固定化微生物反应器内气液两相流的CFD模拟与分析*

黄世钊 龙文娟 冼 萍 向 冰 张 映 吴林杰

(1.广西大学a.化学化工学院；b.环境学院；2.广西石化高级技工学校)

固定化微生物反应器内气液两相流的CFD模拟与分析*

黄世钊*1a龙文娟1a冼 萍1b向 冰2张 映1a吴林杰1a

(1.广西大学a.化学化工学院；b.环境学院；2.广西石化高级技工学校)

利用CFD软件Fluent对固定化微生物反应器内曝气头不同安装高度下的气液两相流进行了三维数值模拟。采用两相流欧拉-欧拉模型和液相Standard-ε湍流模型，模拟获得了x、z截面处的液速分布图，并分析比较了4种方案下反应器内的液相速度和气液两相混合程度。结果表明：曝气头安装高度450mm、微生物柱安装高度370mm为最佳安装高度。

固定化微生物反应器 气液两相流 曝气位置 数值模拟 CFD

垃圾渗滤液是垃圾在堆放过程中受到雨水冲刷、地下地表水浸入和自身发酵而产生的一种具有有机物种类多、氨氮含量高及水质变化复杂等特点的难处理污水。传统工艺处理垃圾渗滤液时，CODCr、NH4+-N指标很难达到国家污水排放标准。由于固定化微生物技术对处理垃圾渗滤液具有良好的效果，因此现已广泛应用于焦化、炼油厂等工业废水的处理中[1]。

固定化微生物反应器是一种以物理或化学方法固定化的细胞为催化剂，利用微生物代谢去除废水中有机物的技术，具有运行简单、高效低能等优点。反应器内良好的气液相混合是提高微生物与氧气充分接触并发生物质传递的基本前提，但过大的混合将导致过大的剪切力，造成微生物破裂和反应不充分[2]。因此，合理控制反应器内的水力学条件是目前反应器设计面临的一个重要问题。笔者采用计算流体力学CFD软件，对实验使用的固定化微生物反应器进行1∶ 1三维模拟，研究曝气位置对反应器内气液相混合程度和液相推流效果的影响，并对模拟结果进行实验验证。

1 物理模型

笔者模拟的是长方体固定化微生物反应器的内部气液两相流流动规律，反应器参数如下：

高度 650mm

初始液位 600mm

长度 782mm

宽度 185mm

曝气量 5.5L/min

日进水量 29L

操作温度 27℃

固定化微生物反应器的结构模型如图1所示。采用长方体曝气条进行曝气，曝气条长×宽×高为150mm×10mm×10mm，圆柱体微生物柱长150mm，半径30mm，圆形进水口直径30mm。

图1 固定化微生物反应器的结构示意图

为了保护微生物柱内的载体，将微生物柱安装于曝气头下80mm处，根据曝气头不同安装高度设计的4种模拟安装方案见表1。

表1 模拟安装方案 mm

2 数值模拟方法

2.1数学模型

Fluent中用于研究多相流的有欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。在欧拉-拉格朗日方法中，离散相的体积分数很低，粒子运动轨迹的计算是独立的，被安排在流体相计算的指定间隙内完成。在欧拉-欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的介质，各相的体积率之和为1[3]。

由于笔者模拟的是气体-液体两相流，其中一种相所占的体积无法再被其他相占据，故采用欧拉-欧拉方法。水为主相，气体为离散相，气相体积分数较低且气体分布宽广，采用混合模型。采用液相标准湍流(Standard-ε)模型，该模型适合完全湍流的流动过程模拟，适用于初始迭代、设计选型和参数研究，比RNGk-ε模型求解气泡问题更为准确、更易收敛[4]。

2.2网格划分和边界条件

利用Gambit软件建立固定化微生物反应器三维物理模型并划分网格，反应器内部结构较为复杂，网格类型选用TGrid，这种网格形式对物理模型具有较强的适应性，网格尺寸内部间隔取值为10。

将反应器内气-液-固三相简化为气-液两相进行模拟，设定两相为清水和空气，清水为主相，空气为离散相，离散格式时间倒数采用一阶迎风格式，压力速度耦合采用Simple算法。认定气泡为单一尺寸，不考虑气泡聚并与破碎。

边界条件中，曝气条四面采用质量流量进口，其值为0.12g/s，进水采用速度进口，流速为0.5mm/s。气体从敞口反应器上部溢出，清水从方形溢流口流出，反应器顶部与大气相连，空气与清水出口采用压力出口，反应器壁面采用非滑移壁面，初始条件下反应器内水的体积分数为1。

3 模拟结果分析

3.1反应器内液速分布

在反应器内，液相速度直接影响气体的滞留程度、氧传递效率和气液混合程度[5]。图2分别为4种模拟方案下，截面x=0.06m处的液相速度矢量图。

图2 截面x=0.06m处的液相速度矢量图

从图2中可以看出，曝气头周围液体在气体带动下随气体向池顶部运动，且具有较大的速度，由于液相流量守恒，液体在池内形成环流。方案A中，由于曝气头安装高度过高，池内液体具有较大的环流速度，造成微生物破裂和反应不充分。方案C中，液体在微生物柱下方形成液相循环，但反应器内气液相混合不够充分，不利于反应器内气液相传质。方案B、D中，曝气头上部和左端近壁面处液体速度较大，反应池内形成了良好的液相循环，增强了气液两相间的混合程度。一方面使微生物处于悬浮状态，增加了微生物与液相的接触面积；另一方面有利于微生物在载体表面的固定化。

3.2反应器内推流效果

反应器内曝气的作用是充氧、混合和推流，池内液相的流出方式是溢流，曝气头安装高度不同，液相流态不同，液体推流效果也不同。图3为4种模拟方案下，截面z=0.60m处的液相速度云图。

图3 截面z=0.60m处的液相速度云图

从图3中可以看出，气泡带动曝气头周围液体一起上升，随着压力的降低气泡体积逐渐膨胀并在水面处破裂释放能量，因此，曝气头上方液体速度较大。方案A中，曝气头的安装位置最高，液体出口处液体速度在0.28m/s以上，液体推流效果最明显，但反应器内气液混合过大。方案C的液体推流效果最差，出口处较小区域液体速度在0.13m/s以上。方案D中，曝气头的安装位置最低，液体出口处部分区域液体速度很小，为0.045m/s且分布不均，不利于液体推流。方案B中，曝气头上方和近壁面处液体流速大，液体出口处大部分区域液体速度在0.13～0.21m/s之间，分布较平均，有利于液体的推流和气液间传质，液体推流效果最佳。

综上，无论从反应器内的水力学条件还是从液相推流效果来看，方案B为最佳方案。

4 实验验证

为了验证数值模拟结果的准确性与可靠性，笔者设计了一套实验并对上述结果进行验证。在曝气头4种模拟方案下，对反应器进行充氧，从零直至饱和，比较反应器内的氧传递速率与饱和溶解解氧值，实验结果如图4所示。

图4 安装高度验证曲线

从图4中可以看出，曝气头安装高度越低，反应器内充氧直至饱和的速率越快。这是因为同样的曝气量下，安装高度越低，氧气在反应池内停留的时间越长，转移到水中的氧气就越多[6]。在鼓风曝气系统中，氧的转移系数随着水深的增加而降低[7]，因此反应器内饱和溶解氧值随水深增加逐渐降低。方案D中充氧饱和速率较快，但饱和溶解氧值较低；方案A中充氧饱和速率较慢且饱和值较低，这是因为安装高度过高，气体还未与水进行传质就从敞口反应器上面溢出；方案B在充氧初期溶解氧值略低于方案C，但最终饱和溶解氧值略高于方案C，因此方案B增氧效果最好。

5 结束语

笔者应用Fluent软件，对敞口长方体固定化微生物反应器内气液两相流进行了建模与数值模拟，得到曝气头在4种模拟方案(安装高度)下的液相速度矢量图与速度云图，分析了反应器内的气液两相混合程度和推流效果。结果表明，曝气头安装高度450mm、微生物柱安装高度370mm为最佳安装方案。为验证数值模拟结果的准确性与可靠性，笔者设计了一套实验并对数值模拟结果进行了验证，结果表明，实验结果与模拟结果一致，证明了仿真结果的可靠性，为固定化微生物反应器的设计和结构优化提供了参考。

[1] 温丽丽,叶正芳,倪晋仁.UBF-BAF固定化微生物系统处理中老龄垃圾渗滤液的研究[J].应用基础与工程科学学报,2008, 16(1):12～22.

[2] 沈耀良,黄勇,赵丹,等.固定化微生物污水处理技术[M].北京:化学工业出版社,2002:1～10.

[3] 张凯,王瑞金,吴立军.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2010:142～143.

[4] 李春丽,田瑞,张维蔚,等.气升式反应器气液两相流流态特性模拟[J].环境工程学报,2012,6(12):4333～4338.

[5] 陈光,周靖.不同孔眼数量下曝气池中气液两相流数值模拟[J].水资源与水工程学报,2009,20(6):66～70.

[6] Barboza M,Zaiat M,Hokka C O.General Relationship for Volumetric Oxygen Transfer Coefficient(kLa)Prediction in Tower Bioreactors Utilizing Immobilized Cells[J].Bioprocess & Biosystems Engineering,2000,22(2):181～184.

[7] 汤利华,孟广耀.水深对曝气过程中氧总转移系数的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(6):760～763.

CFDSimulationandAnalysisofGas-LiquidFlowinImmobilizedBioreactor

HUANG Shi-zhao1a, LONG Wen-juan1a, XIAN Ping1b, XIANG Bing2，ZHANG Ying1a, WU Lin-jie1a

(1a.CollegeofChemistryandChemicalEngineering; 1b.CollegeofEnvironmentalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China; 2.GuangxiPetrochemicalAdvancedTechnicalSchool,Nanning530031,China)

Adopting CFD Fluent software to three-dimensionally simulate gas-liquid flow within the immobi-

*黄世钊，男，1963年8月生，副教授。广西省南宁市，530004。

*国家自然科学基金项目(21167003)。

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2015-11-06)

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