生物法降解含油污泥反应器流场及工作参数研究

罗 飞,贺利乐

生物法降解含油污泥反应器流场及工作参数研究

罗 飞,贺利乐*

(西安建筑科技大学机电工程学院,陕西 西安 710055)

为提高生物反应器法处理含油污泥的降解效率,对生物反应器内铜绿假单胞菌NY3降解含油污泥的工艺过程进行研究.建立了生物反应器内气-液-固三相流场动力学模型和群体平衡模型(PBM),结合FLUENT软件对反应器内气泡直径分布和搅拌转速进行仿真.研究发现,直径在6mm以下的气泡占比为85%,能有效增加反应体系溶解氧浓度,并模拟出反应器最佳离底悬浮转速为150r/min.利用氧守恒原理建立了曝气速率随时间的变化关系模型,并通过设计实验确定最佳接菌量为15.23%,温度为32.56℃,指导最终降解过程的工艺参数选择.通过设定最佳工作参数值,用多功能生物反应器对6kg含油污泥进行降解实验,反应9d后石油烃降解率高达86.20%,含油率为1.46%.研究结果表明,生物反应器法降解含油污泥周期短、效率高,为处理含油污泥提供了一种有效可靠的新途径.

生物反应器；降解；含油污泥；三相流场；最佳工作参数

在石油的开采、处理和运输过程中,石油泄漏和违规排放事件频发,造成含油污泥大面积堆积,若不加以处理直接排放,不但占用大量耕地、伴有恶臭气体,而且对周围土壤、水体、空气都将造成严重污染,对人体产生极大危害,含油污泥的处理已在全世界范围内引起了广泛关注[1].生物处理技术是目前治理石油污染的研究热点和主要手段,与物理法和化学法相比,具有投资少、能耗低、运行费用小、无二次污染、操作简单及除油率较高的优点[2].

微生物降解技术能人为控制降解体系各组分含量及操作环境,处理后的液体部分可排入处置井再利用[3],对于油田发展具有重大意义,会产生巨大的经济效益,生态学效益和社会效益[4].

近年来,国内外关于微生物降解含油污泥的研究主要集中在石油降解菌的筛选及其降解性能研究、石油烃降解动力学、环境因素对细菌降解效率的影响等方面.Nie等[5]从石油污染土壤中分离到一株产鼠李糖脂(Rha)生物表面活性剂和降解多环芳烃(PAH)的细菌—铜绿假单胞菌() NY3,为研究铜绿假单胞菌NY3对多环芳烃的降解途径奠定了基础.Chettri等[6]从含油污泥沉淀物中分离得到不动杆菌ABC,研究结果表明菌株ABC是一种潜在的原油污染环境生物修复剂. Cerqueira等[7]从受石化残留物污染的样品中分离出45株细菌,测定了不同碳源的代谢能力、生长能力和耐受性、生物表面活性剂的产生和酶的检测.Soltani等[8]研究了膜生物反应器(MBR)系统在不同操作条件下的性能,结果表明MBR对采出水中的原油有很好的除油效果.Naik等[9]研究了含油污泥浓度、搅拌速度和处理时间对石油烃类降解的影响. Koolivand等[10]研究了主动曝气和被动曝气对生物降解含油污泥两相堆肥工艺性能的影响,结果表明石油烃降解符合一级动力学.陈丽等[11]以多环芳烃芘为唯一碳源对含油污泥中微生物进行富集,研究表明菌株在芘浓度为150mg/ L、温度30℃、转速150r/min下,培养7d后对芘的降解率可达到39.2%左右.Khondabi等[12]采用响应面法(RSM)研究了旋转生物接触器(RBC)对炼油废水中苯酚和化学需氧量(COD)的去除性能.辛蕴甜等[13]重点分析了菌株H-1在温度、pH值、盐浓度、初始质量浓度、菌株接种量等单因素下对降解性能的影响.

综上,目前生物法降解含油污泥仍停留在降解菌研究层面,对生物反应器内多相流场分析还未涉及.因此本文基于生物法降解含油污泥工艺,建立了反应器内多相流场模型,揭示气体、细菌溶液、含油颗粒三组分之间的流动机理,旨在为生物反应器法降解含油污泥找准最佳工作条件,提高降解率和降低时间及成本消耗,为生物反应器法降解含油污泥能大规模应用奠定基础.

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 NY3菌株 从陕北石油污染土壤中分离获得,4℃保存于牛肉膏蛋白胨斜面上,并定期转接.

1.1.2 含油污泥 6kg长庆油田采油四厂蜡质油污泥,并测得其含油率为42.25%.

1.1.3 LB培养基 NaCl 5.0g/L,牛肉膏3.0g/L,蛋白胨10.0g/L,pH 7.7,121℃条件下灭菌45min.

1.1.4 LB固体培养基 NaCl 5.0g/L,牛肉膏3.0g/L,蛋白胨10.0g/L,琼脂18g/L,pH 7.7,121℃条件下灭菌45min.

1.1.5 无机盐培养基(MSM) NH4NO31g,磷酸盐缓冲液25.0mL, MgSO4·7H2O溶液0.5mL(246.4g/L), CaCl2·2H2O溶液0.1mL(147.2g/L),微量元素溶液 1.0mL(FeSO4·7H2O 4.5g/L, CoCl2·6H2O 0.024g/L, ZnSO4·7H2O 0.148g/L, MnSO4·H2O 0.258g/L, NiCl2·6H2O 0.024g/L, Na2MoO4·2H2O 0.109g/L, CuCl2·2H2O 0.017g/L, H3BO30.062g/L),121℃条件下灭菌30min.

1.1.6 Rha 铜绿假单胞菌NY3发酵所产.

1.2 实验方法

1.2.1 种子液制备 将保存在LB固体培养基斜面上的铜绿假单胞菌NY3,在无菌条件下接种于100mL已灭菌的LB液体培养基中,32℃、150r/min、好氧振荡12～24h,OD600nm达到1.7.

1.2.2 含油污泥预处理 采用添加木屑和热熔的方法对油污泥进行分散预处理.在油污泥中加入粒径小于1mm的木屑(油污泥与木屑的质量比为7:1),将添加木屑的油污置于容器中50℃水浴条件下加热至熔融状态.

图1 含油污泥降解生物反应器

1.鼓风机;2.三通管;3.安全阀;4.曝气软管;5.分散式搅拌叶片;6.搅拌轴;7.反应器盖;8.搅拌电机;9.联轴器;10.控制柜;11.反应容器;12.温控装置

1.2.3 实验装置 如图1所示,反应容器内径为360mm,反应器高度为400mm,曝气管直径为20mm,容积为40L.该反应器采用鼓风机连接曝气管进行曝气,曝气管设有微孔曝气头(孔径为3mm),采用分散式叶片进行搅拌,变频器可动态调节曝气量和搅拌叶片转速,反应器侧面安装有电加热恒温装置.反应器盖可防止搅拌过程中液体飞溅,此好氧反应装置对气密性无严格要求.

2 模型建立

生物反应器内混合组分由石油烃、NY3菌液、各营养物质培养基、NY3所产鼠李糖脂Rha、锯末、氧气等多种物质按照一定浓度配比组成.因此,研究生物反应器内多相组分的流动机理及反应情况尤为重要.建立模型前做如下假设:石油烃附着在锯末表面为球形颗粒;菌体在反应体系中均匀分布;温度小幅度变化对反应体系的影响忽略不计.

2.1 气-液-固三相流模型 采用欧拉多相流模型来模拟反应体系的流场流动,假设反应过程中气、液、固三相均不存在体积压缩现象,模拟过程中忽略各相间的热量传递,通过连续方程和动量方程求解每一相,分别建立模型如下.

各相体积分数遵循约束条件:

式中:下标、、分别表示气、液、固三相.

质量守恒方程为:

式中:代表、、三相,各相动量守衡方程如下:

相间作用力主要包括曳力和升力.分散相施加于连续相的曳力[14]:

气相施加于液相的曳力系数C,lg由Ishii- zuber[15]曳力模型得到;固相施加于液相的曳力系数C,ls由Wen-Yu[16]曳力模型得到.

垂直作用于连续相和分散相间相对运动方向的升力[14]:

2.2 群体平衡模型 气泡直径大小的变化与聚并及破碎过程有关,需要添加一个平衡方程来描述气泡在体系中的平衡,该方程称为群体平衡模型[17].反应釜内各气泡相互作用,使得气泡直径动态变化,对气泡大小进行分组,可对反应体系中的气泡流动进行研究,从而对水合物浆液中气、液、固各相流动机理进行更直观准确的模拟,气泡群体平衡方程可用式(10)表示:

破碎模型选用Luo＆Svendsen[18]的破碎模型,聚并模型选用Luo[19]的聚并模型,采用离散法对群体平衡模型进行求解.

2.3 最佳工作参数求解

为保证石油烃降解过程高效进行且节约时间和成本,结合上述所建动力学模型,利用Fluent软件对气泡直径分布、反应器转速进行仿真分析,并对曝气速率和最佳接菌量及温度等重要工艺参数进行求解.

由于气泡直径难以测量,根据实验现象估计初始气泡约为3mm,结合PBM模型将气泡分为6组,将增长因子Kv设为0.5235988,因此6组气泡直径初始分布如表1所示.

根据以上方法,对模型进行三维瞬态求解,得到10s后反应体系的各参数结果如图2所示.

表1 气泡直径初始比例

由图2可知,初始气泡直径为3mm的气体从曝气管入口进入,经分散叶片搅拌后气体最高速度可达5.6m/s.在搅拌叶片上方至液面部分,气泡直径普遍大于初始气泡直径,表明在该区域聚并效应明显;而在搅拌叶片下方区域,气泡直径普遍小于初始气泡直径,表明在该区域破碎效应明显.10s后直径在1～2, 2～3, 3～4, 4～5, 5～6, 6～7, 7-8, 8mm以上范围内的气泡分别占比约33%、10%、13%、10%、19%、8%、4%、3%,即直径在6mm以下的气泡占比为85%.表明气体进入生物反应器后气泡之间的破碎和聚并效应明显,且气泡越小越有利于加强气液传质的效率,提高溶解氧浓度,促进好氧菌NY3对有机物的降解.

图2 仿真结果

2.3.2 反应器转速确定 在含油污泥降解过程中,搅拌的目的主要是为了让固体颗粒能够完全离底悬浮起来,避免固体颗粒沉聚结块,影响反应进行.前期实验研究发现,增加转速能够改善固体颗粒的悬浮效果,但也会增加功耗,并且当转速超出一定范围之后,由于微生物细菌所受流场剪切力过大,导致生物活性降低,不利于生物降解反应的进行.因此,需要保证搅拌叶片转速在临界悬浮转速附近,临界悬浮转速是指使固体颗粒刚好完全离底悬浮时搅拌叶片所需要的最低搅拌转速,一般用固体颗粒在搅拌槽底部停留时间不超过2s时的最低搅拌转速来表示[20].

图3为2s时釜底固体油泥颗粒在不同转速下的体积分数分布,能够反映出对应转速下的离底悬浮状态.由仿真结果可知,初始状态下反应釜底部沉降有厚度为50mm的含油污泥颗粒,体积分数为0.8;当转速从100r/min变化到200r/min时,反应釜内液相湍流程度加剧,反应釜底部沉聚的固体颗粒随着转速的升高,在2s时会出现不同的悬浮状态,局部颗粒浓度随之下降;由于油泥颗粒黏度的作用,部分颗粒会附着在反应釜壁面;当转速为150r/min时,能取得较好的悬浮效果.

图3 不同转速下固体颗粒的离底悬浮状态

2.3.3 反应器曝气速率确定 微生物法降解污染物的关键在于利用微生物的生长代谢去除污染物中的有机物,通过鼓风机对反应器进行鼓风曝气,以满足好氧菌对氧气含量的需求.工程上大量实践证实,无论水温、进水水质、进水量、pH值如何变化,把曝气池内溶解氧浓度控制在2mg/L时,就能宏观的满足污泥中微生物生长和新陈代谢分解有机物所需要的氧气.

由于溶解氧浓度与曝气速率呈明显的非线性关系,故经分析可得生物反应器内溶解氧浓度随时间的变化率具有如下关系:

且

式中:为反应釜内反应物体积,L;o为溶解氧浓度,mg/L;为空气密度,mg/m3;in,out分别为入口和出口的气体流量,m3/h;o,in,o,out分别为入口和出口的氧气质量浓度比;Kα为溶解氧传质系数, h-1;Dsat为饱和溶解氧浓度,mg/L;为单位时间内未参与反应的O2质量,mg/h;o为单位时间内参与反应的O2质量,mg/h;为单位时间内的其余气体质量, mg/h.

在反应达到稳定的情况下,in=out,综上可得:

则式(11)可变为:

式中:=1.293×106mg/m3,=24.4L,o,in=0.21,Kα= 4.2´10-3h-1,o=2.84×10-4mg/hL,o,sat=6.45mg/L.

将上述参数值代入式(16),可得:

求解微分方程(17),可得:

图4 曝气速率随时间的变化曲线

由图4可知,曝气速率需要随着时间进行动态变化,才能使溶解氧浓度始终保持在2mg/L左右.在曝气开始阶段,由于反应体系内溶解氧浓度很低,需要大速率曝气,随着曝气过程的持续进行,曝气速率需缓慢减小,这样不仅避免了大量的能耗,而且还有助于微生物的生长代谢和降解过程.

2.3.4 最佳接菌量、温度确定 为了优化预水解碳源产Rha的发酵条件,在实验室摇床上进行NY3菌发酵产Rha研究实验,利用Box-Behnken方法设计了17组实验方案进行实验,本文对17组数据进行分析,以接菌量、温度、转速为影响因素,Rha产量为响应值,利用Matlab进行多元线性回归拟合,最终拟合后的方程如下:

式中:表示Rha的产量(以g/L计),1、2、3分别为接菌量(%)、温度(℃)、转速(r/min).

仿真结果显示,相关系数2=0.9736(越接近1,回归方程越显著),统计量检验值=28.7288(越大,回归方程越显著),对应概率=0.0001(越接近0越好),结合残差图可知,该拟合方程能够很好的贴近实验数据,能表示接菌量、温度、转速对Rha产量的影响关系.

图5表示当转速为150r/min时,接菌量和温度对Rha的影响关系.

图5 接菌量、温度对Rha产量的影响

由图5可知,当转速为150r/min时,在接菌量和温度的共同作用下,Rha产量存在一最高点为19.27g/L,此时接菌量为15.23%,温度为32.56℃,因此该参数值为后续研究提供了最佳环境条件.

3 实验结果与分析

实验步骤与上述仿真条件严格保持一致.在反应器中依次加入6kg含油污泥经分散预处理之后的油污泥-木屑混合物,15L NY3菌种子液,2L无机盐/淀粉培养基,水解条件下发酵所产Rha,使其浓度为300mg/L,且营养元素C、N、P的浓度比为120:10:1,测得反应体系总容积为24.4L.实验温度为32 ℃、pH=7,反应器转速为150r/min,曝气速率通过变频器调节近似至图4中的曲线,每隔24h进行一次取样并对样品中剩余的石油烃浓度进行测定.反应9d后,含油污泥降解实验完成.

图6 含油污泥降解前后对比

Fig.6 Comparison of oily sludge before and after degradation

通过反应9d内的样品测定结果可计算出石油烃降解率如图7所示.

图7 反应9d内石油烃的降解率

在该反应体系中,反应24h后石油烃的降解率可达到42.10%,表明菌种在降解初期能够更快速的生长繁殖,随着反应天数的增加,降解率趋于平缓,这是因为随着反应时间的延长,菌株的活性与去除能力逐渐减弱.而在反应9d后,对石油烃的降解率可高达86.20%,含油率为1.46%.说明利用生物反应器法降解含油污泥高效可行.

4 结论

4.1 建立的生物反应器内气-液-固多相流场模型,能够准确模拟出反应器内气体、细菌溶液、含油颗粒三组分的流动状态.

4.2 利用FLUENT软件模拟了生物反应器内气泡的破碎和聚并效应,确定出生物反应器的搅拌转速为150r/min,分析得到溶解氧浓度在2mg/L时曝气速率随时间的动态变化规律,并确定最佳接菌量和温度条件分别为15.23%和32.56℃.

4.3 采用最佳工作参数,在生物反应器内对6kg含油污泥进行为期9d的降解处理,最终石油烃降解率可高达到86.20%,含油率为1.46%.

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致谢：本实验和陕西省膜分离技术研究院相关技术人员、专家共同完成,在此表示感谢.

Study on flow field and working parameters of bioreactor for oily sludge degradation.

LUO Fei, HE Li-le*

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)., 2022,42(4)：1754～1761

In order to improve the degradation efficiency of oily sludge by bioreactor, the degradationprocess of oily sludge by pseudomonas aeruginosa NY3 in bioreactor were studied. The gas-liquid-solid three-phase flow field dynamics model and population balance model (PBM) in the bioreactor were established, and the bubble diameter distribution and stirring speed were simulated by FLUENT software. It was studied that the bubbles with a diameter of less than 6mm account for 85%, which can effectively increase the concentration of dissolved oxygen in the reaction system,and the optimal off-bottom suspension speed of the reactor was 150r/min. Secondly, the relationship model of aeration rate with time was established by using the principle of oxygen conservation, and the optimal bacterial uptake was determined to be 15.23% and the temperature was 32.56℃ through design experiments, which guided the selection of technological parameters in the final degradation process. Finally, the optimal working parameters were set, and 6kg oily sludge was degraded by multi-functional bioreactor. After 9 days of reaction, the degradation rate of petroleum hydrocarbon was up to 86.20%, and the oil content was 1.46%. The bioreactor degradation of oily sludge has the advantages of short cycleandhigh efficiency, and provides an effective and reliable new way for the treatment of oily sludge.

bioreactor；degradation；oily sludge；three-phase flow field；optimal working parameter

X705

A

1000-6923(2022)04-1754-08

罗 飞(1993-),男,陕西西安人,博士,主要从事含油污泥降解效率提升和设备优化等方面研究.发表论文10余篇.

2021-10-08

*责任作者, 教授, 1060273804@qq.com