環流重數對生物流化床液相流場和氧傳質特性的影響

董 亮，曾 濤，徐銀香，崔亞輝，趙 桐

(1.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048；2.南充職業技術學院機電工程系，四川 南充 637131；3.四川輕化工大學機械工程學院，四川 宜賓 644002)

生物流化床是將化工領域的流化床技術應用于廢水處理，利用液體或氣體通過填料層而使填料處于懸浮流化的運動狀態，實現填料流態化的生物反應器[1-2]。廢水流經沸石、活性炭和多孔高分子聚合物等填料經吸附和生化作用去除其中的污染物，實現廢水凈化。生物流化床的主要優點是固-液兩相流的混合強度高、能夠提供好氧微生物生長和富集的載體及介質、生化反應速率快等，可應用于生活污水以及石化、印染、涂裝、農藥等工業廢水的高效處理[3-4]。已有研究和試驗表明：現有生物流化床的實際運行效果并不理想，升流區固-液接觸面摩擦較弱，使得填料與液相的動態湍流性較差，相間傳質效率較低；填料表面的生物膜新舊菌體更新速度慢；部分輕質填料順重力場沉降速度慢，易聚集在流化床的頂部，導致填料在床內分布嚴重不均勻。針對上述缺陷[5-6]，優化設計生物流化床的結構參數使之固-液兩相間相對流動速度差和系統能耗達到最佳平衡點是進一步提高生物流化床廢水生物處理效率的兩大核心問題，并已成為當今國內外生物流化床的主流研究方向[7]。

生物流化床結構參數的優化設計主要包括外形結構和內構件兩方面。Drake等[8]通過大量的研究發現，生物流化床的結構參數直接影響著廢水生化處理過程中的效率，其主要的結構參數包括高度/直徑之比、降流區/升流區面積之比、導流筒與流化床底部的低隙高度、導流筒與自由液面的高度、環流重數等，通過優化這些結構參數可開發出高性能的生物流化床[9-11]；麥禮杰等[12]將開發的四邊形生物流化床的底隙區置入十字擋板后，使其液相循環速度最大提升了15.7%，在升流區截面上的分布更加均勻，而液相循環速度峰值下降，將有利于維持活性污泥的團聚作用，進一步提高生物流化床污泥負荷；Heyouni等[13]研究發現，在廢水處理反應器中置入內構件，能夠有效地使氣泡潰滅幾率增加，進而提高其氧傳質效率。近年來，隨著新型生物流化床的研制與優化，通過生物流化床內置入內構件，可有效地增加氣-固-液相間的紊流強度，進而使氣-固-液相間傳質效率提高。

生物流化床的動力學研究[14-17]大多運用壓差法、光纖探頭測速法和計算流體力學(CFD)方法等，這些方法能較好地揭示生物流化床的動力學特性,但浸入式測試技術存在標定曲線具有不確定性、時空分辨率低和對流場干擾較大等問題；CFD雙流體模型忽略了散布相的離散特質，將其作用近似地等同于連續相，通常簡單地假設所有散布相粒子(空泡、霧滴或固體粒子)的大小都相同，因此模型的準確度不高。隨著試驗流體技術的完善與發展，激光粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)技術成為了流體流場顯示技術[18-20]的試驗手段之一，其原理是向流體中散布示蹤粒子，利用激光照射流場片光平面的示蹤粒子熒光顯示，同時在片光平面的垂直方向設置CCD相機捕捉粒子圖像，并利用計算機采用先進的算法比較分析兩張圖像獲得粒子的位移，進而計算得出生物流化床局部流場的速度矢量圖。PIV技術具有非接觸、無干擾和精度高等優點，是目前流體測量領域最常用的方法。結合課題組前期的研究成果[21]，本文結合PIV和溶解氧在線測試技術對四邊形折流式膜生物流化床的一重、二重和三重環流流場結構和氣液傳質效率等特性進行分析，從流體力學和氧傳質角度定義多重環流。

1 試驗裝置系統和方法

1.1 試驗系統介紹

試驗測試系統如圖1(a)所示，由四邊形折流式膜生物流化床、PIV系統(與文獻[22]試驗系統相同)、進出水系統和曝氣系統等部分組成。生物流化床結構尺寸為300 mm(長)×150 mm(寬)×950 mm(高)的透明玻璃體，總容積為42.75 L，折流板的底隙高為72 mm，導流錐傾斜角度為35°，如圖1(b)和圖1(c)所示。膜組件采用聚偏氟乙烯材質制成的中空纖維膜超濾膜，平均孔徑為0.1～0.2 μm，尺寸為40 mm×300 mm。曝氣管管徑為5.8 mm，并將3個曝氣條均勻布置在生物流化床底部，單個曝氣條尺寸為100 mm(長)×20 mm(寬)×23 mm(高)。測試中為了防止曝氣條和膜組件的擺動，將曝氣條固定在膜組件正下方的生物流化床底部，膜組件采用自制微型T型支架固定，同時曝氣條和膜組件布置在同一軸線上，微型T型支架對液相的影響可以忽略。

圖1 生物流化床PIV三相流可視化試驗測試系統

1.2 PIV拍攝分區與全局流場實現

為了實現生物流化床全局流場特性的呈現，測試中依次對生物流化床標定的上部、中部和下部區域進行拍攝，并將分區拍攝的流場速度矢量圖進行拼接，最終實現生物流化床的全局流場特性。由于生物流化床下部區域導流錐對激光的阻擋以及氣泡中部和上部區域流態極其復雜，因此分區拍攝測試分為3次：第一次和第二次拍攝生物流化床上部和中部區域，如圖1(d)所示；第三次拍攝生物流化床下部區域，如圖1(e)所示。試驗中激光光源從生物流化床的左側進入，CCD相機放置在正面，垂直于激光片光源方向；因CCD相機的拍攝范圍有限，故流場測量區域在保證獲得較高分辨率的前提下，拍攝區域選擇為上部300 mm×275 mm、中部300 mm×273 mm和下部300 mm×115 mm，如圖1(d)和(e)所示。激光斷面選取距膜面15 mm的激光斷面位置，如圖1(f)所示。

1.3 PIV三相流可視化試驗

本次PIV三相流可視化試驗填料采用凈水用椰殼活性炭，粒徑約為0.4～2.8 mm，堆積密度為604 kg/m3。該PIV試驗誤差的消除包括光的折射、氣泡、示蹤粒子、系統誤差、人為因素的操作誤差等[23-25]，示蹤粒子選用配套的PMMA-Rhodamine B-Particles，粒徑為20～50 μm，試驗濃度控制在100 mg/L。該粒子具有對流場良好的跟隨性，對液相的速度和黏度的影響可以忽略。結合前期的PIV阻擋概率試驗和本次試驗范圍，為了保證獲得較高的分辨率，選取填料填充的密度為0.4%，試驗用水采用自來水，同時為了防止填料對示蹤粒子的影響，每2 h更換一次活性炭及用水。

本次PIV試驗在曝氣強度分別為0.4 m3/h、0.6 m3/h、0.8 m3/h、1.0 m3/h、1.2 m3/h和1.4 m3/h，進出水流量固定為7.965 L/h的組合工況下依次進行，試驗有效容積為33.75 L，即有效水深為750 mm。結合生物流化床多重環流設計相關文獻[26]和四邊形折流式膜生物流化床的研究基礎，同時考慮流場特性的對比分析，二重環流生物流化床上部截斷長度為100 mm，環流縫隙長度為50 mm；三重環流生物流化床上部截斷長度為100 mm,中部截斷長度為50 mm，兩個環流縫隙長度為50 mm，如圖2所示。氧轉移系數(KLa)測定方法和氧轉移效率(Eo2)試驗原理與文獻[22]相同，將生物流化床升流區和降流區的氧傳質測定試驗分開進行，同時為了防止氣泡和填料對探頭的影響，溶解氧探頭的朝向與流體方向一致。

圖2 不同環流重數下的生物流化床構造簡圖

2 試驗結果與分析

2.1 生物流化床液相速度特分析

PIV屬于試驗流體技術，具有非接觸、無干擾和高精度等優點，但是對比CFD，其在試驗過程中存在局限性：當反應器尺寸較大時，CCD相機無法拍攝全局流場；多相流中PIV可視化難度較大；反應器優化設計時，需要大量制作反應器，試驗成本較高。 針對上述不足，本文通過分區拍攝和拼接很好地實現了生物流化床的全局液相流場特性呈現，圖3給出了不同環流重數和曝氣強度下生物流化床液相速度矢量圖。

由圖3可以看出：

(1) 拼接生物流化床全局液相流場特性整體具有良好的連貫性；流場沒有大量空白，多相流可視化較好；參考生物流化床多重環流設計相關文獻[26]，選取具有代表性的一重、二重和三重環流生物流化床結構進行對比，能有效地解決試驗成本較高的難題。

(2) 當生物流化床的結構不變時，圖3(a)、(d)、(g)、(j)、(m)、(p)呈現了不同曝氣強度下一重環流生物流化床全局液相流場速度特性。生物流化床的液相速度隨著曝氣強度的增加逐漸增快，升流區的右邊壁出現了明顯的溝流區域，在導流錐的引導下，使流體能夠快速環流進降流區。二重[見圖3(b)、(e)、(h)、(k)、(n)、(q)]、三重[見圖3(c)、(f)、(i)、(l)、(o)、(r)]環流生物流化床的液相速度特性相同，但升流區的液相速度降低，降流區的液相速度逐漸增快。

(3) 當生物流化床曝氣強度相同時，圖3(a)、(b)、(c) 呈現了曝氣強度為0.4 m3/h時，不同環流重數下生物流化床的全局液相流場特性：一重環流生物流化床的液相高速區集中在升流區；二重環流生物流化床的液相高速區集中在升流區和降流區上部的左邊壁區域；三重環流生物流化床的液相高速區集中在降流區的上部和下部的左邊壁區域。隨著曝氣強度的增加，對比一重環流生物流化床，二重、三重環流生物流化床升流區的溝流區域液相速度逐漸降低，降流區的液相速度逐漸增快。

圖3 不同環流重數和曝氣強度下生物流化床液相速度矢量圖(單位為m/s)

對比文獻[26]，四邊形折流式膜生物流化床二重和三重環流生物流化床所有斷口的流態特性為降流區向升流區流動，這一現象與傳統圓柱形三重和多重環流生物流化床液相流場特性相反，傳統圓柱形生物流化床在多重環流時，斷口的流態特性為升流區向降流區流動。分析其原因認為：生物流化床的液相速度變化和高速區的遷移主要受到斷口流態的影響，流體從斷口進入升流區，阻礙了升流區，進一步地使升流區的液相速度降低；升流區和降流區的氣含率不同導致密度不同，從而產生流體靜力學壓差形成內循環，由于受到下降液體的拖曳作用，部分氣泡進入降流區，隨著動能的下降氣泡隨邊壁上浮，進而使得降流區的上部區域形成較大的漩渦，該處漩渦還與環流重數有關。可見，生物流化床斷口的流態特性差異，主要由氣含率沿徑向分布的不均勻性引起。

以上PIV試驗結果表明：生物流化床降流區的上部區域形成的較大漩渦，降低了氣泡從液面逃逸進入空氣中的幾率，增大了氣體在生物流化床中的總體停留時間；環流重數的增加反而使生物流化床升流區的液相速度降低，說明了循環路徑的增多使液相速度分布趨于均勻化；流體從斷口進入升流區，對于整個生物流化床來說縮短了循環路程和時間，這種特性的加強對生物流化床中氣-固-液三相的碰撞與混合起到了促進作用。

2.2 生物流化床氧傳質特性分析

圖4給出了不同環流重數和曝氣強度下生物流化床升流區和降流區的KLa和Eo2。其中，KLa作為氣液傳質效率的綜合表征參數，是反映曝氣池內氧含率和液相流態等因素對氣液傳質過程影響的重要指標[27-28]；Eo2作為曝氣過程中氧氣由氣相轉移至液相的百分率，是表征曝氣設備傳質功效的另一重要參數。在特定條件下，KLa表征了氧轉移速度，而Eo2則表征了氧轉移程度[29-30]。

圖4 不同環流重數和曝氣強度下生物流化床升流區和降流區的氧轉移系數(KLa)和氧轉移效率(Eo2)

由圖4(a)、(b)可以看出：當曝氣強度為0.4 m3/h時，生物流化床升流區的KLa和Eo2值均隨著環流重數的增加而降低；當曝氣強度為0.6 m3/h、0.8 m3/h、1.4 m3/h時，生物流化床升流區的KLa值均隨著環流重數的增加而增加；當曝氣強度為1.0 m3/h和1.2 m3/h時，生物流化床升流區的KLa值均隨著環流重數的增加呈先升高后降低的趨勢；當曝氣強度為0.6 m3/h時，生物流化床升流區的Eo2值均隨著環流重數的增加呈先降低后升高的趨勢；當曝氣強度為0.8 m3/h和1.4 m3/h時，生物流化床升流區的Eo2值隨著環流重數的增加而增加；當曝氣強度為1.0 m3/h和1.2 m3/h時，生物流化床升流區的Eo2值隨著環流重數的增加呈先升高后降低的趨勢；二重和三重環流生物流化床升流區的KLa和Eo2值整體大于一重環流生物流化床升流區的KLa和Eo2值。

由圖4(c)至(d)可以看出：當曝氣強度為0.4 m3/h時，生物流化床降流區的KLa和Eo2值隨著環流重數的增加呈先升高后降低的趨勢；當曝氣強度為0.6～1.4 m3/h時，生物流化床降流區的KLa和Eo2值隨著環流重數的增加呈先降低后升高的趨勢；三重環流生物流化床降流區的KLa和Eo2整體效率最好。

對比文獻[26]和以上氧傳質試驗結果表明：由于生物流化床環流重數的增加，二重和三重生物流化床升流區的液相速度雖然降低，但是氣泡停留時間延長，其中隨著斷口的出現，生物流化床的升流區和降流區液相流場出現了較多的漩渦，有效地提高了氣液傳質效率；隨著生物流化床降流區液相速度的增加，有效地帶動了氣泡向降流區的流動，并有效地提高了生物流化床降流區的氣液傳質效率；當生物流化床為三重環流時，升流區的溝流區域液相速度降低，有利于增加氣液傳質效率，降流區的液相速度增加，有利于填料的流化，以防止填料的下沉和堆積，并有助于帶起更多的死區填料，進而強化了填料流化和氣液傳質，且KLa和Eo2整體效率最優，有利于降低能耗、節約成本。因此，在本試驗條件下，四邊形折流式膜生物流化床的最佳環流重數為三重環流。

3 結 論

本文利用激光粒子圖像測速(PIV)和溶解氧在線測試技術，分析了不同環流重數和曝氣強度對生物流化床液相速度和氧傳質特性的影響，用以實現生物流化床的最優結構設計，得到的主要結論如下：

(1) 采用0.4%濃度的椰殼活性炭填料，較好地實現了氣-固-液三相流的PIV可視化試驗，并通過分區拍攝和拼接生物流化床液相速度矢量圖，很好地呈現了生物流化床全局液相流場特性。

(2) 隨著曝氣強度的增加，對比一重環流生物流化床，二重和三重環流生物流化床升流區的溝流區域液相速度逐漸降低，降流區的液相速度逐漸增加。

(3) 生物流化床環流重數的增加，有效地控制了生物流化床升流區和降流區的液相速度，進而有效地提高了氧傳質效率。相比傳統的生物流化床的氣液傳質效率，當生物流化床為三重環流時，KLa和Eo2整體效率最優，該生物流化床結構有利于降低能耗、節約成本。