周　濤　 孫建紅　 孫　智　 劉　可

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院, 南京 210016)

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螺旋曝氣特性與流場分析

周濤 孫建紅 孫智 劉可

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院, 南京 210016)

為了提高曝氣效率，提出了一種具有螺旋流場特性的新型曝氣方式.通過對螺旋曝氣進(jìn)行理論分析發(fā)現(xiàn)，該方法可以提高氣-液兩相的總接觸面積，進(jìn)而增強(qiáng)曝氣效率.同時(shí)采用Euler-Euler雙流體模型對螺旋曝氣池流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與傳統(tǒng)曝氣方式(垂直曝氣和水平曝氣)進(jìn)行對比分析.工程實(shí)例分析結(jié)果表明，當(dāng)曝氣總流量為7.48 kg/s時(shí)，螺旋曝氣池全流域平均混合效率約為垂直曝氣池的23倍，且為水平曝氣池的10倍.此外，對螺旋曝氣池中渦運(yùn)動(dòng)和湍流脈動(dòng)等流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析以及對氣含率分布的考察發(fā)現(xiàn)，螺旋曝氣中的氣羽柱前行路徑成螺旋狀，渦運(yùn)動(dòng)和湍流脈動(dòng)增強(qiáng)，使得氣-液總接觸面積增大，流場更均勻，曝氣效率更高.

螺旋曝氣法;螺旋曝氣池;混合效率;氣含率

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),污水處理技術(shù)的更新改進(jìn)逐漸引起廣泛關(guān)注.目前,污水的凈化處理普遍采用活性污泥法.該方法通過好氧微生物吸附和氧化污水中的有機(jī)物達(dá)到凈化污水的目的,因此如何使曝氣池中的好氧微生物充分地與氧氣接觸反應(yīng)成為該方法中的關(guān)鍵技術(shù)[1].

現(xiàn)有的曝氣方法主要有鼓風(fēng)曝氣法、機(jī)械曝氣法等,這些曝氣方法氣泡分布不均勻、氧氣利用率低、曝氣效果差.并且采用這些方法的曝氣池占地面積較大,難以應(yīng)用于中小型污水處理系統(tǒng).為此,孫建紅等[2-3]在對射流機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,針對該問題提出了一種螺旋的曝氣池結(jié)構(gòu)[4-5].

目前,人們廣泛地開展了與曝氣池曝氣相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究.在實(shí)驗(yàn)研究方面,廣大學(xué)者主要針對曝氣效果進(jìn)行了研究.例如,萬甜等[6]采用傅里葉變換的粒子圖像測速法對曝氣池內(nèi)氣泡的停留時(shí)間、速度脈動(dòng)等參量進(jìn)行了測量.周濤等[7]采用清水充氧實(shí)驗(yàn)研究了射流微泡曝氣器的溶氧性能及其工程應(yīng)用;Fayolle等[8]采用正交和非穩(wěn)態(tài)綜合測量方法研究了不同水流速度下曝氣的氣泡尺寸、曝氣水深以及氧轉(zhuǎn)移系數(shù);Vermande等[9]采用非穩(wěn)態(tài)測量方法對曝氣過程中的氣泡直徑、氣體速度、水流速度等物理量進(jìn)行了測量,并分析了這些參量對曝氣過程氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響.在曝氣池的數(shù)值研究方面,人們的關(guān)注點(diǎn)主要有數(shù)值方法可靠性的驗(yàn)證、曝氣效果分析以及曝氣池的流場特性分析等.Dhotre等[10]采用Euler-Euler方法計(jì)算了圓柱形曝氣池底部中心曝氣的氣液兩相流動(dòng),計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好;Fayolle等[11]采用雙流體模型對推流式的曝氣池進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值方法可以準(zhǔn)確地模擬曝氣過程;Gresch等[12]計(jì)算了不同曝氣分布的曝氣池內(nèi)部流動(dòng),發(fā)現(xiàn)不同的曝氣方式對曝氣結(jié)果影響較大.張從菊等[13]采用CFD軟件對曝氣池內(nèi)的氣液兩相流體開展了數(shù)值研究,分析了不同曝氣強(qiáng)度下的曝氣池內(nèi)氣液兩相流動(dòng)規(guī)律,結(jié)果表明曝氣強(qiáng)度越大,氣含率越高.肖柏青等[14]采用Euler-Lagrange方法結(jié)合大渦模擬方法的手段研究了曝氣池中氣泡羽流的流動(dòng)特性及其對氧轉(zhuǎn)移的影響,發(fā)現(xiàn)水流的對流對溶氧分布起決定作用.肖柏青等[15]還采用Euler-Lagrange方法研究了不同氣泡尺寸對計(jì)算結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)多組氣泡尺寸計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更吻合.

通過上述分析可以看出,盡管人們針對曝氣池開展了廣泛的研究,但這些研究均以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的曝氣池為對象,并未涉及螺旋曝氣機(jī)理,目前還未見與其相關(guān)的研究.事實(shí)上,傳統(tǒng)曝氣方法和曝氣池的曝氣效果并不能滿足技術(shù)需要,還存在巨大改進(jìn)空間.鑒于此,本課題組設(shè)計(jì)了一種新型的螺旋曝氣池,同時(shí)將其應(yīng)用于實(shí)際工程[7].本文詳細(xì)分析了螺旋曝氣池的曝氣效果和曝氣機(jī)理,并利用數(shù)值方法對螺旋曝氣進(jìn)行了分析,希望為污水處理提供一種新的曝氣方法和設(shè)計(jì)思路.

1　螺旋曝氣的基本原理

在螺旋曝氣池中,氧氣的擴(kuò)散與轉(zhuǎn)移過程遵循物質(zhì)擴(kuò)散的基本規(guī)律,即Fick定律:

(1)

式中,dM/dt為物質(zhì)的擴(kuò)散速率;DL為物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù);A為接觸界面面積;C為空氣的物質(zhì)濃度;X為擴(kuò)散過程的路徑;dC/dX為濃度梯度.根據(jù)擴(kuò)散過程的雙膜理論,可將式(1)轉(zhuǎn)化為

(2)

(3)

由式(3)可知,在曝氣的氧濃度值C不變的條件下,要提高氧氣的轉(zhuǎn)移速度dC/dt,可以通過提高KL的方法來實(shí)現(xiàn).在螺旋曝氣池中,通過射流曝氣裝置提供了快速的入射速度,增強(qiáng)了主流體中的渦運(yùn)動(dòng)和湍流強(qiáng)度,從而降低了液膜厚度,加速了氣液界面的更新.

此外,在曝氣過程中空氣微泡在前行中與液體的總接觸面積A為

A=∫ABudt=ABl

(4)

式中,AB為空氣微泡的表面積;u為空氣微泡的速度;l為空氣微泡的前行路程.在螺旋曝氣過程中,曝氣池底部的射流曝氣器形成旋轉(zhuǎn)力,加上流體浮力的作用,使得曝氣池內(nèi)的污水旋轉(zhuǎn)上升,增加了微氣泡和污水的運(yùn)動(dòng)路程,進(jìn)而提高了氣液兩相的總體接觸面積.

由上述理論分析可以看出,螺旋曝氣池通過降低液膜厚度和提高氣液兩相的總體接觸面積,達(dá)到提高曝氣效果的目的.同時(shí),在螺旋流場的作用下,曝氣及氣泡分布更均勻,混合效果更好,會(huì)進(jìn)一步增加曝氣池有效體積,提高曝氣效果.

2　物理模型

以中小型污水處理系統(tǒng)的曝氣池為例,圖1給出了一種螺旋曝氣池結(jié)構(gòu).該曝氣池的設(shè)計(jì)容積為25 m3,外形采用圓筒結(jié)構(gòu).其中,D為圓筒直徑,H為圓筒高度.底部水平面內(nèi)沿圓周方向均勻分布有3個(gè)射流曝氣器,其射流方向與圓心成120°夾角,射流曝氣器出口距圓心的距離為r,其安裝高度為h.為了對比分析,同時(shí)還對2種非螺旋曝氣池進(jìn)行了數(shù)值模擬,即垂直曝氣池(見圖2(a))和水平曝氣池(見圖2(b)),其尺寸大小、曝氣口位置以及曝氣條件與螺旋曝氣池相同(見表1).

圖1　螺旋曝氣池結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

圖2　垂直曝氣池和水平曝氣池結(jié)構(gòu)示意圖

3　數(shù)值計(jì)算方法

為了數(shù)值模擬曝氣池的內(nèi)部流場,控制方程采用非定常不可壓的雷諾平均Navier-Stokes方程(RANS).該方程包含連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,可以寫成如下形式:

(5)

(6)

式中,下標(biāo)i為第i相(i=1為液相流體,i=2為氣相流體);αi為第i相的體積分率;ρi為第i相的密度;ui為第i相的速度;Pi為第i相的壓強(qiáng);Fd為不同相之間的曳力;g為重力加速度;τi為第i相的黏性應(yīng)力張量.

為了計(jì)算曝氣池中的氣-液兩相流動(dòng),采用Fluent軟件中的Euler-Euler雙流體模型求解控制方程(5)和(6).壓力-速度的耦合求解采用SIMPLE算法,對流和擴(kuò)散項(xiàng)的離散均采用二階迎風(fēng)格式,湍流模型采用k-ε模型.曳力模型采用Schiller-Naumann模型,即

(8)

式中,CD為曳力系數(shù);d2為氣相氣泡的平均直徑.

計(jì)算采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)約為3.7×106.為了保證流動(dòng)變化劇烈區(qū)域的網(wǎng)格分辨率,對壁面邊界層和射流曝氣器出口等區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密,如圖2所示.射流曝氣器噴口處采用速度入口邊界條件,曝氣速度為1 m/s;曝氣池頂部采用壓力出口邊界條件;固壁采用無滑移、無穿透的絕熱邊界條件;時(shí)間步長取為5 ms.射流曝氣器噴射的流體為氣液混合物,總流量為7.48 kg/s,混合液中的氣體體積分?jǐn)?shù)為10%.

圖3　曝氣器對稱截面上的計(jì)算網(wǎng)格示意圖

4　計(jì)算結(jié)果與分析

4.1曝氣池內(nèi)的曝氣效果分析

氣含率是考察曝氣池曝氣效果的重要指標(biāo)，直接反映了曝氣池內(nèi)的氣體分布情況,圖4～圖6分別給出了總流量相同的3種曝氣池(非螺旋垂直曝氣、非螺旋水平曝氣和螺旋曝氣)曝氣產(chǎn)生的氣羽柱以及幾個(gè)典型截面上的氣含率分布.

在非螺旋垂直曝氣池底部,流體浮力和曝氣射流的沖擊力方向一致,氣泡在浮力和慣性力的共同作用下快速上升,并從曝氣池頂部溢出.其曝氣效果如圖4所示,該曝氣方式產(chǎn)生的氣泡主要集中在狹小的曝氣射流核心區(qū)內(nèi),遠(yuǎn)離核心區(qū)的氣含率迅速衰減.各水平截面的氣含率分布主要集中在射流中心,其他區(qū)域氣含率很小,可忽略,如圖4(b)所示.這使得曝氣池內(nèi)部的氣含率均勻性差,氣泡分布極其不均勻,從而使得曝氣池的整體曝氣效果較差.

在非螺旋水平曝氣池底部,由于沿著射流方向具有一定的初速度,氣泡會(huì)跟隨主體相水流向前運(yùn)動(dòng),氣羽柱呈拋物線狀,如圖5(a)所示,曝氣器2的射流混合液體在初始速度作用下前行并與壁面碰撞,隨后沿壁面上升.該曝氣方法產(chǎn)生的氣泡主要集中在沿射流方向的帶狀拋物線內(nèi).與垂直曝氣相比,水平曝氣方法在各水平面的氣含率分布沿射流方向呈帶狀分布,但是垂直于射流方向的其他區(qū)域氣含率依舊很低,如圖5(b)所示.因此,該曝氣池內(nèi)的氣泡分布仍不太均勻,依然不能很好發(fā)揮曝氣作用.

(a) 曝氣氣羽柱分布

(b) 水平截面氣含率分布

(a) 曝氣氣羽柱分布

(b) 水平截面氣含率分布

(a) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(b) 計(jì)算結(jié)果

在螺旋曝氣池內(nèi),由于3個(gè)射流曝氣器周向分布,曝氣池內(nèi)的流體在射流沖擊作用下產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.通過對比可以發(fā)現(xiàn),數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在螺旋曝氣池頂部都有3個(gè)氣泡流出的集中區(qū),并且流體沿逆時(shí)針方向有一定的旋轉(zhuǎn),氣含率集中區(qū)被這種旋轉(zhuǎn)作用往下游拉伸,計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.同時(shí),氣泡在這種旋轉(zhuǎn)效果的作用下沿一定的螺旋軌跡運(yùn)動(dòng),如圖7所示.氣含率分布呈三足鼎立式分布,并且由于整體流程的旋轉(zhuǎn)作用,加速了氣體的擴(kuò)散,在3個(gè)峰值點(diǎn)以外的其他區(qū)域也有一定的氣體分布,其氣含率分布更加均勻,有利于曝氣效果的增強(qiáng).

通常,為了使曝氣池內(nèi)的微生物保持良好的活性,必須保證曝氣池內(nèi)具有足夠的溶解氧.因此,曝氣池內(nèi)的氧濃度需要保持在不低于2 mg/L(空氣的體積分?jǐn)?shù)約0.7%)的水平[1].定義曝氣池內(nèi)的空氣體積分?jǐn)?shù)大于0.7%的區(qū)域?yàn)橛行貧鈪^(qū).為了定量對比分析上述3種曝氣池的有效曝氣區(qū),圖8給出了曝氣池水平面內(nèi)有效曝氣面積隨曝氣池高度的變化曲線.圖中,Ae為曝氣池水平面內(nèi)的有效曝氣面積,AT為曝氣池的水平截面積.可以看出,在3種曝氣池中,垂直曝氣池的有效曝氣面積最小,僅占曝氣池水平截面積的0.2%左右;水平曝氣的曝氣池次之,約占水平截面積的0.8%;螺旋曝氣池的有效曝氣面積最大,約占水平截面積的1.3%～2.4%.此外,螺旋曝氣池的中間部分有效面積最大,有利于曝氣池內(nèi)的污水凈化處理.

(a) 曝氣氣羽柱分布

(b) 水平截面氣含率分布

圖8　曝氣池水平面內(nèi)的有效曝氣面積隨曝氣池高度Z的變化曲線

為了進(jìn)一步對曝氣池的曝氣效果進(jìn)行定量分析,引入混合效率σ，σ的定義如下:

(9)式中,Cin為入口的空氣物質(zhì)濃度;C0為曝氣前污水的空氣物質(zhì)濃度,這里取為0.混合效率σ的取值范圍為0～100%,其數(shù)值越大，表明混合效果越好.

相同工況條件下3種曝氣池氣液混合效率如表2所示.由表可知，螺旋曝氣池全流域平均混合效率約為垂直曝氣池的23倍，為水平曝氣池的10倍，且無論是局部流場還是整體流場,螺旋曝氣池的曝氣效率均遠(yuǎn)大于其他曝氣方式.因此,螺旋曝氣池的曝氣效果較好,屬于一種有潛力的污水處理方式.

表2　不同曝氣方法氣液混合效率對比

4.2螺旋曝氣池的曝氣機(jī)理分析

(10)

圖9　螺旋曝氣池內(nèi)的Lamb矢量散度分布

氣體在曝氣池內(nèi)的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移不僅與曝氣池內(nèi)的渦運(yùn)動(dòng)有關(guān),還和曝氣池內(nèi)的湍流特性密切相關(guān).一方面,流體湍動(dòng)能的增加可以有效地降低氣液交界面的液膜厚度,加速氣液界面的更新速度,加快氣相的傳質(zhì)速率;另一方面,流體湍動(dòng)能的增加,使得流體的脈動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng),加速了氣體相的擴(kuò)散,使得流體的混合能力增強(qiáng),有利于氣泡的均勻分布.

圖10給出了螺旋曝氣池內(nèi)的湍動(dòng)能分布.可以看出,湍動(dòng)能在氣羽柱附近出現(xiàn)峰值,這與當(dāng)?shù)卮嬖谳^大的對流有關(guān).隨著流體流動(dòng)螺旋上升,湍動(dòng)能峰值逐步衰減并向四周擴(kuò)散.在曝氣池上部的2個(gè)截面內(nèi)(即Z/H=0.6和Z/H=0.9平面),湍動(dòng)能已經(jīng)逐漸擴(kuò)散到整個(gè)平面內(nèi),這有利于該處曝氣池氣體的均勻分布，同樣也可以提高螺旋曝氣的效果.

(a) 湍動(dòng)能的三維結(jié)構(gòu)

(b) 不同水平截面上的分布情況

5　結(jié)語

本文提出了一種全新的螺旋曝氣方式.螺旋曝氣能夠減小降低液膜厚度,增加總接觸面積,提高湍動(dòng)能以及對流傳質(zhì)效果,使得曝氣流場均勻混合,大幅度改善曝氣效率,是一種有廣泛應(yīng)用前景的高效曝氣新方法.

通過數(shù)值方法對螺旋曝氣池流場進(jìn)行了模擬計(jì)算.引入混合效率對螺旋曝氣池的曝氣效果進(jìn)行定量評價(jià),并通過螺旋曝氣池與非螺旋曝氣池的對比,發(fā)現(xiàn)螺旋曝氣池內(nèi)的氣含率分布更加均勻,其氣泡的混合效率遠(yuǎn)高于非螺旋曝氣池.

同時(shí),分析了螺旋曝氣池內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)、氣含率分布,在此基礎(chǔ)上對螺旋曝氣池的渦動(dòng)力學(xué)特性和湍動(dòng)能進(jìn)行了分析研究.通過分析發(fā)現(xiàn)螺旋曝氣池曝氣效果增加的主要原因是螺旋曝氣池的混合效果增加,流場更加均勻,氣液總體接觸面積增大,并且渦運(yùn)動(dòng)增強(qiáng).

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Performance and flow analysis of spiral aeration

Zhou Tao Sun Jianghong Sun Zhi Liu Ke

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

To improve the efficiency in mass transfer of oxygen, a novel aeration method with spiral flow field characteristics was presented. By making theoretical analysis on the spiral aeration, we find that the total contact area of gas-liquid two-phase is increased and the aeration efficiency is improved. Based on its principle analyses, a numerical calculation of spiral aeration tank flow field was carried out by using Euler-Euler two-fluid model, and compared with that of traditional aeration tank (vertical and horizontal aeration tanks). Comparing results show that the average mixing efficiency of a spiral aeration tank is about 23 times of a vertical aeration tank, and 10 times of a horizontal aeration tank. On the other hand, the analyses turn out that in a spiral aeration tank the path of the gas is helix, the vortex motion is stronger, the length of the path is longer, the total contact area is larger and the aeration efficiency is higher. The distributions of flow field and gas holdup are more uniform in spiral aeration method.

spiral aerating method; spiral aeration tank; mixing efficiency; gas holdup

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.024

2016-04-02.作者簡介: 周濤(1982—),男,博士生;孫建紅(聯(lián)系人),男,教授,博士生導(dǎo)師,jhsun@nuaa.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21407077)、江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2012-JNHB-014)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目.

TH17;V240.2

A

1001-0505(2016)05-1038-07

引用本文: 周濤,孫建紅,孫智,等.螺旋曝氣特性與流場分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(5):1038-1044. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.024.