循环曝气生物滤池空气-水两相流数值模拟研究*

黄健光，钟 理

(1.顺德职业技术学院 应用化工技术学院，广东 佛山 528333；2.华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州 510640)

石油炼制过程会产生大量的各类废水。其中，炼油碱水碱渣主要来自汽油、柴油和液化气等产品的碱洗精制过程，是一种含有大量硫化物、硫醇、挥发酚、石油类物质和环烷酸等有毒有害污染物的碱性废液，呈黑褐色，并带有恶臭气味。该碱性废液排放量不大，仅占炼油污水排放量的5%～10%，但其COD、硫化物和酚类等污染物的排放量却占炼油厂污染物排放量的40%～50%，是炼油厂的主要恶臭污染源[1]。课题组开发的循环曝气生物滤池工艺(Circulating Biological Aerated Filter，CBAF)处理该类废水，取得了良好的效果[1-9]。

溶解氧浓度是影响废水生物降解的最重要因素之一。采用循环曝气生物滤池是基于生物氧化原理处理废水的装置，课题组前期研究表明[4-5]，CBAF溶解氧浓度变化对废水处理效果影响显著，溶解氧浓度越高，对废水处理越有利，CBAF另一特点是废水生物处理效率高和抗冲击力强，这与CBAF内的流体流动状况和结构有关。因此，研究循环曝气生物滤池内溶解氧浓度分布和流动状况，对强化废水生物降解非常必要。滤池内溶解氧浓度分布虽然可通过取样分析获得，但实际上由于取样难度高、分析工作量非常大且抽样位置不易确定等客观原因，通过抽样分析得到溶解氧浓度分布云图较难实现。经过多年发展并已比较成熟的做法是以流体动力学为理论基础，运用数值模拟的方法计算得到流体流动的分布。如陈雪宇用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究了影响洗脸盆存水弯水封破坏的因素和立管压强分布的情况，得到了有用的参数[10]；王宏涛用CFD的方法研究了曝气生物滤池内气液两相流流动与污染物传输过程，并通过实测数据验证了模拟的正确性[11]；黄健光用CFD的方法模拟了高级氧化过程气相和液相撞击流的流场，与实验结果相吻合[12]等。通过数值模拟方法获得反应器(曝气生物滤池)内溶解氧浓度分布，通过模拟计算得到曝气生物滤池内(曝气筒和生物氧化区)流体流动状况，以便为曝气生物滤池工业应用做些基础工作。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置为一个四曝气筒循环曝气生物滤池，其结构图及尺寸见图1。四曝气筒循环曝气生物滤池内径1.2 m，高3.0 m，填料层高度2.0 m，垫层由碎石组成，厚度0.2 m，在填料区均匀设置4只曝气筒，曝气筒筒心离反应器中心的距离为0.3 m，曝气筒内径为0.2 m，在曝气筒底部设置曝气设施(曝气头)。

图1 四曝气筒循环曝气生物滤池结构简图

1.2 实验方法

在进水流量恒定的情况下，改变曝气流量，从而改变气水比，模拟不同气水比时反应器内部各点溶解氧浓度的分布情况。为使问题简化，进水为25 ℃的纯水，所曝的气体为同一温度下的空气。大气压为101 325 Pa。

1.3 几何建模与网格划分

1.3.1 求解域建模

以反应器(循环曝气生物滤池)内部整个区域作为数值计算的求解域。反应器几何模型和曝气筒几何模型见图2、图3。

图2 四曝气筒循环曝气生物滤池几何模型

曝气头出气孔很密，约2 000个，模拟中真实体现出气孔出气很难实现，此次模拟简化成方孔的形式，面孔隙率为0.5。简化起见，认为曝气孔向上出气(实际上各个方向都会有)，且在曝气量较低时，反应器内的液体不会倒灌进入进气管。

图3 曝气筒几何模型

此外，由于曝气使得水在曝气筒内自下而上流动，这些自下而上流动的水会冲击到曝气筒顶部，然后折回，这会使得CBAF顶部出现不稳定的情况。CBAF顶部附加计算示意图见图4，为了使计算更稳定，在进行建模和计算时，在CBAF顶部上方增加一个附加计算域，见图4左端灰色部分。该区域压强为一个标准大气压，也就是说使得CBAF顶部为自由表面。

出口管界面上的压力分布，按照p=ρgh计算而得。

图4 CBAF顶部附加计算域示意图

1.3.2 网格划分

模拟采用纯六面体网格划分技术对求解域进行网格划分，并对反应器底部与曝气筒底部之间区域、曝气头区域、水面区域以及进出水口区域作网格加密处理，网格总数为180万。

1.4 计算设置

1.4.1 物理模型设置

CBAF处理废水的过程是一个稳态的三维气-液两相流过程(实际上还有固相-填料，但是在考虑流动的问题时，主要考虑气液两相)，因此选择计算模型为三维稳态，流场计算采用耦合式解法。曝气筒内的流动，流型设定为湍流；填料层内的流动和碎石层中的流动，流型设定为层流。湍流模型采用标准k-ε模型，近壁区的处理采用标准壁面函数。多相流模型采用混合(Mixture)模型。模拟时考虑重力的作用，重力加速度g=-9.81 m/s2。采用组分输运模型对控制方程进行封闭。

操作温度设定为25 ℃，即298.2 K。气相为空气，ρ(空气)=1.185 kg/m3；，液相为水，ρ(水)=998.2 kg/m3，σ=0.072 N/m，μ=1.003×10-3kg/m·s。

1.4.2 模拟工况设置

模拟了4种不同qV(空气)∶qV(水)的工况，依次命名为工况1、工况2、工况3和工况4，对应的qV(空气)∶qV(水)依次为8∶1、16∶1、24∶1和32∶1，进水的流量为0.5 m3/h。具体的工况见表1。

表1 实验工况表

1.4.3 多孔介质设置

反应器内有填料层和碎石层。填料层选用了拉西环填料，填料规格D6 mm×6 mm×2 mm(直径×高度×壁厚)，ε=0.75，σ=789 m2/m3，堆填密度=0.75 t/m3，真密度=1 200 kg/m3。碎石层ε′=0.45，σ′=200 m2/m3。多孔介质(包括填料层和碎石层)中的流态假设为层流。

2 模拟结果与分析

2.1 溶解氧浓度分布

利用后处理软件可以将模拟结果以反应器内剖面氧气溶解浓度分布云图和反应器z向剖面氧气溶解浓度分布云图的形式呈现，分别见图5、图6。

图5 内剖面氧气溶解浓度分布云图

图6 z向剖面氧气溶解浓度分布云图

由图5、图6可知，随着气水比增大，溶解氧在反应器内部的分布越来越均匀，浓度也越来越高，说明提高气水比有利于反应器内部生物氧化反应的进行。

2.2 ρ(溶解氧)平均值曲线

根据不同气水比条件下填料层的ρ(溶解氧)分布，利用软件进行积分，可以得到不同气水比条件下生物滤池填料层平均ρ(溶解氧)浓度曲线，见图7。

qV(空气)∶qV(水)图7 溶解氧平均浓度曲线

由图7可知，随着qV(空气)∶qV(水)增大，水中溶解氧的平均浓度不断升高，但升高的速度有所下降；当qV(空气)∶qV(水)>24∶1时，继续增大qV(空气)∶qV(水)，不能明显提高溶解氧平均浓度，反而增大了鼓风机的功耗。故比较合适的qV(空气)∶qV(水)=24∶1。

2.3 水的循环速度曲线

2.3.1 填料层中水的循环速度

由模拟计算可得到水在不同qV(空气)∶qV(水)时的流速，其中填料层内的流速见图8。

qV(空气)∶qV(水)图8 水在填料层的流速曲线

由图8可知，随着qV(空气)∶qV(水)增加，填料层内水的流动速度不断增大，u(水)依次为0.004 6、0.006 4、0.010 3和0.012 5 m/s，转换为空塔速度ue，其值依次为0.003 4、0.004 8、0.007 7和0.009 4 m/s。根据雷诺数的计算公式：

(1)

可由水在填料层的空塔速度ue、ρ(水)=998.2 kg/m3、μ=1.003×10-3kg/m·s以及当量直径的计算公式：

(2)

计算得到流体流动的雷诺数。式(2)中ε为填料层空隙率，σ为填料的比表面积。

已知填料层空隙率ε=0.75，规格为D6 mm×6 mm×2 mm(直径×高度×壁厚)的瓷质拉西环填料的比表面积σ=789 m2/m3。代入式(2)得de=3.8×10-3m。

=3781.8ue

(3)

当qV(空气)∶qV(水)依次为8∶1、16∶1、24∶1和32∶1时，把水在填料层中的空塔速度代入式(3)，可得到水流动的雷诺数依次是13.0、18.1、29.2以及35.5。

2.3.2 曝气筒中水的循环速度

由模拟计算可得到水在不同气水比时的流速，其中曝气筒内的流速见图9。

qV(空气)∶qV(水)图9 水在曝气筒内的流速曲线

随着qV(空气)∶qV(水)增加，曝气筒内水的流动速度不断增大，依次为0.093 1、0.127 0、0.183 0和0.206 0 m/s。由Re的计算公式(1)，可计算得到，当qV(空气)∶qV(水)依次为8∶1、16∶1、24∶1和32∶1时，水在曝气筒内流动的Ret依次是9.26×103、1.26×104、1.82×104以及2.05×104。

填料层和曝气筒内部2个区域水流动的雷诺数计算结果显示，填料层中水流动的Ret远小于层流雷诺数上限2 000；而曝气筒内水流动的Ret均接近或大于完全湍流Ret下限10 000。说明填料层中的流动状态为层流，曝气筒中的流动状态为湍流。曝气筒中的湍流状态有利于气液两相充分混合，有利于氧气转化为溶解氧，从而有利于生物氧化反应的进行。填料层中的流动状态为层流，既降低了水流对填料表面生物膜的冲刷，又保证了充足的接触时间，保证生物氧化反应能顺利进行。

随着qV(空气)∶qV(水)增大，水的流动速度不断增大，即水的循环速度增大，其循环流量也跟着上升。由流速数据和流道尺寸可以计算得到，qV(空气)∶qV(水)为8∶1、16∶1、24∶1和32∶1时，水的循环流量依次为10.5、14.3、20.6和23.3 m3/h，循环流量达到了进水流量的21.0～46.6倍。在实际进行水处理时，处理量(即进水流量)会比较大，即使这样，循环流量也可以达到处理量的十几倍以上。所以，待处理的废水流进循环曝气生物滤池后会被大流量的循环水迅速稀释并进入填料层进行生物氧化反应，这正是CBAF具有较强的抗冲击性能以及较高处理效率的原因所在。

3 结 论

采用计算流体动力学和FLUENT软件模拟了循环曝气生物滤池中气液两相接触时水中溶解氧浓度的分布以及水的循环流动状况。模拟结果表明，循环曝气生物滤池气水比越大，溶解氧在水中的分布越均匀，平均浓度越高，当qV(空气)∶qV(水)>24∶1时平均浓度升高不明显；填料层和曝气筒中循环水的流速随着气水比的增大而上升，循环流量可超过进水流量的20倍；通过雷诺数的计算结果可以判断出，填料层中水的流动状态为层流，有利于废水生物氧化，曝气筒中水的流动状态为湍流，有利于系统抗冲击能力提高。研究结果可供生物氧化技术处理有机废水的循环曝气生物滤池的设计、工艺改进等参考。

[ 参 考 文 献 ]

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