固定化微生物反應器內氣液兩相流的CFD模擬與分析*

黃世釗 龍文娟 冼 萍 向 冰 張 映 吳林杰

(1.廣西大學a.化學化工學院；b.環境學院；2.廣西石化高級技工學校)

固定化微生物反應器內氣液兩相流的CFD模擬與分析*

黃世釗*1a龍文娟1a冼 萍1b向 冰2張 映1a吳林杰1a

(1.廣西大學a.化學化工學院；b.環境學院；2.廣西石化高級技工學校)

利用CFD軟件Fluent對固定化微生物反應器內曝氣頭不同安裝高度下的氣液兩相流進行了三維數值模擬。采用兩相流歐拉-歐拉模型和液相Standard-ε湍流模型，模擬獲得了x、z截面處的液速分布圖，并分析比較了4種方案下反應器內的液相速度和氣液兩相混合程度。結果表明：曝氣頭安裝高度450mm、微生物柱安裝高度370mm為最佳安裝高度。

固定化微生物反應器 氣液兩相流 曝氣位置 數值模擬 CFD

垃圾滲濾液是垃圾在堆放過程中受到雨水沖刷、地下地表水浸入和自身發酵而產生的一種具有有機物種類多、氨氮含量高及水質變化復雜等特點的難處理污水。傳統工藝處理垃圾滲濾液時，CODCr、NH4+-N指標很難達到國家污水排放標準。由于固定化微生物技術對處理垃圾滲濾液具有良好的效果，因此現已廣泛應用于焦化、煉油廠等工業廢水的處理中[1]。

固定化微生物反應器是一種以物理或化學方法固定化的細胞為催化劑，利用微生物代謝去除廢水中有機物的技術，具有運行簡單、高效低能等優點。反應器內良好的氣液相混合是提高微生物與氧氣充分接觸并發生物質傳遞的基本前提，但過大的混合將導致過大的剪切力，造成微生物破裂和反應不充分[2]。因此，合理控制反應器內的水力學條件是目前反應器設計面臨的一個重要問題。筆者采用計算流體力學CFD軟件，對實驗使用的固定化微生物反應器進行1∶ 1三維模擬，研究曝氣位置對反應器內氣液相混合程度和液相推流效果的影響，并對模擬結果進行實驗驗證。

1 物理模型

筆者模擬的是長方體固定化微生物反應器的內部氣液兩相流流動規律，反應器參數如下：

高度 650mm

初始液位 600mm

長度 782mm

寬度 185mm

曝氣量 5.5L/min

日進水量 29L

操作溫度 27℃

固定化微生物反應器的結構模型如圖1所示。采用長方體曝氣條進行曝氣，曝氣條長×寬×高為150mm×10mm×10mm，圓柱體微生物柱長150mm，半徑30mm，圓形進水口直徑30mm。

圖1 固定化微生物反應器的結構示意圖

為了保護微生物柱內的載體，將微生物柱安裝于曝氣頭下80mm處，根據曝氣頭不同安裝高度設計的4種模擬安裝方案見表1。

表1 模擬安裝方案 mm

2 數值模擬方法

2.1數學模型

Fluent中用于研究多相流的有歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法。在歐拉-拉格朗日方法中，離散相的體積分數很低，粒子運動軌跡的計算是獨立的，被安排在流體相計算的指定間隙內完成。在歐拉-歐拉方法中，不同的相被處理成互相貫穿的介質，各相的體積率之和為1[3]。

由于筆者模擬的是氣體-液體兩相流，其中一種相所占的體積無法再被其他相占據，故采用歐拉-歐拉方法。水為主相，氣體為離散相，氣相體積分數較低且氣體分布寬廣，采用混合模型。采用液相標準湍流(Standard-ε)模型，該模型適合完全湍流的流動過程模擬，適用于初始迭代、設計選型和參數研究，比RNGk-ε模型求解氣泡問題更為準確、更易收斂[4]。

2.2網格劃分和邊界條件

利用Gambit軟件建立固定化微生物反應器三維物理模型并劃分網格，反應器內部結構較為復雜，網格類型選用TGrid，這種網格形式對物理模型具有較強的適應性，網格尺寸內部間隔取值為10。

將反應器內氣-液-固三相簡化為氣-液兩相進行模擬，設定兩相為清水和空氣，清水為主相，空氣為離散相，離散格式時間倒數采用一階迎風格式，壓力速度耦合采用Simple算法。認定氣泡為單一尺寸，不考慮氣泡聚并與破碎。

邊界條件中，曝氣條四面采用質量流量進口，其值為0.12g/s，進水采用速度進口，流速為0.5mm/s。氣體從敞口反應器上部溢出，清水從方形溢流口流出，反應器頂部與大氣相連，空氣與清水出口采用壓力出口，反應器壁面采用非滑移壁面，初始條件下反應器內水的體積分數為1。

3 模擬結果分析

3.1反應器內液速分布

在反應器內，液相速度直接影響氣體的滯留程度、氧傳遞效率和氣液混合程度[5]。圖2分別為4種模擬方案下，截面x=0.06m處的液相速度矢量圖。

圖2 截面x=0.06m處的液相速度矢量圖

從圖2中可以看出，曝氣頭周圍液體在氣體帶動下隨氣體向池頂部運動，且具有較大的速度，由于液相流量守恒，液體在池內形成環流。方案A中，由于曝氣頭安裝高度過高，池內液體具有較大的環流速度，造成微生物破裂和反應不充分。方案C中，液體在微生物柱下方形成液相循環，但反應器內氣液相混合不夠充分，不利于反應器內氣液相傳質。方案B、D中，曝氣頭上部和左端近壁面處液體速度較大，反應池內形成了良好的液相循環，增強了氣液兩相間的混合程度。一方面使微生物處于懸浮狀態，增加了微生物與液相的接觸面積；另一方面有利于微生物在載體表面的固定化。

3.2反應器內推流效果

反應器內曝氣的作用是充氧、混合和推流，池內液相的流出方式是溢流，曝氣頭安裝高度不同，液相流態不同，液體推流效果也不同。圖3為4種模擬方案下，截面z=0.60m處的液相速度云圖。

圖3 截面z=0.60m處的液相速度云圖

從圖3中可以看出，氣泡帶動曝氣頭周圍液體一起上升，隨著壓力的降低氣泡體積逐漸膨脹并在水面處破裂釋放能量，因此，曝氣頭上方液體速度較大。方案A中，曝氣頭的安裝位置最高，液體出口處液體速度在0.28m/s以上，液體推流效果最明顯，但反應器內氣液混合過大。方案C的液體推流效果最差，出口處較小區域液體速度在0.13m/s以上。方案D中，曝氣頭的安裝位置最低，液體出口處部分區域液體速度很小，為0.045m/s且分布不均，不利于液體推流。方案B中，曝氣頭上方和近壁面處液體流速大，液體出口處大部分區域液體速度在0.13～0.21m/s之間，分布較平均，有利于液體的推流和氣液間傳質，液體推流效果最佳。

綜上，無論從反應器內的水力學條件還是從液相推流效果來看，方案B為最佳方案。

4 實驗驗證

為了驗證數值模擬結果的準確性與可靠性，筆者設計了一套實驗并對上述結果進行驗證。在曝氣頭4種模擬方案下，對反應器進行充氧，從零直至飽和，比較反應器內的氧傳遞速率與飽和溶解解氧值，實驗結果如圖4所示。

圖4 安裝高度驗證曲線

從圖4中可以看出，曝氣頭安裝高度越低，反應器內充氧直至飽和的速率越快。這是因為同樣的曝氣量下，安裝高度越低，氧氣在反應池內停留的時間越長，轉移到水中的氧氣就越多[6]。在鼓風曝氣系統中，氧的轉移系數隨著水深的增加而降低[7]，因此反應器內飽和溶解氧值隨水深增加逐漸降低。方案D中充氧飽和速率較快，但飽和溶解氧值較低；方案A中充氧飽和速率較慢且飽和值較低，這是因為安裝高度過高，氣體還未與水進行傳質就從敞口反應器上面溢出；方案B在充氧初期溶解氧值略低于方案C，但最終飽和溶解氧值略高于方案C，因此方案B增氧效果最好。

5 結束語

筆者應用Fluent軟件，對敞口長方體固定化微生物反應器內氣液兩相流進行了建模與數值模擬，得到曝氣頭在4種模擬方案(安裝高度)下的液相速度矢量圖與速度云圖，分析了反應器內的氣液兩相混合程度和推流效果。結果表明，曝氣頭安裝高度450mm、微生物柱安裝高度370mm為最佳安裝方案。為驗證數值模擬結果的準確性與可靠性，筆者設計了一套實驗并對數值模擬結果進行了驗證，結果表明，實驗結果與模擬結果一致，證明了仿真結果的可靠性，為固定化微生物反應器的設計和結構優化提供了參考。

[1] 溫麗麗,葉正芳,倪晉仁.UBF-BAF固定化微生物系統處理中老齡垃圾滲濾液的研究[J].應用基礎與工程科學學報,2008, 16(1):12～22.

[2] 沈耀良,黃勇,趙丹,等.固定化微生物污水處理技術[M].北京:化學工業出版社,2002:1～10.

[3] 張凱,王瑞金,吳立軍.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京:清華大學出版社,2010:142～143.

[4] 李春麗,田瑞,張維蔚,等.氣升式反應器氣液兩相流流態特性模擬[J].環境工程學報,2012,6(12):4333～4338.

[5] 陳光,周靖.不同孔眼數量下曝氣池中氣液兩相流數值模擬[J].水資源與水工程學報,2009,20(6):66～70.

[6] Barboza M,Zaiat M,Hokka C O.General Relationship for Volumetric Oxygen Transfer Coefficient(kLa)Prediction in Tower Bioreactors Utilizing Immobilized Cells[J].Bioprocess & Biosystems Engineering,2000,22(2):181～184.

[7] 湯利華,孟廣耀.水深對曝氣過程中氧總轉移系數的影響[J].同濟大學學報(自然科學版),2007,35(6):760～763.

CFDSimulationandAnalysisofGas-LiquidFlowinImmobilizedBioreactor

HUANG Shi-zhao1a, LONG Wen-juan1a, XIAN Ping1b, XIANG Bing2，ZHANG Ying1a, WU Lin-jie1a

(1a.CollegeofChemistryandChemicalEngineering; 1b.CollegeofEnvironmentalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China; 2.GuangxiPetrochemicalAdvancedTechnicalSchool,Nanning530031,China)

Adopting CFD Fluent software to three-dimensionally simulate gas-liquid flow within the immobi-

*黃世釗，男，1963年8月生，副教授。廣西省南寧市，530004。

*國家自然科學基金項目(21167003)。

TQ052

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2015-11-06)

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