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(huán)境學院；2.廣西石化高級技工學校)

固定化微生物反應(yīng)器內(nèi)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(huán)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(yīng)器內(nèi)曝氣頭不同安裝高度下的氣液兩相流進行了三維數(shù)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(yīng)器內(nèi)的液相速度和氣液兩相混合程度。結(jié)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(yīng)器 氣液兩相流 曝氣位置 數(shù)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(fā)酵而產(chǎn)生的一種具有有機物種類多、氨氮含量高及水質(zhì)變化復(fù)雜等特點的難處理污水。傳統(tǒng)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(shù)對處理垃圾滲濾液具有良好的效果，因此現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于焦化、煉油廠等工業(yè)廢水的處理中[1]。

固定化微生物反應(yīng)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(shù)，具有運行簡單、高效低能等優(yōu)點。反應(yīng)器內(nèi)良好的氣液相混合是提高微生物與氧氣充分接觸并發(fā)生物質(zhì)傳遞的基本前提，但過大的混合將導(dǎo)致過大的剪切力，造成微生物破裂和反應(yīng)不充分[2]。因此，合理控制反應(yīng)器內(nèi)的水力學條件是目前反應(yīng)器設(shè)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(yīng)器進行1∶ 1三維模擬，研究曝氣位置對反應(yīng)器內(nèi)氣液相混合程度和液相推流效果的影響，并對模擬結(jié)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(yīng)器的內(nèi)部氣液兩相流流動規(guī)律，反應(yīng)器參數(shù)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(yīng)器的結(jié)構(gòu)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(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖

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

表1 模擬安裝方案 mm

2 數(shù)值模擬方法

2.1數(shù)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(shù)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(nèi)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(zhì)，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(jù)，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(shù)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(shè)計選型和參數(shù)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(wǎng)格劃分和邊界條件

利用Gambit軟件建立固定化微生物反應(yīng)器三維物理模型并劃分網(wǎng)格，反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，網(wǎng)格類型選用TGrid，這種網(wǎng)格形式對物理模型具有較強的適應(yīng)性，網(wǎng)格尺寸內(nèi)部間隔取值為10。

將反應(yīng)器內(nèi)氣-液-固三相簡化為氣-液兩相進行模擬，設(shè)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(shù)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(zhì)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(yīng)器上部溢出，清水從方形溢流口流出，反應(yīng)器頂部與大氣相連，空氣與清水出口采用壓力出口，反應(yīng)器壁面采用非滑移壁面，初始條件下反應(yīng)器內(nèi)水的體積分數(shù)為1。

3 模擬結(jié)果分析

3.1反應(yīng)器內(nèi)液速分布

在反應(yīng)器內(nèi)，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(nèi)形成環(huán)流。方案A中，由于曝氣頭安裝高度過高，池內(nèi)液體具有較大的環(huán)流速度，造成微生物破裂和反應(yīng)不充分。方案C中，液體在微生物柱下方形成液相循環(huán)，但反應(yīng)器內(nèi)氣液相混合不夠充分，不利于反應(yīng)器內(nèi)氣液相傳質(zhì)。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(yīng)池內(nèi)形成了良好的液相循環(huán)，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(tài)，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(yīng)器內(nèi)推流效果

反應(yīng)器內(nèi)曝氣的作用是充氧、混合和推流，池內(nèi)液相的流出方式是溢流，曝氣頭安裝高度不同，液相流態(tài)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(yīng)器內(nèi)氣液混合過大。方案C的液體推流效果最差，出口處較小區(qū)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(qū)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(qū)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(zhì)，液體推流效果最佳。

綜上，無論從反應(yīng)器內(nèi)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(shù)值模擬結(jié)果的準確性與可靠性，筆者設(shè)計了一套實驗并對上述結(jié)果進行驗證。在曝氣頭4種模擬方案下，對反應(yīng)器進行充氧，從零直至飽和，比較反應(yīng)器內(nèi)的氧傳遞速率與飽和溶解解氧值，實驗結(jié)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)池內(nèi)停留的時間越長，轉(zhuǎn)移到水中的氧氣就越多[6]。在鼓風曝氣系統(tǒng)中，氧的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著水深的增加而降低[7]，因此反應(yīng)器內(nèi)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(zhì)就從敞口反應(yīng)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(jié)束語

筆者應(yīng)用Fluent軟件，對敞口長方體固定化微生物反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流進行了建模與數(shù)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(yīng)器內(nèi)的氣液兩相混合程度和推流效果。結(jié)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(shù)值模擬結(jié)果的準確性與可靠性，筆者設(shè)計了一套實驗并對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證，結(jié)果表明，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致，證明了仿真結(jié)果的可靠性，為固定化微生物反應(yīng)器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)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(tǒng)處理中老齡垃圾滲濾液的研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)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(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002:1～10.

[3] 張凱,王瑞金,吳立軍.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)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(yīng)器氣液兩相流流態(tài)特性模擬[J].環(huán)境工程學報,2012,6(12):4333～4338.

[5] 陳光,周靖.不同孔眼數(shù)量下曝氣池中氣液兩相流數(shù)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(zhuǎn)移系數(shù)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)。

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2015-11-06)

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