循環(huán)推流式固定化微生物反應(yīng)器內(nèi)部流場數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

黃世釗

(1. 廣西大學(xué) a. 化學(xué)化工學(xué)院；b. 環(huán)境學(xué)院；2. 廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室；3. 廣西石化高級技工學(xué)校)

目前，固定化微生物技術(shù)在我國廢水治理和工業(yè)、生活污水原位修復(fù)領(lǐng)域中還未得到廣泛應(yīng)用，原因在于現(xiàn)有的固定化微生物裝置不能為微生物提供一個良好的生存環(huán)境，微生物流失量大，利用率低[1]；再者，對于固定化微生物反應(yīng)器的研究設(shè)計目前還沒有成熟的理論和方法，由于影響反應(yīng)器性能的結(jié)構(gòu)因素較多，因此很難通過實驗進(jìn)行全面的分析和研究。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計算流體力學(xué)(CFD)成為繼理論流體力學(xué)和實驗流體力學(xué)之后的又一重要研究手段[2]。CFD軟件不僅可以就影響固定化微生物反應(yīng)器性能的結(jié)構(gòu)因素(如曝氣頭安裝高度)進(jìn)行研究，還可以觀測反應(yīng)器中流體的流動和速度分布情況。

Fluent軟件是目前應(yīng)用最廣泛的CFD軟件之一[3]，針對每一種流體流動的特點，采用合適的數(shù)值解法以在速度計算、穩(wěn)定性及精度等方面達(dá)到最優(yōu)。Fluent率先采用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，使得用戶可自由選擇網(wǎng)格類型來劃分復(fù)雜的幾何區(qū)域。該軟件支持不同前處理軟件導(dǎo)入，可自由導(dǎo)入如AutoCAD、UG、Pro/E及Solidworks等繪圖軟件所生成的幾何模型。Fluent軟件被廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械的數(shù)值模擬中[4，5]。

1 循環(huán)推流式固定化微生物反應(yīng)器

1.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

反應(yīng)器采用圓筒型結(jié)構(gòu)，由下至上依次為進(jìn)水區(qū)(Ⅰ)、微生物發(fā)生區(qū)(Ⅱ)、微生物混合區(qū)(Ⅲ)和曝氣出水區(qū)(Ⅳ)。進(jìn)水區(qū)由反應(yīng)器底端進(jìn)水口和沿反應(yīng)器壁布置的多排圓形進(jìn)水孔組成；微生物發(fā)生區(qū)內(nèi)設(shè)置固定化微生物柱，該封閉鏤空的微生物柱內(nèi)填充有固定化微生物載體，并沿微生物柱中軸線安裝曝氣吹脫管，使其與微生物柱進(jìn)氣管連接；反應(yīng)柱頂端到盤式曝氣頭底部的區(qū)域是微生物混合區(qū)；曝氣出水區(qū)設(shè)置有盤式曝氣頭，其下端與曝氣頭進(jìn)氣管連接。整個反應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 循環(huán)推流式固定化微生物反應(yīng)器系統(tǒng)工藝流程簡圖

1.2反應(yīng)器的工作原理

一般地，投入工程運用的微生物修復(fù)技術(shù)通常采用的是直接加注固定化的微生物制劑[6]，同時配合水面曝氣的修復(fù)方法。但這種應(yīng)用存在固定化微生物菌劑投入大、流失大及微生物集群分布不均勻等不足。固定化微生物反應(yīng)器是在固定化微生物基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，其核心是固定化微生物柱。

封閉鏤空的外殼既有利于保護(hù)微生物不受水流沖刷，又有利于被催出的微生物均勻地進(jìn)入水體，在混合區(qū)進(jìn)行代謝反應(yīng)。出水采用氣提法[7]，通過盤式曝氣頭曝氣形成軸向推力，提升水流并產(chǎn)生循環(huán)的推流動力，進(jìn)而與外環(huán)境形成完整的水循環(huán)。該水循環(huán)推流技術(shù)可以使微生物在整個水體中得到均勻分散，強化微生物對水體的修復(fù)能力。

根據(jù)氣泡流體力學(xué)的密集鼓泡原理[8]，氣體通過曝氣頭后會在反應(yīng)器內(nèi)形成尺寸均勻的氣泡；同時為了增大氣體和液體的接觸面積，在相同流量下，產(chǎn)生的氣泡直徑要盡可能小。反應(yīng)器在工作時，微小的氣泡在上升過程中不斷變大，到達(dá)水面時產(chǎn)生破裂，此時水流上升并填補破裂的空間，并從頂端出水口流入外環(huán)境[9]。因此，保證小氣泡均勻分布且不重疊，反應(yīng)器內(nèi)水流上升的同時減少激蕩是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)反應(yīng)器的工藝要求，改變曝氣頭距離底端的高度，數(shù)值模擬反應(yīng)器內(nèi)的流場形態(tài)，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和實驗驗證，得出最適合的曝氣頭安裝高度。

2 CFD仿真過程

2.1物理模型與計算域

固定化微生物反應(yīng)器物理模型的主要參數(shù)如下：

圓筒高度H1820mm

圓筒直徑D1300mm

微生物柱高度H2250mm

微生物柱直徑D2100mm

微生物柱安裝高度h′ 200mm

曝氣頭半徑Dg180mm

進(jìn)水孔徑Dw20mm

進(jìn)水孔個數(shù) 140

進(jìn)氣量Qg3L/min

反應(yīng)柱內(nèi)充滿固定化微生物載體，可將其簡化為固體模型。反應(yīng)柱內(nèi)通入空氣量很小(0.6L/min)，僅用于催脫出微生物，對反應(yīng)器內(nèi)部流場幾乎無影響，故進(jìn)氣量忽略不計[10]。由于該反應(yīng)器是回轉(zhuǎn)體，可選取物理模型的中心截面作為仿真的幾何計算域，用二維幾何模型代替三維物理模型簡化計算[11]。根據(jù)曝氣頭安裝高度h(510、580、650mm)的不同設(shè)計3種方案(方案A、方案B、方案C)，并對3種方案建立物理模型。

2.2網(wǎng)格劃分

采用四邊二維網(wǎng)格對反應(yīng)器筒體和微生物柱計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種網(wǎng)格對物理模型的適應(yīng)性較強，有利于模型求解且計算速度較快[12]?？紤]到曝氣頭上端呈圓弧狀，采用三邊二維網(wǎng)格有利于該計算域的網(wǎng)格劃分和模型求解。3種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.3邊界條件與參數(shù)設(shè)置

在Fluent前處理軟件Gambit中對固定化微生物反應(yīng)器模型設(shè)置邊界條件，水的入口均設(shè)為壓力邊界，空氣入口設(shè)為速度邊界，混合后流體出口設(shè)為壓力邊界。根據(jù)Fluent中多相流模型的特點，考慮離散相與連續(xù)相之間的速度差和兩相之間的相互作用，選擇Mixture模型下的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行計算，主項為液相，次相為氣相，流體介質(zhì)體系為水-空氣。初始液位高度為820mm，空氣入口流量為3L/min。壁面效應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，用一階迎風(fēng)格式對方程離散，采用PISO(Pressure Implicit Splitting of Operator)算法和隱式分離式求解器對離散方程求解。速度壓力耦合方式采用Phase Coupled Simple算法進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算。設(shè)置殘差監(jiān)視器，當(dāng)能量殘差低于10-6、其他變量殘差低于10-3時認(rèn)為結(jié)果收斂。

圖2 固定化微生物反應(yīng)器網(wǎng)格劃分

3 CFD仿真結(jié)果分析

分別對3種微生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD仿真，各個方案均達(dá)到收斂要求，所用迭代步數(shù)分別為185、235、243步，達(dá)到收斂條件，得到3種反應(yīng)器流場速度分布云圖如圖3所示，速度矢量圖如圖4所示。

圖3 反應(yīng)器流場速度分布云圖

圖4 反應(yīng)器流場速度矢量圖

根據(jù)反應(yīng)器的工作原理，氧氣進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移的效率主要由氧氣和水接觸的效果決定。在空氣進(jìn)氣量、氣泡直徑和壓力相同的情況下，保證氧氣和水高效接觸可以大幅提高溶解氧效果[13]。由圖3可知，3個設(shè)計方案中，水流速度較高的部分集中在曝氣頭周圍直至出水口；由圖4可知，方案A中曝氣頭上方出現(xiàn)很大的漩渦，從而使出水口的速率降低，循環(huán)效果受到影響。方案C中反應(yīng)器流場內(nèi)形成完整的循環(huán)流型，但由于曝氣頭距離出水口較近，曝氣產(chǎn)生的軸向力不能充分帶動水流上升，從而影響出水口的水流速度。綜合以上，仿真結(jié)果反映出方案B的設(shè)計最為合理，既能充分地進(jìn)行氣體與水之間的質(zhì)量交換，又能保證反應(yīng)器內(nèi)流場的循環(huán)。

4 驗證CFD仿真結(jié)果

4.1實驗原理

實驗裝置流程如圖5所示。基于本實驗對反應(yīng)器內(nèi)流體流型的探究，故采用自來水作為考察介質(zhì)。通過曝氣向液相供給溶解氧。氧在氣相與液相之間的轉(zhuǎn)移遵循雙膜理論，即在氣液兩相界面存在著兩層膜(氣膜和液膜)的物理模型[14]。氧在膜內(nèi)總是以分子擴(kuò)散方式轉(zhuǎn)移，其速度總是慢于在混合液內(nèi)發(fā)生的對流擴(kuò)散方式的轉(zhuǎn)移。所以只要液體內(nèi)氧未飽和，則氧分子總會從氣相轉(zhuǎn)移到液相。

圖5 實驗裝置流程

4.2實驗方法與數(shù)據(jù)處理

通過曝氣裝置對清水進(jìn)行充氧，利用溶氧分析儀定時定點測定流體的溶氧值。為避免溶氧值的測定受氣液兩相湍流的影響，選擇反應(yīng)池底部P點(圖5)為測試點，每5min讀取一次溶氧值，直至其達(dá)到飽和。實驗所得數(shù)據(jù)由Origin生成曲線，如圖6所示。

圖6 驗證結(jié)果曲線

由圖6可知，相對于方案B而言，方案A溶氧值增加速度和最終溶氧值均較低，達(dá)到最終溶氧值的時間也較長，這是由于水流在受到軸向推動力并向上運動時，氣體在未到達(dá)液面就產(chǎn)生了破裂，從而在曝氣頭上方產(chǎn)生較大的漩渦，這樣的水流動蕩不利于水流完成循環(huán)過程；方案C的溶氧值增加速度較快且達(dá)到最終溶氧值的時間也較短，但最終增氧速度略小于方案B，這是由于水流與氣體的接觸時間較短，不能進(jìn)行充足的氧交換。實驗結(jié)果證實，方案B的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)增氧效果最好，說明該結(jié)構(gòu)的流體循環(huán)最好，這與CFD仿真數(shù)值模擬的結(jié)果吻合。

5 結(jié)束語

對于設(shè)計的循環(huán)推流式固定化微生物反應(yīng)器，通過建立合理的計算模型，正確運用Fluent軟件對3種設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)值模擬，可以準(zhǔn)確地模擬出該反應(yīng)器內(nèi)部流場的流動情況，并得到速度分布云圖和速度矢量圖。通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得出最優(yōu)設(shè)計方案，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致，證明仿真模擬過程的可靠性和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的準(zhǔn)確性。這為研發(fā)并設(shè)計固定化微生物設(shè)備提供了依據(jù)，具有重要的推廣意義。

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