环流重数对生物流化床液相流场和氧传质特性的影响

董 亮，曾 涛，徐银香，崔亚辉，赵 桐

(1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048；2.南充职业技术学院机电工程系，四川 南充 637131；3.四川轻化工大学机械工程学院，四川 宜宾 644002)

生物流化床是将化工领域的流化床技术应用于废水处理，利用液体或气体通过填料层而使填料处于悬浮流化的运动状态，实现填料流态化的生物反应器[1-2]。废水流经沸石、活性炭和多孔高分子聚合物等填料经吸附和生化作用去除其中的污染物，实现废水净化。生物流化床的主要优点是固-液两相流的混合强度高、能够提供好氧微生物生长和富集的载体及介质、生化反应速率快等，可应用于生活污水以及石化、印染、涂装、农药等工业废水的高效处理[3-4]。已有研究和试验表明：现有生物流化床的实际运行效果并不理想，升流区固-液接触面摩擦较弱，使得填料与液相的动态湍流性较差，相间传质效率较低；填料表面的生物膜新旧菌体更新速度慢；部分轻质填料顺重力场沉降速度慢，易聚集在流化床的顶部，导致填料在床内分布严重不均匀。针对上述缺陷[5-6]，优化设计生物流化床的结构参数使之固-液两相间相对流动速度差和系统能耗达到最佳平衡点是进一步提高生物流化床废水生物处理效率的两大核心问题，并已成为当今国内外生物流化床的主流研究方向[7]。

生物流化床结构参数的优化设计主要包括外形结构和内构件两方面。Drake等[8]通过大量的研究发现，生物流化床的结构参数直接影响着废水生化处理过程中的效率，其主要的结构参数包括高度/直径之比、降流区/升流区面积之比、导流筒与流化床底部的低隙高度、导流筒与自由液面的高度、环流重数等，通过优化这些结构参数可开发出高性能的生物流化床[9-11]；麦礼杰等[12]将开发的四边形生物流化床的底隙区置入十字挡板后，使其液相循环速度最大提升了15.7%，在升流区截面上的分布更加均匀，而液相循环速度峰值下降，将有利于维持活性污泥的团聚作用，进一步提高生物流化床污泥负荷；Heyouni等[13]研究发现，在废水处理反应器中置入内构件，能够有效地使气泡溃灭几率增加，进而提高其氧传质效率。近年来，随着新型生物流化床的研制与优化，通过生物流化床内置入内构件，可有效地增加气-固-液相间的紊流强度，进而使气-固-液相间传质效率提高。

生物流化床的动力学研究[14-17]大多运用压差法、光纤探头测速法和计算流体力学(CFD)方法等，这些方法能较好地揭示生物流化床的动力学特性,但浸入式测试技术存在标定曲线具有不确定性、时空分辨率低和对流场干扰较大等问题；CFD双流体模型忽略了散布相的离散特质，将其作用近似地等同于连续相，通常简单地假设所有散布相粒子(空泡、雾滴或固体粒子)的大小都相同，因此模型的准确度不高。随着试验流体技术的完善与发展，激光粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术成为了流体流场显示技术[18-20]的试验手段之一，其原理是向流体中散布示踪粒子，利用激光照射流场片光平面的示踪粒子荧光显示，同时在片光平面的垂直方向设置CCD相机捕捉粒子图像，并利用计算机采用先进的算法比较分析两张图像获得粒子的位移，进而计算得出生物流化床局部流场的速度矢量图。PIV技术具有非接触、无干扰和精度高等优点，是目前流体测量领域最常用的方法。结合课题组前期的研究成果[21]，本文结合PIV和溶解氧在线测试技术对四边形折流式膜生物流化床的一重、二重和三重环流流场结构和气液传质效率等特性进行分析，从流体力学和氧传质角度定义多重环流。

1 试验装置系统和方法

1.1 试验系统介绍

试验测试系统如图1(a)所示，由四边形折流式膜生物流化床、PIV系统(与文献[22]试验系统相同)、进出水系统和曝气系统等部分组成。生物流化床结构尺寸为300 mm(长)×150 mm(宽)×950 mm(高)的透明玻璃体，总容积为42.75 L，折流板的底隙高为72 mm，导流锥倾斜角度为35°，如图1(b)和图1(c)所示。膜组件采用聚偏氟乙烯材质制成的中空纤维膜超滤膜，平均孔径为0.1～0.2 μm，尺寸为40 mm×300 mm。曝气管管径为5.8 mm，并将3个曝气条均匀布置在生物流化床底部，单个曝气条尺寸为100 mm(长)×20 mm(宽)×23 mm(高)。测试中为了防止曝气条和膜组件的摆动，将曝气条固定在膜组件正下方的生物流化床底部，膜组件采用自制微型T型支架固定，同时曝气条和膜组件布置在同一轴线上，微型T型支架对液相的影响可以忽略。

图1 生物流化床PIV三相流可视化试验测试系统

1.2 PIV拍摄分区与全局流场实现

为了实现生物流化床全局流场特性的呈现，测试中依次对生物流化床标定的上部、中部和下部区域进行拍摄，并将分区拍摄的流场速度矢量图进行拼接，最终实现生物流化床的全局流场特性。由于生物流化床下部区域导流锥对激光的阻挡以及气泡中部和上部区域流态极其复杂，因此分区拍摄测试分为3次：第一次和第二次拍摄生物流化床上部和中部区域，如图1(d)所示；第三次拍摄生物流化床下部区域，如图1(e)所示。试验中激光光源从生物流化床的左侧进入，CCD相机放置在正面，垂直于激光片光源方向；因CCD相机的拍摄范围有限，故流场测量区域在保证获得较高分辨率的前提下，拍摄区域选择为上部300 mm×275 mm、中部300 mm×273 mm和下部300 mm×115 mm，如图1(d)和(e)所示。激光断面选取距膜面15 mm的激光断面位置，如图1(f)所示。

1.3 PIV三相流可视化试验

本次PIV三相流可视化试验填料采用净水用椰壳活性炭，粒径约为0.4～2.8 mm，堆积密度为604 kg/m3。该PIV试验误差的消除包括光的折射、气泡、示踪粒子、系统误差、人为因素的操作误差等[23-25]，示踪粒子选用配套的PMMA-Rhodamine B-Particles，粒径为20～50 μm，试验浓度控制在100 mg/L。该粒子具有对流场良好的跟随性，对液相的速度和黏度的影响可以忽略。结合前期的PIV阻挡概率试验和本次试验范围，为了保证获得较高的分辨率，选取填料填充的密度为0.4%，试验用水采用自来水，同时为了防止填料对示踪粒子的影响，每2 h更换一次活性炭及用水。

本次PIV试验在曝气强度分别为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，进出水流量固定为7.965 L/h的组合工况下依次进行，试验有效容积为33.75 L，即有效水深为750 mm。结合生物流化床多重环流设计相关文献[26]和四边形折流式膜生物流化床的研究基础，同时考虑流场特性的对比分析，二重环流生物流化床上部截断长度为100 mm，环流缝隙长度为50 mm；三重环流生物流化床上部截断长度为100 mm,中部截断长度为50 mm，两个环流缝隙长度为50 mm，如图2所示。氧转移系数(KLa)测定方法和氧转移效率(Eo2)试验原理与文献[22]相同，将生物流化床升流区和降流区的氧传质测定试验分开进行，同时为了防止气泡和填料对探头的影响，溶解氧探头的朝向与流体方向一致。

图2 不同环流重数下的生物流化床构造简图

2 试验结果与分析

2.1 生物流化床液相速度特分析

PIV属于试验流体技术，具有非接触、无干扰和高精度等优点，但是对比CFD，其在试验过程中存在局限性：当反应器尺寸较大时，CCD相机无法拍摄全局流场；多相流中PIV可视化难度较大；反应器优化设计时，需要大量制作反应器，试验成本较高。 针对上述不足，本文通过分区拍摄和拼接很好地实现了生物流化床的全局液相流场特性呈现，图3给出了不同环流重数和曝气强度下生物流化床液相速度矢量图。

由图3可以看出：

(1) 拼接生物流化床全局液相流场特性整体具有良好的连贯性；流场没有大量空白，多相流可视化较好；参考生物流化床多重环流设计相关文献[26]，选取具有代表性的一重、二重和三重环流生物流化床结构进行对比，能有效地解决试验成本较高的难题。

(2) 当生物流化床的结构不变时，图3(a)、(d)、(g)、(j)、(m)、(p)呈现了不同曝气强度下一重环流生物流化床全局液相流场速度特性。生物流化床的液相速度随着曝气强度的增加逐渐增快，升流区的右边壁出现了明显的沟流区域，在导流锥的引导下，使流体能够快速环流进降流区。二重[见图3(b)、(e)、(h)、(k)、(n)、(q)]、三重[见图3(c)、(f)、(i)、(l)、(o)、(r)]环流生物流化床的液相速度特性相同，但升流区的液相速度降低，降流区的液相速度逐渐增快。

(3) 当生物流化床曝气强度相同时，图3(a)、(b)、(c) 呈现了曝气强度为0.4 m3/h时，不同环流重数下生物流化床的全局液相流场特性：一重环流生物流化床的液相高速区集中在升流区；二重环流生物流化床的液相高速区集中在升流区和降流区上部的左边壁区域；三重环流生物流化床的液相高速区集中在降流区的上部和下部的左边壁区域。随着曝气强度的增加，对比一重环流生物流化床，二重、三重环流生物流化床升流区的沟流区域液相速度逐渐降低，降流区的液相速度逐渐增快。

图3 不同环流重数和曝气强度下生物流化床液相速度矢量图(单位为m/s)

对比文献[26]，四边形折流式膜生物流化床二重和三重环流生物流化床所有断口的流态特性为降流区向升流区流动，这一现象与传统圆柱形三重和多重环流生物流化床液相流场特性相反，传统圆柱形生物流化床在多重环流时，断口的流态特性为升流区向降流区流动。分析其原因认为：生物流化床的液相速度变化和高速区的迁移主要受到断口流态的影响，流体从断口进入升流区，阻碍了升流区，进一步地使升流区的液相速度降低；升流区和降流区的气含率不同导致密度不同，从而产生流体静力学压差形成内循环，由于受到下降液体的拖曳作用，部分气泡进入降流区，随着动能的下降气泡随边壁上浮，进而使得降流区的上部区域形成较大的漩涡，该处漩涡还与环流重数有关。可见，生物流化床断口的流态特性差异，主要由气含率沿径向分布的不均匀性引起。

以上PIV试验结果表明：生物流化床降流区的上部区域形成的较大漩涡，降低了气泡从液面逃逸进入空气中的几率，增大了气体在生物流化床中的总体停留时间；环流重数的增加反而使生物流化床升流区的液相速度降低，说明了循环路径的增多使液相速度分布趋于均匀化；流体从断口进入升流区，对于整个生物流化床来说缩短了循环路程和时间，这种特性的加强对生物流化床中气-固-液三相的碰撞与混合起到了促进作用。

2.2 生物流化床氧传质特性分析

图4给出了不同环流重数和曝气强度下生物流化床升流区和降流区的KLa和Eo2。其中，KLa作为气液传质效率的综合表征参数，是反映曝气池内氧含率和液相流态等因素对气液传质过程影响的重要指标[27-28]；Eo2作为曝气过程中氧气由气相转移至液相的百分率，是表征曝气设备传质功效的另一重要参数。在特定条件下，KLa表征了氧转移速度，而Eo2则表征了氧转移程度[29-30]。

图4 不同环流重数和曝气强度下生物流化床升流区和降流区的氧转移系数(KLa)和氧转移效率(Eo2)

由图4(a)、(b)可以看出：当曝气强度为0.4 m3/h时，生物流化床升流区的KLa和Eo2值均随着环流重数的增加而降低；当曝气强度为0.6 m3/h、0.8 m3/h、1.4 m3/h时，生物流化床升流区的KLa值均随着环流重数的增加而增加；当曝气强度为1.0 m3/h和1.2 m3/h时，生物流化床升流区的KLa值均随着环流重数的增加呈先升高后降低的趋势；当曝气强度为0.6 m3/h时，生物流化床升流区的Eo2值均随着环流重数的增加呈先降低后升高的趋势；当曝气强度为0.8 m3/h和1.4 m3/h时，生物流化床升流区的Eo2值随着环流重数的增加而增加；当曝气强度为1.0 m3/h和1.2 m3/h时，生物流化床升流区的Eo2值随着环流重数的增加呈先升高后降低的趋势；二重和三重环流生物流化床升流区的KLa和Eo2值整体大于一重环流生物流化床升流区的KLa和Eo2值。

由图4(c)至(d)可以看出：当曝气强度为0.4 m3/h时，生物流化床降流区的KLa和Eo2值随着环流重数的增加呈先升高后降低的趋势；当曝气强度为0.6～1.4 m3/h时，生物流化床降流区的KLa和Eo2值随着环流重数的增加呈先降低后升高的趋势；三重环流生物流化床降流区的KLa和Eo2整体效率最好。

对比文献[26]和以上氧传质试验结果表明：由于生物流化床环流重数的增加，二重和三重生物流化床升流区的液相速度虽然降低，但是气泡停留时间延长，其中随着断口的出现，生物流化床的升流区和降流区液相流场出现了较多的漩涡，有效地提高了气液传质效率；随着生物流化床降流区液相速度的增加，有效地带动了气泡向降流区的流动，并有效地提高了生物流化床降流区的气液传质效率；当生物流化床为三重环流时，升流区的沟流区域液相速度降低，有利于增加气液传质效率，降流区的液相速度增加，有利于填料的流化，以防止填料的下沉和堆积，并有助于带起更多的死区填料，进而强化了填料流化和气液传质，且KLa和Eo2整体效率最优，有利于降低能耗、节约成本。因此，在本试验条件下，四边形折流式膜生物流化床的最佳环流重数为三重环流。

3 结 论

本文利用激光粒子图像测速(PIV)和溶解氧在线测试技术，分析了不同环流重数和曝气强度对生物流化床液相速度和氧传质特性的影响，用以实现生物流化床的最优结构设计，得到的主要结论如下：

(1) 采用0.4%浓度的椰壳活性炭填料，较好地实现了气-固-液三相流的PIV可视化试验，并通过分区拍摄和拼接生物流化床液相速度矢量图，很好地呈现了生物流化床全局液相流场特性。

(2) 随着曝气强度的增加，对比一重环流生物流化床，二重和三重环流生物流化床升流区的沟流区域液相速度逐渐降低，降流区的液相速度逐渐增加。

(3) 生物流化床环流重数的增加，有效地控制了生物流化床升流区和降流区的液相速度，进而有效地提高了氧传质效率。相比传统的生物流化床的气液传质效率，当生物流化床为三重环流时，KLa和Eo2整体效率最优，该生物流化床结构有利于降低能耗、节约成本。