氣升式環流反應器處理廢水的研究進展

隨著現代工業化進程的高速發展，大量工業廢水及生活污水未經處理就直接排入自然環境中，造成水環境惡化，對人類生存構成威脅．廢水生物處理技術已日漸成熟，在眾多水處理技術中地位越來越高．在廢水生物處理領域，除了先進的處理技術外，尋找能耗低、傳質效果好的生物反應器也成為廢水處理的關鍵．目前，對各類反應器的研究時有報道，機械攪拌式反應器是應用較早的一類生物反應器，因其使用技術成熟，在目前的反應設備中仍占據主導地位．隨著現代生物技術的發展，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、剪切力過大等．因此，氣升式環流生物反應器受到廣泛關注．
氣升式反應器是由傳統鼓泡塔改進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( 導流筒或外環流管) ，內部流體能夠有規律的循環流動，強化了相間混合、傳質與傳熱，具有制作簡單、能耗低、內部流場規則、剪切力小、混合性能好、相間傳質和傳熱效率高、密封性好、易于清洗和維修等優點．在過去幾十年，氣升式環流生物反應器因其優越的性能成為多相反應器研究的熱點之一，在生物工程、能源化工和環境保護等諸多領域得到了廣泛應用．
目前，氣升式反應器已從實驗室研究轉向工業應用領域，特別是在水處理領域中，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流反應器的類型及其在廢水處理領域的應用現狀，歸納總結了氣升式反應器流動與傳質的影響因素，并對其在水處理行業中的發展進行了展望．

圖1 氣升式環流反應器結構圖
1 氣升式環流反應器的基本原理
氣升式環流反應器由四個主要區域構成，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特性差異很大，其結構圖如圖1 所示．在反應器啟動過程中，首先在反應器中投加活性污泥或其他微生物; 廢水經水泵抽吸進入反應器，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入下降區進行反應，在下降區底部會達到缺氧狀態，使COD 和硝態氮進一步降解．處理后的廢水經過底部折流區再次返回到上升區，形成完整的循環．在上升區，氣含率較高，氣相動能較大，流體湍動劇烈，使得氣泡聚并和破碎頻繁，氣液相界面更新較快，相間傳質效率較高，因此，對于氣升式反應器而言，氣液相間傳質主要發生在上升區．
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的驅動力，推動流體在反應器內循環流動．氣升式環流反應器利用氣體的噴射動能和混合相的密度差引起液相的循環流動，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與液體充分混合，氣液相界面更新較快，相間傳質效率高．
2 氣升式環流反應器的分類及其在廢水處理領域的應用
雖然氣升式環流反應器結構簡單，但是其種類很多，因其突出的優點被廣泛應用于各種廢水的處理，并取得了很好的成果．氣升式環流反應器分類及其在廢水處理領域的應用，如表1 所示．


表1 氣升式環流反應器分類及其在廢水處理領域的應用
如表1 所示，氣升式環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 影響氣升式環流反應器處理效果的因素
影響氣升式環流反應器性能好壞的因素主要分為三大類: 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 年代開始，對反應器結構與內構件影響其性能的研究越來越多．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特性和傳質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，一般工業應用中也較多采用這類反應器．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與傳質特性，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，流體力學性能較好．
研究發現，反應器高徑比存在一個值，低于或高于值，反應器傳質效果差，傳質速率小，得出高徑比為12．5．設計開發了低高徑比環流反應器( 高徑比為3 左右) ，通過改進噴嘴結構來提高混合和傳質性能，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，使流體循環流動，其結構對反應器內特性參數( 如氣含率、循環液速等) 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與傳質特性的影響．
研究了縮放型導流筒和傳統直筒型導流筒對反應器傳質特性的影響，結果表明，縮放型導流筒的傳質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，液體循環流量大．對氣升式環流反應器內氣液兩相流動特性進行了研究，結果表明，在反應器總體積不變時，導流筒橫截面積的增加，會使反應器內氣含率和液相循環流量顯著增加; 導流筒頂部有喇叭口時，氣液分離效果提高．研究發現，增大導流筒的高度會顯著提高混合時間，當導流筒高度增加0．7 m 時，混合時間增加20 s～50 s 左右．研究表明導流筒高度增大會顯著提高液體流速，傳質效果提高．利用計算流體力學仿真研究了導流筒結構的影響，得出類似結論．
(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) 對流動特性的影響，研究發現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，微藻生長．研究表明，Ad /Ar 范圍為1．2～2．0 時，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性能，結果表明，隨著Ad /Ar 的增加，單擋板的總體積傳質系數先增加后降低，而雙擋板則隨著Ad /Ar 的增加而減小; 此外，波紋擋板在較低的Ad /Ar 下具有較高的傳質系數．
(4) 氣液分離器
氣液分離區的結構會對流體再循環強度產生較大影響，進而對反應器流體流動特性和傳質特性產生影響．其他條件一定時，氣液分離器主要影響液體循環速度、降液管中的氣含率、混合時間和總體積氧傳質系數．氣液分離器對流體動力學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有影響．的研究也得出類似結論．利用CFD 軟件對環流反應器內構件結構進行優化，研究發現氣液分離區高度與外筒高度比值過大會導致環流阻力增大，從而不利于流動，比值為0．34 ～ 0．36 時流動性能．研究發現，氣液分離器內液位高度增大會使混合時間減少，體積氧傳質系數降低．設計了一種的類似漏斗的氣液分離器，在分離器中裝有20 根分離管，當流體進入分離管時，由于管道突然收縮，流體流速會增大，氣液混合物從管中高速噴出，實現氣液分離．研究了分離器與筒體聯結角度( 分別為0°、30°、45°、60°和90°) 對氣升式內循環反應器內流動行為的影響，研究發現，當聯結角度為45°時，氣液分離效果好，能更好地實現氣液循環．
(5) 氣體分布器結構
氣相通過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、類型、孔徑、位置等．選取二噴嘴、旋切四噴嘴和O 型環分布器為研究對象，考察了噴嘴結構對流體流動和相間傳質特性的影響．實驗證明: 在表觀氣速相同的情況下，噴嘴直徑小、噴口數量多能增大整體氣含率和循環液速; 通氣量一定時，噴口數目過多會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，使得氣液傳質性能下降; 與O 型環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，并與多孔板和樹枝形多孔分布器進行比較，研究表明，氣體分布器結構對流體動力學參數的影響較大．研究了分布器開孔大小對氣升式反應器流體流動特性的影響，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液速，且分布均勻，氣液接觸較好; 在高氣速下，開孔大小對流場的影響很?。畧蟮婪Q噴口數量增大會使整體氣含率下降，這是因為噴口數量增多，氣泡數量增多，氣泡聚并機會也隨之增大．考察了噴嘴直徑和噴嘴位置對氣升式環流反應器內氣液兩相流動狀態的影響，結果表明，相對于噴嘴直徑為40 mm 和80 mm 時，噴嘴直徑為20 mm 時環流動力較大，上升區和下降區的環流液速較大，而氣含率改變不大; 噴嘴高置時的氣含率明顯大于噴嘴低置和平置時，噴嘴低置和平置時的氣含率相差不大，3種噴嘴位置下的環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氣速、液位高度和溫度、壓力等．
(1) 表觀氣速
表觀氣速是影響氣升式環流反應器混合和傳質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、循環液速、體積氧傳質系數、混合時間等．一般在其他條件一定的情況下，氣含率、循環液速和傳質系數會隨表觀氣速的增大而增大，但存在一個臨界表觀氣速，超過臨界表觀氣速后，對流體流動特性和傳質特性幾乎沒有影響．
發現，表觀氣速增大，氣泡數量增多，且氣泡尺寸分布由正態分布轉變為對數正態分布．研究了氣升式反應器中表觀氣速對液體循環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速度分布不均勻，液體循環速度隨著表觀氣體速度的增加而增加．報道稱液相循環速度與表觀氣速呈正相關，但在高表觀氣速下，液速變化較?。?/span>
(2) 液位高度
環流反應器內的液位高度對反應器的特性參數影響很大，它會對局部氣含率和循環液速產生直接影響．當其他條件不變時，反應器存在一個液位高度，低于這個高度，循環液速會隨液位高度增加而增大，導致氣含率降低; 高于這個高度，循環液速和氣含率不再受到液位高度的影響，但會增加能耗．因此在設計和操作氣升式反應器時，應考慮液位高度．
研究表明，隨著液位高度的增加，提升管和降液管中的氣含率、循環時間和混合時間均有所下降，而循環液速增加．得出相同結論．研究發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，對流型轉變有顯著影響; 而液位高度較高時，影響較?。?/span>
(3) 溫度、壓力
研究發現，壓力增加，氣含率增加，這是因為溫度較高時，增加壓力會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狀態沒有影響．加壓下，氣泡直徑變小且分布變窄、接近球形．報道稱溫度對液相物性有顯著影響，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．發現壓力增大，氣泡上升速度減小，氣含率上升，體積氧傳質系數增大．在加壓條件下對氣升式環流反應器內的局部氣含率進行了實驗研究，結果表明，環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，循環液速會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某一個值時，循環液速基本保持不變．
3．3 物性參數
影響氣升式反應器性能的液相性質主要有粘度和表面張力，固相性質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，氣含率會隨著粘度的增加而增加; 在高粘度下，氣含率和傳質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氣升式反應器流體力學和氣泡行為的影響，結果表明，隨著液體粘度的增加，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增加，當粘度達到10．3 cp 后保持不變．隨著粘度的增大，氣泡尺寸變大，導致氣含率減小; 循環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，液相表面活性大會在反應器上方產生大量泡沫，造成漫溢，甚至破壞循環流動的連續性．醇類等表面活性劑能減小體系表面張力，使氣液傳質效率提高．在反應器中加入正丁醇水溶液，研究發現，氣含率隨著正丁醇濃度的增加而增大，正丁醇水溶液存在一個濃度，超過濃度0．5%時，傳質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，循環液速降低．研究發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，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
隨著氣升式反應器在生物化工領域的應用不斷深入，研究固相性質對反應器性能的影響顯得十分重要．認為在表觀氣速超過0．02 m/s 時，固體顆粒( 聚苯乙烯) 的加入會使液體速度和體積氧傳質系數降低; 固含率在10%以上時，下降區的氣含率變化明顯，而上升區的氣含率幾乎沒有變化;固體濃度在5%時，傳質效率會降低24%．指出氣含率隨固含量及顆粒粒徑的增大而增大，而循環液速會減?。芯勘砻鞴腆w顆粒含量越多固含率越大，循環液速隨著固體含量的增加而減小，并隨粒徑的增大而減?。?/span>
4 結語與展望
近年來，國內外學者對氣升式環流反應器展開了大量的研究工作，并且取得了很大進展，研發設計了一些新型的氣升式環流反應器，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，氣升式環流反應器已應用于很多領域，如在生物工程領域用于微生物細胞培養和生物發酵，在環保領域用于工業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和相間傳質機理極其復雜，并且與之相關的影響因素眾多，仍然有很多地方需要進一步完善．要使氣升式反應器發揮更好的性能，必須對反應器結構進行改進，探索開發新型內構件，提高反應器混合和傳質性能; 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流反應器; 進一步完善數據采集系統，提高測量精度，獲取更準確的信息; 引入先進的計算手段來求解氣升式環流生物反應器的復雜模型，實現該類反應器的可視化設計．