循環推流式固定化微生物反應器內部流場數值模擬與結構優化*

黃世釗

(1. 廣西大學 a. 化學化工學院；b. 環境學院；2. 廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室；3. 廣西石化高級技工學校)

目前，固定化微生物技術在我國廢水治理和工業、生活污水原位修復領域中還未得到廣泛應用，原因在于現有的固定化微生物裝置不能為微生物提供一個良好的生存環境，微生物流失量大，利用率低[1]；再者，對于固定化微生物反應器的研究設計目前還沒有成熟的理論和方法，由于影響反應器性能的結構因素較多，因此很難通過實驗進行全面的分析和研究。隨著計算機技術的不斷發展和進步，計算流體力學(CFD)成為繼理論流體力學和實驗流體力學之后的又一重要研究手段[2]。CFD軟件不僅可以就影響固定化微生物反應器性能的結構因素(如曝氣頭安裝高度)進行研究，還可以觀測反應器中流體的流動和速度分布情況。

Fluent軟件是目前應用最廣泛的CFD軟件之一[3]，針對每一種流體流動的特點，采用合適的數值解法以在速度計算、穩定性及精度等方面達到最優。Fluent率先采用的非結構化網格和基于解的自適應網格技術，使得用戶可自由選擇網格類型來劃分復雜的幾何區域。該軟件支持不同前處理軟件導入，可自由導入如AutoCAD、UG、Pro/E及Solidworks等繪圖軟件所生成的幾何模型。Fluent軟件被廣泛應用于流體機械的數值模擬中[4，5]。

1 循環推流式固定化微生物反應器

1.1反應器結構

反應器采用圓筒型結構，由下至上依次為進水區(Ⅰ)、微生物發生區(Ⅱ)、微生物混合區(Ⅲ)和曝氣出水區(Ⅳ)。進水區由反應器底端進水口和沿反應器壁布置的多排圓形進水孔組成；微生物發生區內設置固定化微生物柱，該封閉鏤空的微生物柱內填充有固定化微生物載體，并沿微生物柱中軸線安裝曝氣吹脫管，使其與微生物柱進氣管連接；反應柱頂端到盤式曝氣頭底部的區域是微生物混合區；曝氣出水區設置有盤式曝氣頭，其下端與曝氣頭進氣管連接。整個反應系統的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 循環推流式固定化微生物反應器系統工藝流程簡圖

1.2反應器的工作原理

一般地，投入工程運用的微生物修復技術通常采用的是直接加注固定化的微生物制劑[6]，同時配合水面曝氣的修復方法。但這種應用存在固定化微生物菌劑投入大、流失大及微生物集群分布不均勻等不足。固定化微生物反應器是在固定化微生物基礎上的創新，其核心是固定化微生物柱。

封閉鏤空的外殼既有利于保護微生物不受水流沖刷，又有利于被催出的微生物均勻地進入水體，在混合區進行代謝反應。出水采用氣提法[7]，通過盤式曝氣頭曝氣形成軸向推力，提升水流并產生循環的推流動力，進而與外環境形成完整的水循環。該水循環推流技術可以使微生物在整個水體中得到均勻分散，強化微生物對水體的修復能力。

根據氣泡流體力學的密集鼓泡原理[8]，氣體通過曝氣頭后會在反應器內形成尺寸均勻的氣泡；同時為了增大氣體和液體的接觸面積，在相同流量下，產生的氣泡直徑要盡可能小。反應器在工作時，微小的氣泡在上升過程中不斷變大，到達水面時產生破裂，此時水流上升并填補破裂的空間，并從頂端出水口流入外環境[9]。因此，保證小氣泡均勻分布且不重疊，反應器內水流上升的同時減少激蕩是反應器設計的關鍵指標。根據反應器的工藝要求，改變曝氣頭距離底端的高度，數值模擬反應器內的流場形態，通過對模擬結果進行分析和實驗驗證，得出最適合的曝氣頭安裝高度。

2 CFD仿真過程

2.1物理模型與計算域

固定化微生物反應器物理模型的主要參數如下：

圓筒高度H1820mm

圓筒直徑D1300mm

微生物柱高度H2250mm

微生物柱直徑D2100mm

微生物柱安裝高度h′ 200mm

曝氣頭半徑Dg180mm

進水孔徑Dw20mm

進水孔個數 140

進氣量Qg3L/min

反應柱內充滿固定化微生物載體，可將其簡化為固體模型。反應柱內通入空氣量很小(0.6L/min)，僅用于催脫出微生物，對反應器內部流場幾乎無影響，故進氣量忽略不計[10]。由于該反應器是回轉體，可選取物理模型的中心截面作為仿真的幾何計算域，用二維幾何模型代替三維物理模型簡化計算[11]。根據曝氣頭安裝高度h(510、580、650mm)的不同設計3種方案(方案A、方案B、方案C)，并對3種方案建立物理模型。

2.2網格劃分

采用四邊二維網格對反應器筒體和微生物柱計算域進行網格劃分，這種網格對物理模型的適應性較強，有利于模型求解且計算速度較快[12]。考慮到曝氣頭上端呈圓弧狀，采用三邊二維網格有利于該計算域的網格劃分和模型求解。3種反應器結構設計方案網格劃分如圖2所示。

2.3邊界條件與參數設置

在Fluent前處理軟件Gambit中對固定化微生物反應器模型設置邊界條件，水的入口均設為壓力邊界，空氣入口設為速度邊界，混合后流體出口設為壓力邊界。根據Fluent中多相流模型的特點，考慮離散相與連續相之間的速度差和兩相之間的相互作用，選擇Mixture模型下的標準k-ε雙方程模型進行計算，主項為液相，次相為氣相，流體介質體系為水-空氣。初始液位高度為820mm，空氣入口流量為3L/min。壁面效應采用標準壁面函數，用一階迎風格式對方程離散，采用PISO(Pressure Implicit Splitting of Operator)算法和隱式分離式求解器對離散方程求解。速度壓力耦合方式采用Phase Coupled Simple算法進行非穩態計算。設置殘差監視器，當能量殘差低于10-6、其他變量殘差低于10-3時認為結果收斂。

圖2 固定化微生物反應器網格劃分

3 CFD仿真結果分析

分別對3種微生物反應器結構進行CFD仿真，各個方案均達到收斂要求，所用迭代步數分別為185、235、243步，達到收斂條件，得到3種反應器流場速度分布云圖如圖3所示，速度矢量圖如圖4所示。

圖3 反應器流場速度分布云圖

圖4 反應器流場速度矢量圖

根據反應器的工作原理，氧氣進行質量轉移的效率主要由氧氣和水接觸的效果決定。在空氣進氣量、氣泡直徑和壓力相同的情況下，保證氧氣和水高效接觸可以大幅提高溶解氧效果[13]。由圖3可知，3個設計方案中，水流速度較高的部分集中在曝氣頭周圍直至出水口；由圖4可知，方案A中曝氣頭上方出現很大的漩渦，從而使出水口的速率降低，循環效果受到影響。方案C中反應器流場內形成完整的循環流型，但由于曝氣頭距離出水口較近，曝氣產生的軸向力不能充分帶動水流上升，從而影響出水口的水流速度。綜合以上，仿真結果反映出方案B的設計最為合理，既能充分地進行氣體與水之間的質量交換，又能保證反應器內流場的循環。

4 驗證CFD仿真結果

4.1實驗原理

實驗裝置流程如圖5所示。基于本實驗對反應器內流體流型的探究，故采用自來水作為考察介質。通過曝氣向液相供給溶解氧。氧在氣相與液相之間的轉移遵循雙膜理論，即在氣液兩相界面存在著兩層膜(氣膜和液膜)的物理模型[14]。氧在膜內總是以分子擴散方式轉移，其速度總是慢于在混合液內發生的對流擴散方式的轉移。所以只要液體內氧未飽和，則氧分子總會從氣相轉移到液相。

圖5 實驗裝置流程

4.2實驗方法與數據處理

通過曝氣裝置對清水進行充氧，利用溶氧分析儀定時定點測定流體的溶氧值。為避免溶氧值的測定受氣液兩相湍流的影響，選擇反應池底部P點(圖5)為測試點，每5min讀取一次溶氧值，直至其達到飽和。實驗所得數據由Origin生成曲線，如圖6所示。

圖6 驗證結果曲線

由圖6可知，相對于方案B而言，方案A溶氧值增加速度和最終溶氧值均較低，達到最終溶氧值的時間也較長，這是由于水流在受到軸向推動力并向上運動時，氣體在未到達液面就產生了破裂，從而在曝氣頭上方產生較大的漩渦，這樣的水流動蕩不利于水流完成循環過程；方案C的溶氧值增加速度較快且達到最終溶氧值的時間也較短，但最終增氧速度略小于方案B，這是由于水流與氣體的接觸時間較短，不能進行充足的氧交換。實驗結果證實，方案B的反應器結構增氧效果最好，說明該結構的流體循環最好，這與CFD仿真數值模擬的結果吻合。

5 結束語

對于設計的循環推流式固定化微生物反應器，通過建立合理的計算模型，正確運用Fluent軟件對3種設計方案進行數值模擬，可以準確地模擬出該反應器內部流場的流動情況，并得到速度分布云圖和速度矢量圖。通過對數值模擬結果的分析，得出最優設計方案，實驗結果與模擬結果一致，證明仿真模擬過程的可靠性和反應器結構優化的準確性。這為研發并設計固定化微生物設備提供了依據，具有重要的推廣意義。

[1] 韓士群，范成新，嚴少華.固定化微生物對養殖水體浮游生物的影響及生物除氮研究[J].應用與環境生物學報，2006，12(2)：251～254.

[2] 房燕，曹廣斌，韓世成，等.基于Fluent的工廠化水產養殖增氧錐數值模擬及結構優化設計[J].江蘇農業科學，2013，41(4)：355～358.

[3] 韓占忠，王敬，蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006：4～10.

[4] 于靜梅，李頌，郝俊忠.離心式風機流動熱性的數值分析[J].流體機械，2011，39(9)：34～37.

[5] 常玉蓮，李振海，高勝，等.增壓泵換向滑閥間隙密封仿真研究[J].流體機械，2010，38(11)：17～20.

[6] 周林成，李彥鋒，侯英鳳，等.大孔載體固定化微生物處理污水研究[J].離子交換與吸附，2007，23(6)：531～539.

[7] 梅詩宇，任健，祝鈴鈺，等.氣提法脫除廢水中的丙烯腈[J].化工進展，2010，29(7)：1201～1204.

[8] 郭烈錦.兩相與多相流動力學[M].西安：西安交通大學出版社，2002：279～449.

[9] 程軍明，吳偉烽，聶娟，等.氣泡在靜水中上升破裂產生射流特性的數值模擬[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2014，35(5)：513～517.

[10] 楊汶雨，張喆，袁景淇，等.氣升式反應器結構參數優化設計CFD仿真研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版)， 2009，32(9)：1301～1303.

[11] 施漢昌，溫沁雪，白雪.污水處理好氧生物流化床的原理與應用[M].北京：科學出版社，2012：143～150.

[12] 李東耀.基于Fluent軟件的流化床的氣固兩相流模型研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[13] 王福軍.計算流體力學分析[M].北京：清華大學出版社，2006：113～121.

[14] Simon J，Claire J.The MBR Book：Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment [M].Amster-dam:Elsevier，2011：38～41.

[15] 丁姍姍，曹順安，胡家元，等.鍋爐給水處理中的化學除氧劑[J].工業水處理，2010，30(4)：17～21.