氣升式廢水處理反應器內(nèi)流場和傳質(zhì)特性的研究

吳 松，任慧敏

（1.大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林長春 130102；2.西安西礦環(huán)?？萍加邢薰?，陜西西安 710075）

氣升式環(huán)流反應器是用于多相接觸的反應裝置，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、混合性能好、傳質(zhì)效率高、剪切力低等突出的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注，在生物工程、能源化工和環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應用〔1〕。導流筒作為引導氣升式反應器內(nèi)流體循環(huán)流動的重要構(gòu)件，對強化氣升式廢水處理反應器內(nèi)物料的循環(huán)混合和傳質(zhì)有著重要意義〔2-3〕。導流筒的結(jié)構(gòu)和尺寸是影響氣升式廢水處理反應器流場的重要因素之一，不同導流筒直徑會導致上升段和下降段之間流體阻力的分配不同，進而影響液體夾帶氣體進入下降段內(nèi)，影響下降段中微生物對氧氣的利用，廢水處理效率受到波及。選擇合適的導流筒直徑，對提高反應器中傳質(zhì)及廢水處理效率有重要意義。氣升式廢水處理反應器內(nèi)各相態(tài)間的流動和混合都依靠氣體的噴射作用，因此表觀氣速是氣升式廢水處理反應器中最主要的操作參數(shù)〔4〕。液位高度對氣升式廢水處理反應器的水力學特性參數(shù)都會產(chǎn)生影響〔5-8〕，進而影響反應器的流動和傳質(zhì)，對廢水處理效果產(chǎn)生影響。反應器中液相循環(huán)的動力來自于上升段和下降段的氣含率差值引起的靜壓差，而靜壓差在很大程度上由液位高度引起，因此研究液位高度對氣含率、循環(huán)液速等的影響很有必要。某些廢水中由于含有大量的油脂，造成廢水黏度較大，而且呈現(xiàn)非牛頓流體的性質(zhì)，影響反應器內(nèi)氣含率〔9-10〕，因此有必要研究廢水黏度對氣升式反應器流動和傳質(zhì)特性的影響。某些廢水中含有一些表面活性劑，使廢水處理難度增大。而且液相表面活性大會在反應器上方產(chǎn)生大量泡沫，破壞氣液流動的進程，影響反應器內(nèi)流場〔11-12〕。因此研究表面張力對反應器流場的影響十分重要。筆者主要針對導流筒直徑、表觀氣速、液位高度、黏度和表面張力對氣升式反應器內(nèi)流場和傳質(zhì)特性的影響進行研究。

1 實驗裝置與研究方法

1.1 實驗裝置

本研究所用的氣升式廢水處理反應器實驗裝置見圖1。

圖1 氣升式反應器實驗示意Fig.1 Schematic diagram of airlift reactor experiment

由圖1 可知，該裝置主要由反應器主體、供氣系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，其中供氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氮氣鋼瓶和轉(zhuǎn)子流量計；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、電導探針、溶氧電極、A/D 轉(zhuǎn)換器和計算機。本研究所用反應器為透明有機玻璃材料制成的實驗室規(guī)模的內(nèi)部回路氣升式反應器整套裝置。反應器高度為1 100 mm，內(nèi)徑為190 mm。頂部有高度為270 mm，內(nèi)徑為240 mm 的氣液分離區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 氣含率

本研究采用壓差法測定氣含率。在距反應器底部250 mm 和650 mm 處安裝4 支壓力傳感器，2 支測定上升段氣含率，2 支測定下降段氣含率。取壓點高 度差Δh為400 mm，壓差ΔP與氣含率ε間關(guān)系見式（1）。

式中：ρL——液體密度，kg/m3；

ρG——氣體密度，kg/m3；

ΔP——壓差，Pa；

g——重力加速度，m/s2

ε——氣含率，%。

氣體密度忽略不計，得：

1.2.2 下降段液速

本研究采用示蹤法測量下降段液速，飽和KCl溶液作為示蹤劑。距反應器底部250 mm 和650 mm處安裝2支電導電極，兩電極間的距離為400 mm。在反應器中流體流動穩(wěn)定后，將5 mL 飽和KCl 溶液快速注入到上電極上方80 mm 處，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集2 個電極的電導率信號，若電導率信號的時間差為Δt，則下降段液速VLd計算如下：

式中：Δt——電導率信號的時間差，s；

VLd——下降段液速，m/s。

1.2.3 體積氧傳質(zhì)系數(shù)（kLa）

本研究通過GOM 法測體積氧傳質(zhì)系數(shù)。距反應器底部250 mm 和650 mm 處安裝了6 支溶氧電極，其中2 支測定上升段溶解氧，4 支測定下降段溶解氧。實驗過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔15 s 記錄一次溶氧數(shù)據(jù)，直至實驗結(jié)束。kLa通過下式計算：

式中：C*——飽和溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

CL0——初始溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L；

τp——溶氧電極時間常數(shù)，s。

由于溶氧采集時間的τp遠大于電極響應時間的τp，電極影響忽略不計，則式（4）簡化為：

kLa可 通 過ln關(guān)系中的斜率求得。

2 結(jié)果與討論

2.1 導流筒直徑對流場和傳質(zhì)特性的影響

本研究采用空氣和自來水作為氣相和液相，調(diào)節(jié)液位高度為900 mm，更換直徑分別為80、90、100、110、120、130 mm 的導流筒?？疾觳粚Я魍仓睆綄夂?、液速和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 不同導流筒直徑對氣含率、液速和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.2 The influence of different diameters of the guide tube on gas holdup，liquid velocity and volumetric oxygen mass transfer

由圖2（a）、圖2（b）可知，隨著導流筒直徑的增加，上升段和下降段氣含率都增大。導流筒直徑增大使得上升段截面積增大，流量一定時，截面積增大流速減小，氣泡在上升段中停留更久，使上升段氣含率增加。導流筒直徑的增大意味著環(huán)隙阻力增大〔13〕，這也會提高氣泡的停留時間，當導流筒增大到130 mm 時，環(huán)隙阻力進一步增加使得氣泡不易被攜帶進入下降段，因此下降段氣含率幾乎不再增加。由圖2（c）可知，隨著導流筒直徑增加，下降段液相流速呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。這是因為，在一定范圍內(nèi)導流筒直徑增加引起導流筒和外筒之間空隙減小，截面積減小導致液速有所增加?？梢钥吹奖碛^氣速較大時，隨導流筒直徑增大液速增加緩慢，這是由于氣速大環(huán)流阻力也增大，兩者綜合作用使整體環(huán)流液速稍有增加。導流筒直徑繼續(xù)增加，下降段液速減小，這是由于導流筒和外筒空隙繼續(xù)減小導致環(huán)流阻力增加，下降段截面積雖然繼續(xù)減小，但環(huán)流阻力對流動影響占主要因素，因此下降段環(huán)流液速逐漸減?。划攲Я魍仓睆捷^大時，液速降低，氣泡在反應器中的停留時間增加，也會提高體積氧傳質(zhì)系數(shù)。由圖2（d）可知，體積氧傳質(zhì)系數(shù)隨導流筒直徑增加而增加。這是因為導流筒直徑增加，上升段和下降段氣含率增加，氣液相界面增大，而體積氧傳質(zhì)系數(shù)kLa由傳質(zhì)系數(shù)kL與比表面積a共同決定，因此體積氧傳質(zhì)系數(shù)增大。綜上，本研究的最佳導流筒直徑為120 mm。

2.2 表觀氣速和液位高度對流場和傳質(zhì)特性的影響

2.2.1 表觀氣速對流場和傳質(zhì)特性的影響

采用空氣和自來水作為氣相和液相，導流筒直徑為120 mm，調(diào)節(jié)液位高度分別為900 mm、在不同表觀氣速下測定氣含率、下降段液速和體積氧傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果見圖3。

圖3 不同表觀氣速對氣含率、液速和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.3 The influence of different superficial gas velocity on gas holdup，liquid velocity and volumetric oxygen mass transfer coefficient

由圖3 可知，上升段氣含率和下降段氣含率都隨表觀氣速的增加而單調(diào)遞增，表觀氣速越大，氣含率越多。因此在廢水生物處理中，為酵母菌的新陳代謝提供的氧氣將越多，菌體活性將會增強，處理廢水的效率將會提高。在表觀氣速低于3.0×10-3m/s 時，氣含率隨表觀氣速增加而迅速增加；高于3.0×10-3m/s時，氣含率增加變緩。這是因為當表觀氣速低于臨界氣速3.0×10-3m/s 時，反應器中氣泡數(shù)量少，氣泡間距較大，氣泡間的相互作用較小，隨表觀氣速的增加，氣含率快速增加，此時反應器內(nèi)氣液兩相流流型為均相流。當高于臨界氣速3.0×10-3m/s 時，反應器中氣泡數(shù)量多，相互之間的間距較小，容易發(fā)生氣泡聚并，大氣泡所受浮力大，在反應器中停留時間短，使得氣含率增加變緩，此時反應器內(nèi)氣液兩相流流型為非均相流。由圖3 還可知，下降段液速與表觀氣速呈非線性關(guān)系。氣液兩相流動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變對下降段液速有顯著的影響〔14〕。下降段液速在均相流的流型中增加較快，而在非均相流的流型中增加變緩。這是因為在表觀氣速較低時，被夾帶進入下降段的氣泡相對較少，因此導流筒內(nèi)外混合相的密度差就較大，液相循環(huán)的推動力就大。而隨著表觀氣速的持續(xù)增加，氣相夾帶量明顯增加以及反應器內(nèi)流動不穩(wěn)定性增加，因而液體速度增加逐漸減緩。此外，摩擦損失也對液體速度具有很大的影響，其中較高的液體速度引起較高的摩擦損失〔15〕，這又降低了液體速度。這可能是在高表觀氣速下液體速度增加減慢的另一個原因。液速的提高有助于在廢水生物處理中廢水與酵母菌菌體的混合，使反應器中避免出現(xiàn)“死區(qū)”，也可以提高氣含率在反應器中的分布，為酵母菌的新陳代謝提供必需的氧氣。從圖3也可以看出，表觀氣速增加體積氧傳質(zhì)系數(shù)增加。表觀氣速增加，氣液兩相流的湍動加劇，氣液界面更新較快，傳質(zhì)增強；當表觀氣速大于3.0×10-3m/s 后，反應器中氣泡數(shù)量劇增，氣泡聚并使比表面積減小，傳質(zhì)增加變緩。體積氧傳質(zhì)系數(shù)大，在廢水生物處理中廢水與氧之間的傳質(zhì)速率大，廢水處理效率高。因此，最佳的表觀氣速為3.0×10-3m/s。

2.2.2 液位高度對流場和傳質(zhì)特性的影響

采用空氣和自來水作為氣相和液相，導流筒直徑為120 mm，未通氣時液位高度分別為840、870、900、930、960 mm，不同液位高度氣含率、下降段液速和體積氧傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速的變化情況見圖4。

圖4 不同液位高度對氣含率、液速和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.4 The influence of different liquid level heights on gas holdup，liquid velocity and volumetric oxygen mass transfer coefficient

由圖4 可知，隨著液面高度的增加，上升段氣含率、下降段氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)都減小，而下降段液速增大。這是由于液位增加可以使反應器中氣液循環(huán)更加充分〔16〕，液速增加，使氣泡在反應器中停留時間減少，因此氣含率降低，在廢水生物處理中為酵母菌提供的溶解氧也會減少，使酵母菌生理活性受到影響。氣含率減少，氣液相接觸面積也降低，體積氧傳質(zhì)系數(shù)降低，傳質(zhì)速率降低，廢水處理效率也會相應減小。環(huán)流液速的增加，會使液體更易攜帶小氣泡進入下降段，這會使上升段和下降段氣含率差值減小，循環(huán)流動的驅(qū)動力減弱，又會降低液速，因此當液面高度大于900 mm 后，液速增加緩慢。液位高度增加會使反應器中的靜壓力增大，氣體進入反應器的阻力增大，使能耗增加。綜上，雖然液位高度為840 mm 時氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)最高，但其下降段液速很小，不利于反應器中氣液的混合，因此選擇液位高度為900 mm。

2.3 黏度和表面張力對流場和傳質(zhì)特性的影響

2.3.1 黏度對流場和傳質(zhì)特性的影響

采用空氣作為氣相，導流筒直徑為120 mm，調(diào)節(jié)液位高度為900 mm，加入不同濃度的羧甲基纖維素（CMC）溶液來改變液體黏度，CMC 質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.45%、0.5%，液體黏度分 別 為1.0、5.1、13.0、19.1、23.5、28.0 mPa·s，由 于CMC 溶液的電導率超出電導電極的量程，因此測定氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果見圖5。

圖5 不同黏度對氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.5 The influence of different viscosities on gas holdup and volumetric oxygen mass transfer coefficient

由圖5 可知，氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)隨著CMC 濃度的增大而減小。這是因為隨著CMC 濃度的增加，體系的黏度隨之提高，氣泡所受的曳力增大使氣泡聚并幾率增加〔17〕，大氣泡更易在反應器頂部的氣液界面破裂，使氣體逃逸，且大氣泡不易進入反應器下降段，因此反應器中上升段和下降段氣含率都減小。體積氧傳質(zhì)系數(shù)減小的原因主要有兩方面：一方面氣泡直徑增大導致氣液比表面積減??；另一個方面液體湍動減弱，傳質(zhì)系數(shù)減小〔18〕?？梢钥闯鲆后w黏度增大會使氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)降低，這會降低廢水處理效率，因此為含油廢水這一類高黏性體系設計和優(yōu)化反應器具有十分重要的意義。

2.3.2 表面張力對流場和傳質(zhì)特性的影響

采用空氣作為氣相，導流筒直徑為120 mm，調(diào)節(jié)液位高度為900 mm，加入不同濃度的十二烷基苯磺酸鈉溶液來改變液體表面張力，溶液質(zhì)量分數(shù)分別為0.6%、1.0%、1.5%、2.0%，液體表面張力分別為68.10、63.46、54.18、41.79 mN/m，由于十二烷基苯磺酸鈉溶液的電導率超出電導電極的量程，因此本節(jié)測定氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果見圖6。

圖6 不同表面張力對氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.6 The influence of different surface tensions on gas holdup and volumetric oxygen mass transfer coefficient

由圖6 可知，氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)隨著表面張力的減小而增大。表面張力較低的液體會阻礙氣泡的聚并，使氣泡保持較小的直徑，從而增大氣液相界面積，有利于傳質(zhì)〔19-20〕。表面活性較大的液體易產(chǎn)生大量泡沫，給反應器操作帶來困難。在某些含油廢水中的表面活性成分加劇水與油滴的結(jié)合，形成難降解的“水包油”結(jié)構(gòu)，降低含油廢水的處理效果。

3 結(jié)論

導流筒直徑、表觀氣速、液位高度、液體黏度和表面張力是影響氣升式反應器內(nèi)流場和傳質(zhì)特性的主要因素。本研究分別考察了導流筒直徑、表觀氣速、液位高度、黏度和表面張力對氣升式反應器內(nèi)流場和傳質(zhì)特性的影響。最佳的導流筒直徑、表觀氣速和液位高度分別為120 mm、3.0×10-3m/s 和900 mm。液體黏度增大會使反應器內(nèi)氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)降低，表面張力的減小會使得反應器內(nèi)氣含率和體積氧傳質(zhì)系數(shù)增大。此研究可作為氣升式反應器工業(yè)設計及應用的理論基礎。