB，性能明顯提高，膨脹率平均提高約18.3%。半工業(yè)化CB FSB床層膨脹率隨進(jìn)水流量也呈線性關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模CB FSB中相似。通過(guò)預(yù)測(cè)放大裝置的膨脹率與流量關(guān)系，可指導(dǎo)放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中流量的控制以及水泵的匹配。結(jié)合以上三章研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的CB FSB模擬養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)，進(jìn)行制作樣機(jī)。進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的養(yǎng)殖污水處理效果。
　　4.采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法，研究

8、CB FSB生物過(guò)濾功能啟動(dòng)過(guò)程中氨氮、亞硝態(tài)氮等指標(biāo)的變化趨勢(shì)以及系統(tǒng)啟動(dòng)完成的時(shí)間，并比較了淡水和海水系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程。為CB FSB在生產(chǎn)實(shí)踐中的生物過(guò)濾功能的啟動(dòng)提供技術(shù)支撐。研究表明：結(jié)合氨氮去除率和亞硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)，作為判斷CB FSB的生物過(guò)濾功能啟動(dòng)過(guò)程完成與否的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，淡水與海水養(yǎng)殖污水處理系統(tǒng)相比，CB FSB生物過(guò)濾功能的啟動(dòng)過(guò)程中各物質(zhì)的變化趨勢(shì)相似，只是時(shí)間上有差異，淡水和海水系統(tǒng)生物過(guò)濾功能啟動(dòng)完成的

9、時(shí)間分別為54天（約8周）、73天（約10周）。同時(shí)，由于本研究中配置底物濃度較低，二者的最終處理效果也無(wú)明顯差異。啟動(dòng)完成的生物過(guò)濾器的氨氮日均降解率達(dá)到823g/m3.d。另外發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)生物除磷效果較弱，還有硝態(tài)氮積累現(xiàn)象，建議與其他類(lèi)型的生物過(guò)濾器聯(lián)合使用才能徹底體現(xiàn)系統(tǒng)的污水處理效果。
　　5.采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法，研究操作條件（膨脹率和C/N）對(duì)系統(tǒng)處理污水效果的影響。研究表明：膨脹率在50%-100%的范圍內(nèi)時(shí)，抗沖擊負(fù)

10、荷能力和污水處理效果均隨著膨脹率的增大而增強(qiáng)。膨脹率為100%時(shí)，CB FSB的抗沖擊負(fù)荷能力最強(qiáng)，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的單位體積總氨氮轉(zhuǎn)換率高達(dá)881.3g/m3.d。隨著C/N的增大，系統(tǒng)處理養(yǎng)殖污水能力降低；除無(wú)機(jī)磷外，出水中其他物質(zhì)的濃度均升高，即水環(huán)境越來(lái)越不利于養(yǎng)殖對(duì)象的生長(zhǎng)。膨脹率為100%，進(jìn)水氨氮濃度為3.5mg/L，C/N在0-2時(shí)，單位體積氨氮去除率VTR達(dá)到823-881g/m3.d。高于冷水養(yǎng)殖系統(tǒng)中同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)室和工