張永京 ，李大玉，繆 宏 ，朱 松

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.揚(yáng)州市海牛廚房設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

環(huán)流反應(yīng)器作為一種高效的多相反應(yīng)器，廣泛地應(yīng)用于生物工程、能源化工等領(lǐng)域。環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，不需要機(jī)械攪拌裝置及循環(huán)泵，僅依靠其內(nèi)部不同區(qū)域流體的密度差作為推動(dòng)力便可形成規(guī)則的循環(huán)流動(dòng)。因此，對(duì)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行的相似放大工作容易實(shí)現(xiàn)，并且環(huán)流反應(yīng)器擁有較好的流體力學(xué)特性[1-2]。環(huán)流反應(yīng)器按照內(nèi)部流體的流動(dòng)型式及操作工況有多種分類方式，其中，氣升式環(huán)流反應(yīng)器由于結(jié)構(gòu)簡單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用的最為廣泛[3-5]。

本文設(shè)計(jì)了一種三相氣升式反應(yīng)器，該反應(yīng)器外部采用多導(dǎo)流筒低高徑比，其內(nèi)部采用圓升氣管的方形內(nèi)循環(huán)式，具有優(yōu)良的流體力學(xué)特性，可形成多級(jí)環(huán)流的流動(dòng)狀態(tài)，另外通過對(duì)內(nèi)環(huán)流器內(nèi)氧傳質(zhì)模擬與試驗(yàn)，獲得底物去除效果最佳的參數(shù)情況。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

氣升式環(huán)流反應(yīng)器主要由上升區(qū)、下降區(qū)和氣液分離區(qū)三部分組成[6]。按照反應(yīng)器的環(huán)流類型可分為氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器和氣升式外環(huán)流反應(yīng)器兩類[7]。氣升式環(huán)流反應(yīng)器由兩同心圓筒構(gòu)成，通常內(nèi)導(dǎo)流筒作為上升區(qū)，兩筒環(huán)隙作為下降區(qū)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示。氣升式外環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜一些，上升區(qū)與下降區(qū)分開，這為分別控制上升區(qū)和下降區(qū)的反應(yīng)條件提供了方便，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（b）所示。本設(shè)計(jì)采用氣升式內(nèi)環(huán)流結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)流生物膜反應(yīng)器主要由內(nèi)筒、外筒、企業(yè)分離器和彈性填料四部分組成。

1.2 工作原理

氣體經(jīng)過空氣分布器從內(nèi)筒噴入，氣液混合流經(jīng)過內(nèi)筒中的彈性填料向上流動(dòng)。反應(yīng)器中的曝氣一方面提供底物降解所需要的氧氣，另一方面改善液體的流動(dòng)狀態(tài)，增強(qiáng)了傳質(zhì)。頂部氣液分離器中，混合流實(shí)現(xiàn)氣液分離。氣液分離后的流體一部分經(jīng)排水口溢流排出，另一部分經(jīng)過內(nèi)外筒之間的環(huán)隙向下環(huán)流。環(huán)流的液體中包含脫落的生物膜，脫落的生物膜在錐底沉積，可定時(shí)排出。

2 仿真試驗(yàn)

2.1 氧傳質(zhì)模型建立

氧在液相和生物膜中的擴(kuò)散系數(shù)分別用Dow和Dof表示。氧在純水中的擴(kuò)散系數(shù)Dow為2.0×10-9m2/s。

式中，pf為生物膜的干密度。生物膜干密度定義為單位體積濕生物膜的干生物質(zhì)量。濕生物膜體積可以根據(jù)光載體直徑和平均生物膜厚度進(jìn)行計(jì)算，生物膜的干生物量等于生物載體的干質(zhì)量減去光載體的干質(zhì)量，生物膜干密度pf的計(jì)算公式為：

式中：Wf為生物膜的干質(zhì)量，mg；

Nf為樣品中的生物載體數(shù)量；

Dp為載體的直徑，mm；

δ為平均生物膜厚度，mm。

（1）剪下支生物載體,在光學(xué)顯微鏡下測量其直徑,得厚度 δ；

（2）剪下部分生物載體于烘箱中在105℃下烘烤 24 h，稱重為 Wf；

（3）將干生物載體置于加熱的NaOH溶液中；

（4）去除生物膜后，反復(fù)重洗和稀釋載體；

（5）將載體在105℃下烘烤24 h，稱重；

（6）重復(fù)2、3、4步驟，直到光載體干質(zhì)量恒重為W2，則Wf=W1-W2；

（7）計(jì)算載體數(shù)量為Nf。

測得的生物膜干密度Pf為49.612 mg/L，帶入得，Dof=0.7×10-9m2/s。

2.2 內(nèi)環(huán)流生物膜反應(yīng)器內(nèi)氧傳質(zhì)的模擬

當(dāng)COD為1 000 mg/L、HRT為10H、曝氣量為300～600 mL/min時(shí)對(duì)內(nèi)環(huán)流生物膜反應(yīng)器內(nèi)氧傳質(zhì)進(jìn)行了模擬。曝氣量為300 mL/min和600 mL/min時(shí)模型的一個(gè)縱截面的濃度等高線分布見圖2所示。由于微生物的消耗，氧的濃度在流動(dòng)方向上逐漸減小。隨著曝氣量的增大，氧的濃度的減小越來越緩慢，而生物膜中氧的滲透深度逐漸增加，耗氧層的厚度也隨之變厚了。

3 結(jié)果分析

3.1 出口處氧濃度分析

通過對(duì)每一段的計(jì)算進(jìn)行疊加，氧在出口處的濃度如圖3所示。從圖3可以看出，模擬值和實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為15%，最小誤差僅有5%。實(shí)驗(yàn)值并不能看出明顯的規(guī)律性，主要是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室受到外界因素的影響，例如大氣壓和溫度，而且也受到人為操作因素的影響。而模擬值卻可以看成是一條光滑的曲線。模擬值比實(shí)驗(yàn)值偏低，分析其原因首先是因?yàn)椴捎玫哪Ｐ妥隽撕芏嗪喕?，和真?shí)的情況有一些差別，其次是因?yàn)楹雎粤似貧馑a(chǎn)生的氣泡和液相之間的傳質(zhì)。

3.2 曝氣量模擬時(shí)氧氣濃度分析

隨著曝氣量的增加，消耗率的模擬值也一直增加，而實(shí)驗(yàn)值卻在曝氣量超過500 mL/min時(shí)開始減小。曝氣量越大，上升區(qū)內(nèi)的液相流速也就越大，生物膜表面的剪切力也隨之增大，微生物的脫落也就越快。曝氣量的增加不僅帶來了更多溶解氧量，也使得微生物的脫落變得更快，這就需要為曝氣量找到一個(gè)平衡。在本文的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)曝氣量在400～500 mL/min時(shí)底物的去除率最佳。

對(duì)曝氣量進(jìn)行模擬時(shí)，分別在反應(yīng)器模型靠近底部的區(qū)域、中部和靠近出口的區(qū)域截取一小段生物膜片斷，這個(gè)片斷包括的生物膜和膜外處的液相，觀察這3個(gè)片斷內(nèi)氧的濃度分布。

從圖4中可以看出，在反應(yīng)器的底部區(qū)域，氧滲透到生物膜內(nèi)大約0.3 mm處，而到了反應(yīng)器的頂部區(qū)域，隨著液相溶解氧的濃度下降，這個(gè)值減小到大約0.15 mm。從模擬結(jié)果可以看出，反應(yīng)器底部比反應(yīng)器頂部有著更厚的耗氧層，更有利于微生物的生長，所以應(yīng)該有著更厚的生物膜。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器下部生物膜稍厚，為0.4～0.6 mm，呈黑色，上部生物膜稍薄，為0.1～0.3 mm，呈黃褐色，這與模擬結(jié)果是相符的。反應(yīng)器下部供養(yǎng)充足，生物膜生長更快，但當(dāng)生物膜大于一定厚度時(shí)，譬如，由于氧不能完全滲透到內(nèi)部，所以在內(nèi)部就形成了呈黑色的厭氧層。耗氧層的厚度是一定的，生物膜越厚，就意味著厭氧層越厚。所以，反應(yīng)器底部既有耗氧層，又有厭氧層，而厭氧層更厚，從總體看就呈黑色。相反，在反應(yīng)器頂部雖然供氧不足，但因?yàn)樯锬ず鼙?，氧基本上能夠完全滲透，所以，是以呈黃色的耗氧層為主。