黃健光，鐘 理

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化工技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528333；2.華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640)

石油煉制過程會產(chǎn)生大量的各類廢水。其中，煉油堿水堿渣主要來自汽油、柴油和液化氣等產(chǎn)品的堿洗精制過程，是一種含有大量硫化物、硫醇、揮發(fā)酚、石油類物質(zhì)和環(huán)烷酸等有毒有害污染物的堿性廢液，呈黑褐色，并帶有惡臭氣味。該堿性廢液排放量不大，僅占煉油污水排放量的5%～10%，但其COD、硫化物和酚類等污染物的排放量卻占煉油廠污染物排放量的40%～50%，是煉油廠的主要惡臭污染源[1]。課題組開發(fā)的循環(huán)曝氣生物濾池工藝(Circulating Biological Aerated Filter，CBAF)處理該類廢水，取得了良好的效果[1-9]。

溶解氧濃度是影響廢水生物降解的最重要因素之一。采用循環(huán)曝氣生物濾池是基于生物氧化原理處理廢水的裝置，課題組前期研究表明[4-5]，CBAF溶解氧濃度變化對廢水處理效果影響顯著，溶解氧濃度越高，對廢水處理越有利，CBAF另一特點(diǎn)是廢水生物處理效率高和抗沖擊力強(qiáng)，這與CBAF內(nèi)的流體流動狀況和結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，研究循環(huán)曝氣生物濾池內(nèi)溶解氧濃度分布和流動狀況，對強(qiáng)化廢水生物降解非常必要。濾池內(nèi)溶解氧濃度分布雖然可通過取樣分析獲得，但實(shí)際上由于取樣難度高、分析工作量非常大且抽樣位置不易確定等客觀原因，通過抽樣分析得到溶解氧濃度分布云圖較難實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多年發(fā)展并已比較成熟的做法是以流體動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法計(jì)算得到流體流動的分布。如陳雪宇用計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究了影響洗臉盆存水彎水封破壞的因素和立管壓強(qiáng)分布的情況，得到了有用的參數(shù)[10]；王宏濤用CFD的方法研究了曝氣生物濾池內(nèi)氣液兩相流流動與污染物傳輸過程，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬的正確性[11]；黃健光用CFD的方法模擬了高級氧化過程氣相和液相撞擊流的流場，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合[12]等。通過數(shù)值模擬方法獲得反應(yīng)器(曝氣生物濾池)內(nèi)溶解氧濃度分布，通過模擬計(jì)算得到曝氣生物濾池內(nèi)(曝氣筒和生物氧化區(qū))流體流動狀況，以便為曝氣生物濾池工業(yè)應(yīng)用做些基礎(chǔ)工作。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)四曝氣筒循環(huán)曝氣生物濾池，其結(jié)構(gòu)圖及尺寸見圖1。四曝氣筒循環(huán)曝氣生物濾池內(nèi)徑1.2 m，高3.0 m，填料層高度2.0 m，墊層由碎石組成，厚度0.2 m，在填料區(qū)均勻設(shè)置4只曝氣筒，曝氣筒筒心離反應(yīng)器中心的距離為0.3 m，曝氣筒內(nèi)徑為0.2 m，在曝氣筒底部設(shè)置曝氣設(shè)施(曝氣頭)。

圖1 四曝氣筒循環(huán)曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在進(jìn)水流量恒定的情況下，改變曝氣流量，從而改變氣水比，模擬不同氣水比時(shí)反應(yīng)器內(nèi)部各點(diǎn)溶解氧濃度的分布情況。為使問題簡化，進(jìn)水為25 ℃的純水，所曝的氣體為同一溫度下的空氣。大氣壓為101 325 Pa。

1.3 幾何建模與網(wǎng)格劃分

1.3.1 求解域建模

以反應(yīng)器(循環(huán)曝氣生物濾池)內(nèi)部整個(gè)區(qū)域作為數(shù)值計(jì)算的求解域。反應(yīng)器幾何模型和曝氣筒幾何模型見圖2、圖3。

圖2 四曝氣筒循環(huán)曝氣生物濾池幾何模型

曝氣頭出氣孔很密，約2 000個(gè)，模擬中真實(shí)體現(xiàn)出氣孔出氣很難實(shí)現(xiàn)，此次模擬簡化成方孔的形式，面孔隙率為0.5。簡化起見，認(rèn)為曝氣孔向上出氣(實(shí)際上各個(gè)方向都會有)，且在曝氣量較低時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的液體不會倒灌進(jìn)入進(jìn)氣管。

圖3 曝氣筒幾何模型

此外，由于曝氣使得水在曝氣筒內(nèi)自下而上流動，這些自下而上流動的水會沖擊到曝氣筒頂部，然后折回，這會使得CBAF頂部出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。CBAF頂部附加計(jì)算示意圖見圖4，為了使計(jì)算更穩(wěn)定，在進(jìn)行建模和計(jì)算時(shí)，在CBAF頂部上方增加一個(gè)附加計(jì)算域，見圖4左端灰色部分。該區(qū)域壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，也就是說使得CBAF頂部為自由表面。

出口管界面上的壓力分布，按照p=ρgh計(jì)算而得。

圖4 CBAF頂部附加計(jì)算域示意圖

1.3.2 網(wǎng)格劃分

模擬采用純六面體網(wǎng)格劃分技術(shù)對求解域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對反應(yīng)器底部與曝氣筒底部之間區(qū)域、曝氣頭區(qū)域、水面區(qū)域以及進(jìn)出水口區(qū)域作網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為180萬。

1.4 計(jì)算設(shè)置

1.4.1 物理模型設(shè)置

CBAF處理廢水的過程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的三維氣-液兩相流過程(實(shí)際上還有固相-填料，但是在考慮流動的問題時(shí)，主要考慮氣液兩相)，因此選擇計(jì)算模型為三維穩(wěn)態(tài)，流場計(jì)算采用耦合式解法。曝氣筒內(nèi)的流動，流型設(shè)定為湍流；填料層內(nèi)的流動和碎石層中的流動，流型設(shè)定為層流。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁區(qū)的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。多相流模型采用混合(Mixture)模型。模擬時(shí)考慮重力的作用，重力加速度g=-9.81 m/s2。采用組分輸運(yùn)模型對控制方程進(jìn)行封閉。

操作溫度設(shè)定為25 ℃，即298.2 K。氣相為空氣，ρ(空氣)=1.185 kg/m3；，液相為水，ρ(水)=998.2 kg/m3，σ=0.072 N/m，μ=1.003×10-3kg/m·s。

1.4.2 模擬工況設(shè)置

模擬了4種不同qV(空氣)∶qV(水)的工況，依次命名為工況1、工況2、工況3和工況4，對應(yīng)的qV(空氣)∶qV(水)依次為8∶1、16∶1、24∶1和32∶1，進(jìn)水的流量為0.5 m3/h。具體的工況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

1.4.3 多孔介質(zhì)設(shè)置

反應(yīng)器內(nèi)有填料層和碎石層。填料層選用了拉西環(huán)填料，填料規(guī)格D6 mm×6 mm×2 mm(直徑×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。碎石層ε′=0.45，σ′=200 m2/m3。多孔介質(zhì)(包括填料層和碎石層)中的流態(tài)假設(shè)為層流。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溶解氧濃度分布

利用后處理軟件可以將模擬結(jié)果以反應(yīng)器內(nèi)剖面氧氣溶解濃度分布云圖和反應(yīng)器z向剖面氧氣溶解濃度分布云圖的形式呈現(xiàn)，分別見圖5、圖6。

圖5 內(nèi)剖面氧氣溶解濃度分布云圖

圖6 z向剖面氧氣溶解濃度分布云圖

由圖5、圖6可知，隨著氣水比增大，溶解氧在反應(yīng)器內(nèi)部的分布越來越均勻，濃度也越來越高，說明提高氣水比有利于反應(yīng)器內(nèi)部生物氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2 ρ(溶解氧)平均值曲線

根據(jù)不同氣水比條件下填料層的ρ(溶解氧)分布，利用軟件進(jìn)行積分，可以得到不同氣水比條件下生物濾池填料層平均ρ(溶解氧)濃度曲線，見圖7。

qV(空氣)∶qV(水)圖7 溶解氧平均濃度曲線

由圖7可知，隨著qV(空氣)∶qV(水)增大，水中溶解氧的平均濃度不斷升高，但升高的速度有所下降；當(dāng)qV(空氣)∶qV(水)>24∶1時(shí)，繼續(xù)增大qV(空氣)∶qV(水)，不能明顯提高溶解氧平均濃度，反而增大了鼓風(fēng)機(jī)的功耗。故比較合適的qV(空氣)∶qV(水)=24∶1。

2.3 水的循環(huán)速度曲線

2.3.1 填料層中水的循環(huán)速度

由模擬計(jì)算可得到水在不同qV(空氣)∶qV(水)時(shí)的流速，其中填料層內(nèi)的流速見圖8。

qV(空氣)∶qV(水)圖8 水在填料層的流速曲線

由圖8可知，隨著qV(空氣)∶qV(水)增加，填料層內(nèi)水的流動速度不斷增大，u(水)依次為0.004 6、0.006 4、0.010 3和0.012 5 m/s，轉(zhuǎn)換為空塔速度ue，其值依次為0.003 4、0.004 8、0.007 7和0.009 4 m/s。根據(jù)雷諾數(shù)的計(jì)算公式：

(1)

可由水在填料層的空塔速度ue、ρ(水)=998.2 kg/m3、μ=1.003×10-3kg/m·s以及當(dāng)量直徑的計(jì)算公式：

(2)

計(jì)算得到流體流動的雷諾數(shù)。式(2)中ε為填料層空隙率，σ為填料的比表面積。

已知填料層空隙率ε=0.75，規(guī)格為D6 mm×6 mm×2 mm(直徑×高度×壁厚)的瓷質(zhì)拉西環(huán)填料的比表面積σ=789 m2/m3。代入式(2)得de=3.8×10-3m。

=3781.8ue

(3)

當(dāng)qV(空氣)∶qV(水)依次為8∶1、16∶1、24∶1和32∶1時(shí)，把水在填料層中的空塔速度代入式(3)，可得到水流動的雷諾數(shù)依次是13.0、18.1、29.2以及35.5。

2.3.2 曝氣筒中水的循環(huán)速度

由模擬計(jì)算可得到水在不同氣水比時(shí)的流速，其中曝氣筒內(nèi)的流速見圖9。

qV(空氣)∶qV(水)圖9 水在曝氣筒內(nèi)的流速曲線

隨著qV(空氣)∶qV(水)增加，曝氣筒內(nèi)水的流動速度不斷增大，依次為0.093 1、0.127 0、0.183 0和0.206 0 m/s。由Re的計(jì)算公式(1)，可計(jì)算得到，當(dāng)qV(空氣)∶qV(水)依次為8∶1、16∶1、24∶1和32∶1時(shí)，水在曝氣筒內(nèi)流動的Ret依次是9.26×103、1.26×104、1.82×104以及2.05×104。

填料層和曝氣筒內(nèi)部2個(gè)區(qū)域水流動的雷諾數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，填料層中水流動的Ret遠(yuǎn)小于層流雷諾數(shù)上限2 000；而曝氣筒內(nèi)水流動的Ret均接近或大于完全湍流Ret下限10 000。說明填料層中的流動狀態(tài)為層流，曝氣筒中的流動狀態(tài)為湍流。曝氣筒中的湍流狀態(tài)有利于氣液兩相充分混合，有利于氧氣轉(zhuǎn)化為溶解氧，從而有利于生物氧化反應(yīng)的進(jìn)行。填料層中的流動狀態(tài)為層流，既降低了水流對填料表面生物膜的沖刷，又保證了充足的接觸時(shí)間，保證生物氧化反應(yīng)能順利進(jìn)行。

隨著qV(空氣)∶qV(水)增大，水的流動速度不斷增大，即水的循環(huán)速度增大，其循環(huán)流量也跟著上升。由流速數(shù)據(jù)和流道尺寸可以計(jì)算得到，qV(空氣)∶qV(水)為8∶1、16∶1、24∶1和32∶1時(shí)，水的循環(huán)流量依次為10.5、14.3、20.6和23.3 m3/h，循環(huán)流量達(dá)到了進(jìn)水流量的21.0～46.6倍。在實(shí)際進(jìn)行水處理時(shí)，處理量(即進(jìn)水流量)會比較大，即使這樣，循環(huán)流量也可以達(dá)到處理量的十幾倍以上。所以，待處理的廢水流進(jìn)循環(huán)曝氣生物濾池后會被大流量的循環(huán)水迅速稀釋并進(jìn)入填料層進(jìn)行生物氧化反應(yīng)，這正是CBAF具有較強(qiáng)的抗沖擊性能以及較高處理效率的原因所在。

3 結(jié) 論

采用計(jì)算流體動力學(xué)和FLUENT軟件模擬了循環(huán)曝氣生物濾池中氣液兩相接觸時(shí)水中溶解氧濃度的分布以及水的循環(huán)流動狀況。模擬結(jié)果表明，循環(huán)曝氣生物濾池氣水比越大，溶解氧在水中的分布越均勻，平均濃度越高，當(dāng)qV(空氣)∶qV(水)>24∶1時(shí)平均濃度升高不明顯；填料層和曝氣筒中循環(huán)水的流速隨著氣水比的增大而上升，循環(huán)流量可超過進(jìn)水流量的20倍；通過雷諾數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以判斷出，填料層中水的流動狀態(tài)為層流，有利于廢水生物氧化，曝氣筒中水的流動狀態(tài)為湍流，有利于系統(tǒng)抗沖擊能力提高。研究結(jié)果可供生物氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水的循環(huán)曝氣生物濾池的設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)等參考。

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