氣升式環(huán)流反應器處理廢水的研究進(jìn)展

隨著(zhù)現代工業(yè)化進(jìn)程的高速發(fā)展，大量工業(yè)廢水及生活污水未經(jīng)處理就直接排入自然環(huán)境中，造成水環(huán)境惡化，對人類(lèi)生存構成威脅．廢水生物處理技術(shù)已日漸成熟，在眾多水處理技術(shù)中地位越來(lái)越高．在廢水生物處理領(lǐng)域，除了先進(jìn)的處理技術(shù)外，尋找能耗低、傳質(zhì)效果好的生物反應器也成為廢水處理的關(guān)鍵．目前，對各類(lèi)反應器的研究時(shí)有報道，機械攪拌式反應器是應用較早的一類(lèi)生物反應器，因其使用技術(shù)成熟，在目前的反應設備中仍占據主導地位．隨著(zhù)現代生物技術(shù)的發(fā)展，微生物處理廢水的要求集中在高密度、高溶氧、低剪切條件，機械攪拌式生物反應器逐漸暴露出其局限性，如結構復雜、密封性差、能耗高、剪切力過(guò)大等．因此，氣升式環(huán)流生物反應器受到廣泛關(guān)注．
氣升式反應器是由傳統鼓泡塔改進(jìn)的用于多相體系的反應器，它廣泛應用于氣－液、氣－液－液或氣－液－固等多相接觸反應．該反應器由于加裝了導流裝置( 導流筒或外環(huán)流管) ，內部流體能夠有規律的循環(huán)流動(dòng)，強化了相間混合、傳質(zhì)與傳熱，具有制作簡(jiǎn)單、能耗低、內部流場(chǎng)規則、剪切力小、混合性能好、相間傳質(zhì)和傳熱效率高、密封性好、易于清洗和維修等優(yōu)點(diǎn)．在過(guò)去幾十年，氣升式環(huán)流生物反應器因其*的性能成為多相反應器研究的熱點(diǎn)之一，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．
目前，氣升式反應器已從實(shí)驗室研究轉向工業(yè)應用領(lǐng)域，特別是在水處理領(lǐng)域中，展示了該反應器良好的應用效果與廣闊的應用前景．本文概述了氣升式環(huán)流反應器的類(lèi)型及其在廢水處理領(lǐng)域的應用現狀，歸納總結了氣升式反應器流動(dòng)與傳質(zhì)的影響因素，并對其在水處理行業(yè)中的發(fā)展進(jìn)行了展望．

圖1 氣升式環(huán)流反應器結構圖
1 氣升式環(huán)流反應器的基本原理
氣升式環(huán)流反應器由四個(gè)主要區域構成，即上升區、下降區、氣液分離區和底部折流區，各區域內流體的流動(dòng)特性差異很大，其結構圖如圖1 所示．在反應器啟動(dòng)過(guò)程中，首先在反應器中投加活性污泥或其他微生物; 廢水經(jīng)水泵抽吸進(jìn)入反應器，壓縮空氣由氣體分布器射入反應器與廢水混合，并對其充氧，在上升區利用其所攜帶的動(dòng)能提升廢水，期間廢水中的部分有機物被去除，大部分空氣被消耗．混合物到達反應器頂部( 氣液分離區) 后，大部分氣泡在氣液界面破裂，氣體從排氣口排出; 另一部分殘余氣體以氣泡的形式隨廢水及污泥進(jìn)入下降區進(jìn)行反應，在下降區底部會(huì )達到缺氧狀態(tài)，使COD 和硝態(tài)氮進(jìn)一步降解．處理后的廢水經(jīng)過(guò)底部折流區再次返回到上升區，形成完整的循環(huán)．在上升區，氣含率較高，氣相動(dòng)能較大，流體湍動(dòng)劇烈，使得氣泡聚并和破碎頻繁，氣液相界面更新較快，相間傳質(zhì)效率較高，因此，對于氣升式反應器而言，氣液相間傳質(zhì)主要發(fā)生在上升區．
由于上升區與下降區的氣含率不同，造成兩區域混合相的壓力存在差異，此壓差作為流體流動(dòng)的驅動(dòng)力，推動(dòng)流體在反應器內循環(huán)流動(dòng)．氣升式環(huán)流反應器利用氣體的噴射動(dòng)能和混合相的密度差引起液相的循環(huán)流動(dòng)，不需額外的攪拌裝置，降低了設備投資成本，耗能少，且氣體在推流的同時(shí)與液體充分混合，氣液相界面更新較快，相間傳質(zhì)效率高．
2 氣升式環(huán)流反應器的分類(lèi)及其在廢水處理領(lǐng)域的應用
雖然氣升式環(huán)流反應器結構簡(jiǎn)單，但是其種類(lèi)很多，因其突出的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于各種廢水的處理，并取得了很好的成果．氣升式環(huán)流反應器分類(lèi)及其在廢水處理領(lǐng)域的應用，如表1 所示．


表1 氣升式環(huán)流反應器分類(lèi)及其在廢水處理領(lǐng)域的應用
如表1 所示，氣升式環(huán)流反應器對各種廢水均有較好的處理效果，不僅能有效去除COD、BOD、氨氮、磷等常規性污染物，降低廢水中的色度、濁度等，而且對酚、氰等難降解有機物也有很好的去除效果．
3 影響氣升式環(huán)流反應器處理效果的因素
影響氣升式環(huán)流反應器性能好壞的因素主要分為三大類(lèi): 反應器結構參數、操作參數以及流體的物性參數．
3．1 結構參數
從20 世紀80 年代開(kāi)始，對反應器結構與內構件影響其性能的研究越來(lái)越多．氣升式反應器的結構參數包括: 反應器高徑比，導流筒結構，上升段與下降段的面積比以及各種內構件等．這些結構特征對反應器內流體流動(dòng)特性和傳質(zhì)特性都有很大的影響．
(1) 反應器高徑比
目前，人們對高徑比較高的反應器( 大于7) 研究較多，一般工業(yè)應用中也較多采用這類(lèi)反應器．大量研究表明氣升式反應器的高徑比在10～14 左右．等設計研究了方形氣升式反應器的流體力學(xué)與傳質(zhì)特性，研究表明，高徑比為11．2，上升段和下降段的截面積之比為0．695 時(shí)，流體力學(xué)性能較好．
研究發(fā)現，反應器高徑比存在一個(gè)值，低于或高于值，反應器傳質(zhì)效果差，傳質(zhì)速率小，得出高徑比為12．5．設計開(kāi)發(fā)了低高徑比環(huán)流反應器( 高徑比為3 左右) ，通過(guò)改進(jìn)噴嘴結構來(lái)提高混合和傳質(zhì)性能，研究結果表明，其性能與相同尺寸的機械攪拌反應器相似．
(2) 導流筒的結構和尺寸
導流筒在反應器中充當引流的作用，使流體循環(huán)流動(dòng)，其結構對反應器內特性參數( 如氣含率、循環(huán)液速等) 的影響較大．文獻中主要研究探討導流筒形狀、直徑、高度、級數等對反應器內流體流動(dòng)與傳質(zhì)特性的影響．
研究了縮放型導流筒和傳統直筒型導流筒對反應器傳質(zhì)特性的影響，結果表明，縮放型導流筒的傳質(zhì)系數比直筒型導流筒高10%左右．研究了導流筒結構對氣升式反應器性能的影響，結果表明隨著(zhù)導流筒直徑的減小，降液管中的液相速度將降低，而提升管中的速度將增加． 研究發(fā)現導流板間距越大，下降管內液速越高，但當上升區和下降區面積比為1 時(shí)，液體循環(huán)流量大．對氣升式環(huán)流反應器內氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結果表明，在反應器總體積不變時(shí)，導流筒橫截面積的增加，會(huì )使反應器內氣含率和液相循環(huán)流量顯著(zhù)增加; 導流筒頂部有喇叭口時(shí)，氣液分離效果提高．研究發(fā)現，增大導流筒的高度會(huì )顯著(zhù)提高混合時(shí)間，當導流筒高度增加0．7 m 時(shí)，混合時(shí)間增加20 s～50 s 左右．研究表明導流筒高度增大會(huì )顯著(zhù)提高液體流速，傳質(zhì)效果提高．利用計算流體力學(xué)仿真研究了導流筒結構的影響，得出類(lèi)似結論．
(3) 下降段和上升段的面積比
反應器上升段和下降段的面積比對于反應器特性參數有一定程度的影響．研究表明提升管與降液管橫截面積比為0．6．考察了不同規模氣升式反應器內下降段與上升段的面積比( Ad /Ar) 對流動(dòng)特性的影響，研究發(fā)現Ad /Ar 的增加，使上升段內流速增加，下降段內流速減?。脷馍狡桨骞馍锓磻髋囵B微藻，研究得出當Ad /Ar 為0．4 時(shí)，微藻生長(cháng)．研究表明，Ad /Ar 范圍為1．2～2．0 時(shí)，反應器適于批量/連續高細胞密度系統．研究了具有兩種擋板的氣升式平板光反應器的傳質(zhì)性能，結果表明，隨著(zhù)Ad /Ar 的增加，單擋板的總體積傳質(zhì)系數先增加后降低，而雙擋板則隨著(zhù)Ad /Ar 的增加而減小; 此外，波紋擋板在較低的Ad /Ar 下具有較高的傳質(zhì)系數．
(4) 氣液分離器
氣液分離區的結構會(huì )對流體再循環(huán)強度產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而對反應器流體流動(dòng)特性和傳質(zhì)特性產(chǎn)生影響．其他條件一定時(shí)，氣液分離器主要影響液體循環(huán)速度、降液管中的氣含率、混合時(shí)間和總體積氧傳質(zhì)系數．氣液分離器對流體動(dòng)力學(xué)行為的影響是由分離器的氣液分離能力與其液壓阻力共同決定的．發(fā)現氣液分離器的結構主要影響下降段內的氣含率，對上升段氣含率幾乎沒(méi)有影響．的研究也得出類(lèi)似結論．利用CFD 軟件對環(huán)流反應器內構件結構進(jìn)行優(yōu)化，研究發(fā)現氣液分離區高度與外筒高度比值過(guò)大會(huì )導致環(huán)流阻力增大，從而不利于流動(dòng)，比值為0．34 ～ 0．36 時(shí)流動(dòng)性能．研究發(fā)現，氣液分離器內液位高度增大會(huì )使混合時(shí)間減少，體積氧傳質(zhì)系數降低．設計了一種的類(lèi)似漏斗的氣液分離器，在分離器中裝有20 根分離管，當流體進(jìn)入分離管時(shí)，由于管道突然收縮，流體流速會(huì )增大，氣液混合物從管中高速?lài)姵?，?shí)現氣液分離．研究了分離器與筒體聯(lián)結角度( 分別為0°、30°、45°、60°和90°) 對氣升式內循環(huán)反應器內流動(dòng)行為的影響，研究發(fā)現，當聯(lián)結角度為45°時(shí)，氣液分離效果好，能更好地實(shí)現氣液循環(huán)．
(5) 氣體分布器結構
氣相通過(guò)氣體分布器射入反應器，一方面為微生物提供氧氣，另一方面為流體循環(huán)提供能量．因此，研究氣體分布器的結構具有重要意義．對氣體分布器的研究主要包括: 材質(zhì)、類(lèi)型、孔徑、位置等．選取二噴嘴、旋切四噴嘴和O 型環(huán)分布器為研究對象，考察了噴嘴結構對流體流動(dòng)和相間傳質(zhì)特性的影響．實(shí)驗證明: 在表觀(guān)氣速相同的情況下，噴嘴直徑小、噴口數量多能增大整體氣含率和循環(huán)液速; 通氣量一定時(shí)，噴口數目過(guò)多會(huì )導致各噴口的氣體出射速度減小，氣體沖擊破碎的效果變差，使得氣液傳質(zhì)性能下降; 與O 型環(huán)分布器和二噴嘴相比，四噴嘴獲得的氣體滯留和液體速度較大．
研究表明氣體分布器結構對反應器內氣體滯留和兩相流動(dòng)速度影響較大，從而大大影響了氣體分布和氣液接觸．單回路氣體分布器會(huì )造成氣液接觸較差，在直徑較大的反應器中推薦使用具有多回路的氣體分配器．設計了蜘蛛形分布器，并與多孔板和樹(shù)枝形多孔分布器進(jìn)行比較，研究表明，氣體分布器結構對流體動(dòng)力學(xué)參數的影響較大．研究了分布器開(kāi)孔大小對氣升式反應器流體流動(dòng)特性的影響，結果表明，在低氣速下，小孔分布器得到較高的平均氣含率和循環(huán)液速，且分布均勻，氣液接觸較好; 在高氣速下，開(kāi)孔大小對流場(chǎng)的影響很?。畧蟮婪Q(chēng)噴口數量增大會(huì )使整體氣含率下降，這是因為噴口數量增多，氣泡數量增多，氣泡聚并機會(huì )也隨之增大．考察了噴嘴直徑和噴嘴位置對氣升式環(huán)流反應器內氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)的影響，結果表明，相對于噴嘴直徑為40 mm 和80 mm 時(shí)，噴嘴直徑為20 mm 時(shí)環(huán)流動(dòng)力較大，上升區和下降區的環(huán)流液速較大，而氣含率改變不大; 噴嘴高置時(shí)的氣含率明顯大于噴嘴低置和平置時(shí)，噴嘴低置和平置時(shí)的氣含率相差不大，3種噴嘴位置下的環(huán)流液速由大到小的順序為: 低置＞平置＞高置．
3．2 操作參數
氣升式反應器性能受操作條件的影響很大，這些參數主要包括表觀(guān)氣速、液位高度和溫度、壓力等．
(1) 表觀(guān)氣速
表觀(guān)氣速是影響氣升式環(huán)流反應器混合和傳質(zhì)特性的主要操作參數，對反應器特性參數都有影響，如氣含率、循環(huán)液速、體積氧傳質(zhì)系數、混合時(shí)間等．一般在其他條件一定的情況下，氣含率、循環(huán)液速和傳質(zhì)系數會(huì )隨表觀(guān)氣速的增大而增大，但存在一個(gè)臨界表觀(guān)氣速，超過(guò)臨界表觀(guān)氣速后，對流體流動(dòng)特性和傳質(zhì)特性幾乎沒(méi)有影響．
發(fā)現，表觀(guān)氣速增大，氣泡數量增多，且氣泡尺寸分布由正態(tài)分布轉變?yōu)閷嫡龖B(tài)分布．研究了氣升式反應器中表觀(guān)氣速對液體循環(huán)速度和氣體滯留量的影響，結果表明，氣體滯留量和液體循環(huán)速度分布不均勻，液體循環(huán)速度隨著(zhù)表觀(guān)氣體速度的增加而增加．報道稱(chēng)液相循環(huán)速度與表觀(guān)氣速呈正相關(guān)，但在高表觀(guān)氣速下，液速變化較?。?/span>
(2) 液位高度
環(huán)流反應器內的液位高度對反應器的特性參數影響很大，它會(huì )對局部氣含率和循環(huán)液速產(chǎn)生直接影響．當其他條件不變時(shí)，反應器存在一個(gè)液位高度，低于這個(gè)高度，循環(huán)液速會(huì )隨液位高度增加而增大，導致氣含率降低; 高于這個(gè)高度，循環(huán)液速和氣含率不再受到液位高度的影響，但會(huì )增加能耗．因此在設計和操作氣升式反應器時(shí)，應考慮液位高度．
研究表明，隨著(zhù)液位高度的增加，提升管和降液管中的氣含率、循環(huán)時(shí)間和混合時(shí)間均有所下降，而循環(huán)液速增加．得出相同結論．研究發(fā)現液位高度對反應器內流型的轉變有一定的影響，液位高度較低時(shí)，對流型轉變有顯著(zhù)影響; 而液位高度較高時(shí)，影響較?。?/span>
(3) 溫度、壓力
研究發(fā)現，壓力增加，氣含率增加，這是因為溫度較高時(shí)，增加壓力會(huì )使液相表面張力減小，氣相密度增大，從而使氣泡尺寸降低．但當壓力增加到一定值后增壓對氣泡直徑及流動(dòng)狀態(tài)沒(méi)有影響．加壓下，氣泡直徑變小且分布變窄、接近球形．報道稱(chēng)溫度對液相物性有顯著(zhù)影響，對氣相物性影響較小，溫度升高液相的粘度和表面張力減小; 壓力增大液相表面張力減小，氣相密度增大，氣泡尺寸減小，整體氣含率上升．發(fā)現壓力增大，氣泡上升速度減小，氣含率上升，體積氧傳質(zhì)系數增大．在加壓條件下對氣升式環(huán)流反應器內的局部氣含率進(jìn)行了實(shí)驗研究，結果表明，環(huán)流反應器中局部氣含率隨空塔氣速以及體系壓力的升高而增大; 當反應器內體系確定時(shí)，循環(huán)液速會(huì )隨體系壓力和空塔氣速增大而增大，但當體系壓力和空塔氣速分別超過(guò)某一個(gè)值時(shí)，循環(huán)液速基本保持不變．
3．3 物性參數
影響氣升式反應器性能的液相性質(zhì)主要有粘度和表面張力，固相性質(zhì)主要有固含率和固體密度．
(1) 粘度
有些廢水粘性較大，因而研究液體的粘度對氣升式反應器性能的影響非常重要．指出在低粘度下，氣含率會(huì )隨著(zhù)粘度的增加而增加; 在高粘度下，氣含率和傳質(zhì)系數都隨粘度增加而降低．得出相似的結論．研究了液體粘度對外循環(huán)氣升式反應器流體力學(xué)和氣泡行為的影響，結果表明，隨著(zhù)液體粘度的增加，平均氣含增大后減小，氣泡直徑呈現相反的變化，臨界液體粘度為3．7cp; 氣泡上升速度隨粘度增加而顯著(zhù)增加，當粘度達到10．3 cp 后保持不變．隨著(zhù)粘度的增大，氣泡尺寸變大，導致氣含率減小; 循環(huán)液速也隨粘度增加而降低．
(2) 表面張力
液相的表面活性對反應器性能影響較大，液相表面活性大會(huì )在反應器上方產(chǎn)生大量泡沫，造成漫溢，甚至破壞循環(huán)流動(dòng)的連續性．醇類(lèi)等表面活性劑能減小體系表面張力，使氣液傳質(zhì)效率提高．在反應器中加入正丁醇水溶液，研究發(fā)現，氣含率隨著(zhù)正丁醇濃度的增加而增大，正丁醇水溶液存在一個(gè)濃度，超過(guò)濃度0．5%時(shí)，傳質(zhì)系數隨濃度增加而減?。w系中加入表面活性劑能抑制氣泡聚并，使氣含率上升，循環(huán)液速降低．研究發(fā)現在不同的壓力條件下，表面張力小的體系中氣含率都比表面張力大的體系高，這是因為當體系表面張力變大時(shí)，氣泡聚并的幾率增大，氣泡尺寸變大，在反應器中上升速率增高，使得氣含率減?。?/span>
(3) 固含率
隨著(zhù)氣升式反應器在生物化工領(lǐng)域的應用不斷深入，研究固相性質(zhì)對反應器性能的影響顯得十分重要．認為在表觀(guān)氣速超過(guò)0．02 m/s 時(shí)，固體顆粒( 聚苯乙烯) 的加入會(huì )使液體速度和體積氧傳質(zhì)系數降低; 固含率在10%以上時(shí)，下降區的氣含率變化明顯，而上升區的氣含率幾乎沒(méi)有變化;固體濃度在5%時(shí)，傳質(zhì)效率會(huì )降低24%．指出氣含率隨固含量及顆粒粒徑的增大而增大，而循環(huán)液速會(huì )減?。芯勘砻鞴腆w顆粒含量越多固含率越大，循環(huán)液速隨著(zhù)固體含量的增加而減小，并隨粒徑的增大而減?。?/span>
4 結語(yǔ)與展望
近年來(lái)，國內外學(xué)者對氣升式環(huán)流反應器展開(kāi)了大量的研究工作，并且取得了很大進(jìn)展，研發(fā)設計了一些新型的氣升式環(huán)流反應器，如氣升式光生物反應器、超聲波氣升式反應器和氣升式生物膜反應器等．目前，氣升式環(huán)流反應器已應用于很多領(lǐng)域，如在生物工程領(lǐng)域用于微生物細胞培養和生物發(fā)酵，在環(huán)保領(lǐng)域用于工業(yè)廢水和生活污水的處理等．但是，由于氣升式反應器內多相流的流動(dòng)和相間傳質(zhì)機理極其復雜，并且與之相關(guān)的影響因素眾多，仍然有很多地方需要進(jìn)一步完善．要使氣升式反應器發(fā)揮更好的性能，必須對反應器結構進(jìn)行改進(jìn)，探索開(kāi)發(fā)新型內構件，提高反應器混合和傳質(zhì)性能; 探索各物性參數對氣升式反應器性能的影響規律，使其適用于不同類(lèi)型廢水的處理，提高處理效率; 設計操作彈性大且能適應不同反應體系的氣升式環(huán)流反應器; 進(jìn)一步完善數據采集系統，提高測量精度，獲取更準確的信息; 引入先進(jìn)的計算手段來(lái)求解氣升式環(huán)流生物反應器的復雜模型，實(shí)現該類(lèi)反應器的可視化設計．