基于旋轉浮閥的復合曝氣器在曝氣池中的應用及CFD模擬

王斌杰，沈紹傳，姚克儉

（浙江工業大學化學工程學院，綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地，浙江杭州310032）

隨著我國城鎮化水平不斷推進，人們對水的需求量越來越大，對水質的要求也不斷提高[1]。而我國人均擁有的淡水量約為世界人均的1/4，排在世界第110位，是世界13個貧水國家之一，同時水資源污染嚴重[2-3]。因此污水處理對于國民經濟發展非常重要。目前污水處理主要采用生物處理法，曝氣裝置是生物法處理過程中重要的工藝設備之一，有資料顯示，曝氣系統電耗費用占整個污水處理系統運行成本的40%左右[4-7]，其曝氣性能對污水處理的工藝過程影響巨大[8-10]。因此，曝氣設備的改進是整個污水處理行業的重要研究課題。

在目前市場上的曝氣設備中，以微孔曝氣器為主。微孔曝氣器產生的氣泡較小，直徑為2mm 左右，因此氧的利用率較高[1]。但由于其自身特點以及安裝方式，在工業應用時微孔曝氣器之間的氣含率會低于曝氣器上方的氣含率[11]。張緒滿等[12]發現，與常規F1 浮閥塔板相比較，旋轉浮閥塔板的漏液分率降低了21.19%，霧沫夾帶量降低了50%以上。袁云峰等[13]發現旋轉浮閥塔板上的徑向氣含率分布比F1 浮閥塔板更均勻。詹宇木等[14]發現通過電機帶動閥片旋轉，可有效改善塔板上的局部氣含率分布情況。

本文將塔器中使用的旋轉浮閥應用到曝氣池中，利用旋轉浮閥能改善氣含率分布的優點嘗試解決微孔曝氣器存在氣含率分布不均勻的問題。利用充氧均勻性指數、氧總傳質系數、氧傳質速率、氧傳質效率和曝氣效率等性能參數評價曝氣器的充氧性能。通過CFD 模擬解釋實驗結果。為常規的污水處理提供一種新思路。

1 曝氣充氧實驗

1.1 試劑和儀器

無水亞硫酸鈉，AR，97%，南京化學試劑股份有限公司；六水合氯化鈷，AR，南京化學試劑股份有限公司。

溶氧儀，奧豪斯ST300D 型，測量范圍0.00～19.99mg/L，測量誤差±0.30mg/L。

1.2 裝置與實驗方法

實驗裝置見圖1，在尺寸為800mm×600mm×910mm的透明有機玻璃曝氣池內采用空氣-清水體系進行曝氣實驗。實驗過程中，空氣由離心鼓風機提供，經對夾式氣體孔板流量計從曝氣池底部進入氣室，穿過氣體分布板，進入旋轉浮閥，使之工作，氣量固定為30m3/h。6 個氣泡石均勻分布在旋轉浮閥四周，產生大小均一的小氣泡。由于旋轉浮閥的導向作用，氣體通過閥片后在閥片四周形成旋轉流場，增加氣泡在液層的停留時間，促進曝氣池內氣泡分布，減少曝氣傳質死區，提高曝氣效果。

圖1 曝氣實驗流程

實驗參考CJ/T 475—2015 標準[15]進行，分別對旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器、F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器和氣泡石曝氣器進行曝氣實驗。以旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器為例，該實驗流程如下：實驗前測量實驗用水的初始溶氧值，加水至288mm高度處。根據實驗用水的初始溶氧值計算無水亞硫酸鈉與六水合氯化鈷的使用量，投入藥劑使水中的溶氧值降至0.2mg/L 以下并保持不變。打開鼓風機與電磁式空氣泵使旋轉浮閥與氣泡石工作，加入已用無水亞硫酸鈉與六水合氯化鈷處理后的水至300mm處。同時開始計時，30min前每隔0.5min記錄一次曝氣池水中溶氧值，30min后每隔1min記錄一次溶氧值。當水中溶氧值達到飽和溶氧值的90%時，或5min 內水中溶解氧濃度基本保持不變時停止實驗，并將曝氣池內的水排出，每池水只使用1次。

旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器布置方式見圖2，在塔板中心安裝一個旋轉浮閥，在旋轉浮閥四周距離50mm 處均勻排布6 個氣泡石，使用電磁式空氣泵搭配氣泡石模擬代替微孔曝氣器。將旋轉浮閥與氣泡石組合命名為旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器，將F1 浮閥與氣泡石組合命名為F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器，將單獨的氣泡石稱為氣泡石曝氣器。在曝氣池中設置中心測量點和邊界測量點，用于檢測水中溶解氧濃度，在每個測量點的292mm、296mm高度處分別測量溶解氧濃度。

圖2 曝氣池俯視圖（單位：mm）

1.3 旋轉浮閥與F1浮閥的結構與特點

圖3 旋轉浮閥與F1浮閥結構

旋轉浮閥和F1浮閥的結構見圖3，旋轉浮閥的閥蓋為圓形閥，閥蓋直徑50mm，閥蓋四周間隔120°均勻排布3 個條形腿片以及3 個條形翅片。當氣體穿過塔板進入旋轉浮閥時，由于閥蓋的阻擋，氣流方向由垂直向上變為沿閥蓋徑向向外。經過翅片的導向作用，氣體從閥蓋與塔板之間的縫隙以螺旋狀流出[16]，從而起到促進氣體分布，減少傳質死區，提高充氧效果的作用。F1 浮閥與旋轉浮閥結構類似，閥蓋四周不存在條形翅片。當氣體通過閥片時不會在閥蓋四周形成旋轉流場。因此本文使用F1 浮閥與旋轉浮閥進行對比實驗，可考察旋轉浮閥形成的旋轉流場對曝氣實驗的影響，并且可以消除通過浮閥的氣體對曝氣實驗的干擾。

1.4 充氧均勻性指數

均勻性指數廣泛應用于流體流動和氣含率分布的研究中[17-18]，本文利用充氧均勻性指數[11]來評估曝氣池的曝氣充氧均勻性能，其定義見式(1)。

式中，Er是充氧均勻性指數；C′s1i是中心測量點處第i次曝氣實驗結束時的溶解氧濃度，mg/L；C′s2i是邊界測量點處第i次曝氣實驗結束時的溶解氧濃度，mg/L；N是實驗次數[11]。充氧均勻性指數越小代表氣泡分布越均勻。

1.5 常規性能指標

氧總傳質系數KLas、氧傳質速率SOTR、氧傳質效率SOTE、曝氣效率SAE 是國家標準《微孔曝氣器清水傳質性能測定》（CJ/T 475—2015）中用于評價曝氣器充氧性能的常規指標。

2 CFD模擬

2.1 數學模型

許多研究人員使用歐拉模型對曝氣池內的氣液兩相流進行數值模擬，均得到合理的結果[19-21]。因此本文使用歐拉模型模擬氣液兩相流，該模型的質量守恒方程和動量守恒方程見式(2)、式(3)。

式中，t表示時間，min；q表示相分區；α、ρ、u分別是q相的體積分數、密度（kg/m3）、速度（m/s）；p表示壓力，Pa；τ是剪切應力，Pa；g代表重力加速度，9.8m/s2；F表示相間作用力，N；本文只考慮曳力。

崔覺劍[22]利用CFD軟件對氣體流過折邊固定閥塔板后的流場進行了數值模擬。模擬結果表明，realizablek-ε湍流模型適合用于折邊固定閥塔板流場的數值模擬。因此本文流場模擬采用realizablek-ε湍流模型。該模型湍流動能k方程和湍動耗散ε方程見式(4)、式(5)。

2.2 物理模型與網格劃分

曝氣池物理模型以實際尺寸為基準，按比例縮小以減少后期網格劃分數量，經過簡化處理，建立三維模型，如圖4 所示。曝氣池模型采用長方體，尺寸為400mm×300mm×150mm。旋轉浮閥閥蓋為圓形，氣泡石布置在一個圓上，因此旋轉浮閥與氣泡石區域模型采用圓柱體。圓柱體高150mm，底面直徑分別為50mm、100mm。使用Mesh軟件對曝氣池物理模型進行網格劃分，如圖5所示。本文對中心區域模擬精度較高，在該區域采用非結構化四面體網格并進行加密處理，在其余區域采用結構化六面體網格，網格總數大約為368萬個。

圖4 曝氣池物理模型

2.3 條件設定

圖5 模型網格劃分和局部放大示意圖

本文使用ANSYS Workbench 19.0 軟件進行流場模擬。空氣與清水視為不可壓縮流體，忽略熱效應，出氣孔采用速度進口邊界條件，曝氣池頂部采用壓力出口邊界條件，曝氣管的管壁采用壁面邊界條件，四周壁面和底面均為無滑移邊界，在近壁面區域使用標準壁面函數；釆用有限體積法離散控制方程，采用二階迎風格式處理對流項，采用SIMPLE 算法處理壓力-速度耦合；亞松弛因子釆用默認值，收斂條件10-5。在相同模擬條件下，針對安裝的閥片分別為旋轉浮閥和F1 浮閥的兩種情境，模擬了氣體通過閥片后的流場分布以及整個曝氣池內的流場分布。

3 結果與討論

3.1 曝氣充氧均勻性能

當曝氣流量分別為1.0m3/h、2.0m3/h、3.0m3/h、4.0m3/h，測量高度為292mm，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器和F1浮閥-氣泡石復合曝氣器在中心測量點和邊界測量點處水中溶解氧濃度之差絕對值變化情況見圖6(a)～(d)。由圖6 可見，在不同氣量條件下，除了實驗初始階段，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器中心和邊界溶解氧之差絕對值始終低于F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器?？梢缘弥D浮閥-氣泡石復合曝氣器在中心和邊界的溶解氧濃度比較相近，說明旋轉浮閥使氣泡分散更均勻，在不同高度測量點處也有相同實驗結果。

圖7 為旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器和F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器的充氧均勻性指數比較。由圖7可見，在不同曝氣氣量條件下，在不同高度測量點處，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的充氧均勻性指數比F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器降低了44.1%～66.4%。這是因為氣體通過旋轉浮閥后會在閥蓋四周形成旋轉流場，增加液層擾動，使氣泡向曝氣池四周擴散，從而促進了氣泡分布。

3.2 綜合曝氣充氧性能

將氣泡石曝氣器加入對比實驗，考察了三種曝氣器的氧總傳質系數KLas、氧傳質速率SOTR、氧傳質效率SOTE和曝氣效率SAE。

圖6 不同氣量曝氣池中心與邊界溶解氧濃度之差絕對值對比

圖7 旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器和F1浮閥-氣泡石復合曝氣器的充氧均勻性指數比較

圖8 氧總傳質系數比較

圖9 氧傳質速率比較

圖10 氧傳質效率比較

圖11 曝氣效率比較

在曝氣流量分別為1.0m3/h、2.0m3/h、3.0m3/h、4.0m3/h 時，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器、F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器和氣泡石曝氣器的氧總傳質系數KLas、氧傳質速率SOTR、氧傳質效率SOTE 和曝氣效率SAE的對比情況分別見圖8～圖11。隨著曝氣流量從1.0m3/h增加到4.0m3/h，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器、F1浮閥-氣泡石復合曝氣器、氣泡石曝氣器的氧總傳質系數和氧傳質速率分別提高了68.0%、95.8%、91.3%，氧傳質效率和曝氣效率分別降低了61.5%、54.7%、30.0%。旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的氧總傳質系數與氧傳質速率比F1浮閥-氣泡石復合曝氣器提高了8.0%～27.2%，比氣泡石曝氣器提高了211.5%～255.6%，說明旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器充氧性能提高由兩部分構成，一部分是產生的旋轉流場帶來的充氧能力提高，另一部分是帶動閥片工作的氣體與液相發生傳質帶來的提高，且第二部分增量為主體部分。旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的氧傳質效率與曝氣效率比F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器提高了2.2%～18.6%，比氣泡石曝氣器減少了18.2%～58.4%，說明旋轉浮閥產生的旋轉流場增強了液層擾動，從而增加了氧傳質效率、曝氣效率，但由于通過旋轉浮閥的氣體流量較大，氣泡上升速度快，在液層中的停留時間短，且通過觀察實驗現象可以發現氣體通過閥片后以大氣泡的形式進入液層，氣泡比表面積小，消除了旋轉流場帶來的傳質增益效果。

3.3 氣體通過閥片的流場分布

圖12 為F1 浮閥的X-Y氣相流場速度矢量圖。由圖12 可見，當氣體遇到閥蓋的阻擋后流動方向由垂直向上改為沿著閥蓋徑向向外，在閥蓋四周未形成旋轉流場。圖13 是圖12 的局部放大截圖，從圖中可以更清晰地觀察到氣體的流動情況。

圖12 F1浮閥X-Y剖面氣相流場速度矢量圖（Z=0）

圖13 圖12局部

圖14為旋轉浮閥的X-Y氣相流場速度矢量圖。由圖14 可見，當氣體沿著閥蓋徑向向外流動時，受到閥蓋四周翅片的阻擋，氣體流動方向再次發生改變，由沿閥蓋徑向方向改變為沿閥蓋切線方向，并呈螺旋狀流出。圖15 是圖14 的局部放大截圖，從圖中可以更清晰地看到氣體流動方向的改變。

圖14 旋轉浮閥X-Y剖面氣相流場速度矢量圖（Z=0）

3.4 曝氣池內的流場分布

圖16 為F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器的X-Z剖面氣相流線圖，用流線模擬氣泡流動狀況。由圖16 可見，氣泡石產生的氣泡在F1 浮閥的影響下，只是略微往遠離閥蓋方向偏轉，然后上浮穿過液層。遠離曝氣石正上方的區域的氣含率仍然偏低，在曝氣池內存在傳質死區。

圖15 圖14局部

圖16 F1浮閥與氣泡石X-Z剖面氣相流線圖（Y=0）

圖17 為旋轉浮閥與單個氣泡石的X-Z剖面氣相流線圖。因選取6個氣泡石進行模擬后線條過于密集不利于模擬結果分析，故采用單個氣泡石進行說明。由圖17 可見，氣泡石產生的氣泡在旋轉浮閥的影響下，在曝氣池液層內發生劇烈運動，并且有32%氣泡流向了曝氣池四周。

圖17 旋轉浮閥與單個氣泡石X-Z剖面氣相流線圖（Y=0）

4 結論

本文通過曝氣實驗研究了旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的充氧性能，并與F1浮閥-氣泡石復合曝氣器、氣泡石曝氣器進行了實驗對比；利用CFD模擬了閥片下以及曝氣池內的流場分布情況，驗證了實驗結果。

（1）在不同曝氣氣量條件下，在不同高度測量點處，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器中心與邊界的溶解氧濃度差絕對值小于F1浮閥-氣泡石復合曝氣器，旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的充氧均勻性指數比F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器降低了44.1%～66.4%。

（2）旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的氧總傳質系數、氧傳質速率比F1 浮閥-氣泡石復合曝氣器提高了8.0%～27.2%，比氣泡石曝氣器提高了211.5%～255.6%；旋轉浮閥-氣泡石復合曝氣器的氧傳質效率與曝氣效率比F1浮閥-氣泡石復合曝氣器提高了2.2%～18.6%，比氣泡石曝氣器降低了18.2%～58.4%。

（3）CFD模擬結果呈現了旋轉浮閥對氣流的導向作用以及旋轉流場的形成過程。氣泡在F1 浮閥影響下并無劇烈運動，氣泡在水中傳質時間偏短，在遠離氣泡石垂直上方區域存在傳質死區；而在旋轉浮閥影響下，部分氣泡向曝氣池四周擴散，增加了氣泡在水中的停留時間，起到減少傳質死區、增加充氧能力的效果，解釋了充氧曝氣實驗結果。

（4）將旋轉浮閥應用于曝氣池中，可以改善氣泡分布，減少傳質死區，并且可以提高充氧能力，是具有一定潛力的曝氣器改進方法。但是，由于這是一種新方法，仍存在充氧效率較低的問題，需要進一步探索研究。

符號說明

Cs1i'—— 中心測量點處第i次曝氣實驗結束時的溶解氧濃度，mg/L

Cs2i'—— 邊界測量點處第i次曝氣實驗結束時的溶解氧濃度，mg/L

Ct—— 曝氣時間t的水中溶解氧濃度值，mg/L

Er— 充氧均勻性指數

F—— 相間作用力，N

g—— 重力加速度，9.8m/s2

KLas—— 氧總傳質系數，min-1

N—— 實驗次數

p—— 壓力，Pa

Q—— 氣體的實際流量，m3/h

q—— 相分區

SAE—— 標準狀態下的曝氣效率，kg/(kW·h)

SOTE—— 標準狀態下的氧傳質效率，%

SOTR—— 標準狀態下的氧傳質速率，kg/h

t—— 時間，min

u——q相的速度，m/s

α——q相的體積分數

ρ——q相的的密度，kg/m3

τ—— 剪切應力，Pa