董 亮，曾 濤，徐銀香，崔亞輝，趙 桐

(1.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 南充 637131；3.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 宜賓 644002)

生物流化床是將化工領(lǐng)域的流化床技術(shù)應(yīng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)填料流態(tài)化的生物反應(yīng)器[1-2]。廢水流經(jīng)沸石、活性炭和多孔高分子聚合物等填料經(jīng)吸附和生化作用去除其中的污染物，實(shí)現(xiàn)廢水凈化。生物流化床的主要優(yōu)點(diǎn)是固-液兩相流的混合強(qiáng)度高、能夠提供好氧微生物生長和富集的載體及介質(zhì)、生化反應(yīng)速率快等，可應(yīng)用于生活污水以及石化、印染、涂裝、農(nóng)藥等工業(yè)廢水的高效處理[3-4]。已有研究和試驗(yàn)表明：現(xiàn)有生物流化床的實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，升流區(qū)固-液接觸面摩擦較弱，使得填料與液相的動(dòng)態(tài)湍流性較差，相間傳質(zhì)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(zhì)填料順重力場沉降速度慢，易聚集在流化床的頂部，導(dǎo)致填料在床內(nèi)分布嚴(yán)重不均勻。針對(duì)上述缺陷[5-6]，優(yōu)化設(shè)計(jì)生物流化床的結(jié)構(gòu)參數(shù)使之固-液兩相間相對(duì)流動(dòng)速度差和系統(tǒng)能耗達(dá)到最佳平衡點(diǎn)是進(jìn)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(dāng)今國內(nèi)外生物流化床的主流研究方向[7]。

生物流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)構(gòu)件兩方面。Drake等[8]通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，生物流化床的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著廢水生化處理過程中的效率，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括高度/直徑之比、降流區(qū)/升流區(qū)面積之比、導(dǎo)流筒與流化床底部的低隙高度、導(dǎo)流筒與自由液面的高度、環(huán)流重?cái)?shù)等，通過優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)參數(shù)可開發(fā)出高性能的生物流化床[9-11]；麥禮杰等[12]將開發(fā)的四邊形生物流化床的底隙區(qū)置入十字擋板后，使其液相循環(huán)速度最大提升了15.7%，在升流區(qū)截面上的分布更加均勻，而液相循環(huán)速度峰值下降，將有利于維持活性污泥的團(tuán)聚作用，進(jìn)一步提高生物流化床污泥負(fù)荷；Heyouni等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在廢水處理反應(yīng)器中置入內(nèi)構(gòu)件，能夠有效地使氣泡潰滅幾率增加，進(jìn)而提高其氧傳質(zhì)效率。近年來，隨著新型生物流化床的研制與優(yōu)化，通過生物流化床內(nèi)置入內(nèi)構(gòu)件，可有效地增加氣-固-液相間的紊流強(qiáng)度，進(jìn)而使氣-固-液相間傳質(zhì)效率提高。

生物流化床的動(dòng)力學(xué)研究[14-17]大多運(yùn)用壓差法、光纖探頭測速法和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法等，這些方法能較好地揭示生物流化床的動(dòng)力學(xué)特性,但浸入式測試技術(shù)存在標(biāo)定曲線具有不確定性、時(shí)空分辨率低和對(duì)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(zhì)，將其作用近似地等同于連續(xù)相，通常簡單地假設(shè)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(zhǔn)確度不高。隨著試驗(yàn)流體技術(shù)的完善與發(fā)展，激光粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)技術(shù)成為了流體流場顯示技術(shù)[18-20]的試驗(yàn)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(shí)在片光平面的垂直方向設(shè)置CCD相機(jī)捕捉粒子圖像，并利用計(jì)算機(jī)采用先進(jìn)的算法比較分析兩張圖像獲得粒子的位移，進(jìn)而計(jì)算得出生物流化床局部流場的速度矢量圖。PIV技術(shù)具有非接觸、無干擾和精度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前流體測量領(lǐng)域最常用的方法。結(jié)合課題組前期的研究成果[21]，本文結(jié)合PIV和溶解氧在線測試技術(shù)對(duì)四邊形折流式膜生物流化床的一重、二重和三重環(huán)流流場結(jié)構(gòu)和氣液傳質(zhì)效率等特性進(jìn)行分析，從流體力學(xué)和氧傳質(zhì)角度定義多重環(huán)流。

1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)和方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖1(a)所示，由四邊形折流式膜生物流化床、PIV系統(tǒng)(與文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)系統(tǒng)相同)、進(jìn)出水系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)等部分組成。生物流化床結(jié)構(gòu)尺寸為300 mm(長)×150 mm(寬)×950 mm(高)的透明玻璃體，總?cè)莘e為42.75 L，折流板的底隙高為72 mm，導(dǎo)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(zhì)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(gè)曝氣條均勻布置在生物流化床底部，單個(gè)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(dòng)，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(shí)曝氣條和膜組件布置在同一軸線上，微型T型支架對(duì)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(yàn)測試系統(tǒng)

1.2 PIV拍攝分區(qū)與全局流場實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)生物流化床全局流場特性的呈現(xiàn)，測試中依次對(duì)生物流化床標(biāo)定的上部、中部和下部區(qū)域進(jìn)行拍攝，并將分區(qū)拍攝的流場速度矢量圖進(jìn)行拼接，最終實(shí)現(xiàn)生物流化床的全局流場特性。由于生物流化床下部區(qū)域?qū)Я麇F對(duì)激光的阻擋以及氣泡中部和上部區(qū)域流態(tài)極其復(fù)雜，因此分區(qū)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(qū)域，如圖1(d)所示；第三次拍攝生物流化床下部區(qū)域，如圖1(e)所示。試驗(yàn)中激光光源從生物流化床的左側(cè)進(jìn)入，CCD相機(jī)放置在正面，垂直于激光片光源方向；因CCD相機(jī)的拍攝范圍有限，故流場測量區(qū)域在保證獲得較高分辨率的前提下，拍攝區(qū)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(yàn)

本次PIV三相流可視化試驗(yàn)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P(yáng)IV試驗(yàn)誤差的消除包括光的折射、氣泡、示蹤粒子、系統(tǒng)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(yàn)濃度控制在100 mg/L。該粒子具有對(duì)流場良好的跟隨性，對(duì)液相的速度和黏度的影響可以忽略。結(jié)合前期的PIV阻擋概率試驗(yàn)和本次試驗(yàn)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(yàn)用水采用自來水，同時(shí)為了防止填料對(duì)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(yàn)在曝氣強(qiáng)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(jìn)出水流量固定為7.965 L/h的組合工況下依次進(jìn)行，試驗(yàn)有效容積為33.75 L，即有效水深為750 mm。結(jié)合生物流化床多重環(huán)流設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)[26]和四邊形折流式膜生物流化床的研究基礎(chǔ)，同時(shí)考慮流場特性的對(duì)比分析，二重環(huán)流生物流化床上部截?cái)嚅L度為100 mm，環(huán)流縫隙長度為50 mm；三重環(huán)流生物流化床上部截?cái)嚅L度為100 mm,中部截?cái)嚅L度為50 mm，兩個(gè)環(huán)流縫隙長度為50 mm，如圖2所示。氧轉(zhuǎn)移系數(shù)(KLa)測定方法和氧轉(zhuǎn)移效率(Eo2)試驗(yàn)原理與文獻(xiàn)[22]相同，將生物流化床升流區(qū)和降流區(qū)的氧傳質(zhì)測定試驗(yàn)分開進(jìn)行，同時(shí)為了防止氣泡和填料對(duì)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(huán)流重?cái)?shù)下的生物流化床構(gòu)造簡圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 生物流化床液相速度特分析

PIV屬于試驗(yàn)流體技術(shù)，具有非接觸、無干擾和高精度等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)比CFD，其在試驗(yàn)過程中存在局限性：當(dāng)反應(yīng)器尺寸較大時(shí)，CCD相機(jī)無法拍攝全局流場；多相流中PIV可視化難度較大；反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要大量制作反應(yīng)器，試驗(yàn)成本較高。 針對(duì)上述不足，本文通過分區(qū)拍攝和拼接很好地實(shí)現(xiàn)了生物流化床的全局液相流場特性呈現(xiàn)，圖3給出了不同環(huán)流重?cái)?shù)和曝氣強(qiáng)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(huán)流設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)[26]，選取具有代表性的一重、二重和三重環(huán)流生物流化床結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，能有效地解決試驗(yàn)成本較高的難題。

(2) 當(dāng)生物流化床的結(jié)構(gòu)不變時(shí)，圖3(a)、(d)、(g)、(j)、(m)、(p)呈現(xiàn)了不同曝氣強(qiáng)度下一重環(huán)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(qiáng)度的增加逐漸增快，升流區(qū)的右邊壁出現(xiàn)了明顯的溝流區(qū)域，在導(dǎo)流錐的引導(dǎo)下，使流體能夠快速環(huán)流進(jìn)降流區(qū)。二重[見圖3(b)、(e)、(h)、(k)、(n)、(q)]、三重[見圖3(c)、(f)、(i)、(l)、(o)、(r)]環(huán)流生物流化床的液相速度特性相同，但升流區(qū)的液相速度降低，降流區(qū)的液相速度逐漸增快。

(3) 當(dāng)生物流化床曝氣強(qiáng)度相同時(shí)，圖3(a)、(b)、(c) 呈現(xiàn)了曝氣強(qiáng)度為0.4 m3/h時(shí)，不同環(huán)流重?cái)?shù)下生物流化床的全局液相流場特性：一重環(huán)流生物流化床的液相高速區(qū)集中在升流區(qū)；二重環(huán)流生物流化床的液相高速區(qū)集中在升流區(qū)和降流區(qū)上部的左邊壁區(qū)域；三重環(huán)流生物流化床的液相高速區(qū)集中在降流區(qū)的上部和下部的左邊壁區(qū)域。隨著曝氣強(qiáng)度的增加，對(duì)比一重環(huán)流生物流化床，二重、三重環(huán)流生物流化床升流區(qū)的溝流區(qū)域液相速度逐漸降低，降流區(qū)的液相速度逐漸增快。

圖3 不同環(huán)流重?cái)?shù)和曝氣強(qiáng)度下生物流化床液相速度矢量圖(單位為m/s)

對(duì)比文獻(xiàn)[26]，四邊形折流式膜生物流化床二重和三重環(huán)流生物流化床所有斷口的流態(tài)特性為降流區(qū)向升流區(qū)流動(dòng)，這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)圓柱形三重和多重環(huán)流生物流化床液相流場特性相反，傳統(tǒng)圓柱形生物流化床在多重環(huán)流時(shí)，斷口的流態(tài)特性為升流區(qū)向降流區(qū)流動(dòng)。分析其原因認(rèn)為：生物流化床的液相速度變化和高速區(qū)的遷移主要受到斷口流態(tài)的影響，流體從斷口進(jìn)入升流區(qū)，阻礙了升流區(qū)，進(jìn)一步地使升流區(qū)的液相速度降低；升流區(qū)和降流區(qū)的氣含率不同導(dǎo)致密度不同，從而產(chǎn)生流體靜力學(xué)壓差形成內(nèi)循環(huán)，由于受到下降液體的拖曳作用，部分氣泡進(jìn)入降流區(qū)，隨著動(dòng)能的下降氣泡隨邊壁上浮，進(jìn)而使得降流區(qū)的上部區(qū)域形成較大的漩渦，該處漩渦還與環(huán)流重?cái)?shù)有關(guān)?？梢?，生物流化床斷口的流態(tài)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(yàn)結(jié)果表明：生物流化床降流區(qū)的上部區(qū)域形成的較大漩渦，降低了氣泡從液面逃逸進(jìn)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(shí)間；環(huán)流重?cái)?shù)的增加反而使生物流化床升流區(qū)的液相速度降低，說明了循環(huán)路徑的增多使液相速度分布趨于均勻化；流體從斷口進(jìn)入升流區(qū)，對(duì)于整個(gè)生物流化床來說縮短了循環(huán)路程和時(shí)間，這種特性的加強(qiáng)對(duì)生物流化床中氣-固-液三相的碰撞與混合起到了促進(jìn)作用。

2.2 生物流化床氧傳質(zhì)特性分析

圖4給出了不同環(huán)流重?cái)?shù)和曝氣強(qiáng)度下生物流化床升流區(qū)和降流區(qū)的KLa和Eo2。其中，KLa作為氣液傳質(zhì)效率的綜合表征參數(shù)，是反映曝氣池內(nèi)氧含率和液相流態(tài)等因素對(duì)氣液傳質(zhì)過程影響的重要指標(biāo)[27-28]；Eo2作為曝氣過程中氧氣由氣相轉(zhuǎn)移至液相的百分率，是表征曝氣設(shè)備傳質(zhì)功效的另一重要參數(shù)。在特定條件下，KLa表征了氧轉(zhuǎn)移速度，而Eo2則表征了氧轉(zhuǎn)移程度[29-30]。

圖4 不同環(huán)流重?cái)?shù)和曝氣強(qiáng)度下生物流化床升流區(qū)和降流區(qū)的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)(KLa)和氧轉(zhuǎn)移效率(Eo2)

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

由圖4(c)至(d)可以看出：當(dāng)曝氣強(qiáng)度為0.4 m3/h時(shí)，生物流化床降流區(qū)的KLa和Eo2值隨著環(huán)流重?cái)?shù)的增加呈先升高后降低的趨勢；當(dāng)曝氣強(qiáng)度為0.6～1.4 m3/h時(shí)，生物流化床降流區(qū)的KLa和Eo2值隨著環(huán)流重?cái)?shù)的增加呈先降低后升高的趨勢；三重環(huán)流生物流化床降流區(qū)的KLa和Eo2整體效率最好。

對(duì)比文獻(xiàn)[26]和以上氧傳質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明：由于生物流化床環(huán)流重?cái)?shù)的增加，二重和三重生物流化床升流區(qū)的液相速度雖然降低，但是氣泡停留時(shí)間延長，其中隨著斷口的出現(xiàn)，生物流化床的升流區(qū)和降流區(qū)液相流場出現(xiàn)了較多的漩渦，有效地提高了氣液傳質(zhì)效率；隨著生物流化床降流區(qū)液相速度的增加，有效地帶動(dòng)了氣泡向降流區(qū)的流動(dòng)，并有效地提高了生物流化床降流區(qū)的氣液傳質(zhì)效率；當(dāng)生物流化床為三重環(huán)流時(shí)，升流區(qū)的溝流區(qū)域液相速度降低，有利于增加氣液傳質(zhì)效率，降流區(qū)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(qū)填料，進(jìn)而強(qiáng)化了填料流化和氣液傳質(zhì)，且KLa和Eo2整體效率最優(yōu)，有利于降低能耗、節(jié)約成本。因此，在本試驗(yàn)條件下，四邊形折流式膜生物流化床的最佳環(huán)流重?cái)?shù)為三重環(huán)流。

3 結(jié) 論

本文利用激光粒子圖像測速(PIV)和溶解氧在線測試技術(shù)，分析了不同環(huán)流重?cái)?shù)和曝氣強(qiáng)度對(duì)生物流化床液相速度和氧傳質(zhì)特性的影響，用以實(shí)現(xiàn)生物流化床的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到的主要結(jié)論如下：

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

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

(3) 生物流化床環(huán)流重?cái)?shù)的增加，有效地控制了生物流化床升流區(qū)和降流區(qū)的液相速度，進(jìn)而有效地提高了氧傳質(zhì)效率。相比傳統(tǒng)的生物流化床的氣液傳質(zhì)效率，當(dāng)生物流化床為三重環(huán)流時(shí)，KLa和Eo2整體效率最優(yōu)，該生物流化床結(jié)構(gòu)有利于降低能耗、節(jié)約成本。