隨著現(xiàn)代工業(yè)化進程的高速發(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，對人類生存構(gòu)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)中地位越來越高．在廢水生物處理領(lǐng)域，除了先進的處理技術(shù)外，尋找能耗低、傳質(zhì)效果好的生物反應(yīng)器也成為廢水處理的關(guān)鍵．目前，對各類反應(yīng)器的研究時有報道，機械攪拌式反應(yīng)器是應(yīng)用較早的一類生物反應(yīng)器，因其使用技術(shù)成熟，在目前的反應(yīng)設(shè)備中仍占據(jù)主導地位．隨著現(xiàn)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(yīng)器逐漸暴露出其局限性，如結(jié)構(gòu)復雜、密封性差、能耗高、剪切力過大等．因此，氣升式環(huán)流生物反應(yīng)器受到廣泛關(guān)注．
氣升式反應(yīng)器是由傳統(tǒng)鼓泡塔改進的用于多相體系的反應(yīng)器，它廣泛應(yīng)用于氣－液、氣－液－液或氣－液－固等多相接觸反應(yīng)．該反應(yīng)器由于加裝了導流裝置( 導流筒或外環(huán)流管) ，內(nèi)部流體能夠有規(guī)律的循環(huán)流動，強化了相間混合、傳質(zhì)與傳熱，具有制作簡單、能耗低、內(nèi)部流場規(guī)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．在過去幾十年，氣升式環(huán)流生物反應(yīng)器因其*的性能成為多相反應(yīng)器研究的熱點之一，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(yīng)用．
目前，氣升式反應(yīng)器已從實驗室研究轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在水處理領(lǐng)域中，展示了該反應(yīng)器良好的應(yīng)用效果與廣闊的應(yīng)用前景．本文概述了氣升式環(huán)流反應(yīng)器的類型及其在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了氣升式反應(yīng)器流動與傳質(zhì)的影響因素，并對其在水處理行業(yè)中的發(fā)展進行了展望．

圖1 氣升式環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖
1 氣升式環(huán)流反應(yīng)器的基本原理
氣升式環(huán)流反應(yīng)器由四個主要區(qū)域構(gòu)成，即上升區(qū)、下降區(qū)、氣液分離區(qū)和底部折流區(qū)，各區(qū)域內(nèi)流體的流動特性差異很大，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示．在反應(yīng)器啟動過程中，首先在反應(yīng)器中投加活性污泥或其他微生物; 廢水經(jīng)水泵抽吸進入反應(yīng)器，壓縮空氣由氣體分布器射入反應(yīng)器與廢水混合，并對其充氧，在上升區(qū)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(yīng)器頂部( 氣液分離區(qū)) 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(qū)進行反應(yīng)，在下降區(qū)底部會達到缺氧狀態(tài)，使COD 和硝態(tài)氮進一步降解．處理后的廢水經(jīng)過底部折流區(qū)再次返回到上升區(qū)，形成完整的循環(huán)．在上升區(qū)，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(zhì)效率較高，因此，對于氣升式反應(yīng)器而言，氣液相間傳質(zhì)主要發(fā)生在上升區(qū)．
由于上升區(qū)與下降區(qū)的氣含率不同，造成兩區(qū)域混合相的壓力存在差異，此壓差作為流體流動的驅(qū)動力，推動流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動．氣升式環(huán)流反應(yīng)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(huán)流動，不需額外的攪拌裝置，降低了設(shè)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(zhì)效率高．
2 氣升式環(huán)流反應(yīng)器的分類及其在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用
雖然氣升式環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，但是其種類很多，因其突出的優(yōu)點被廣泛應(yīng)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(yīng)器分類及其在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，如表1 所示．


表1 氣升式環(huán)流反應(yīng)器分類及其在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用
如表1 所示，氣升式環(huán)流反應(yīng)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(guī)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(yīng)器處理效果的因素
影響氣升式環(huán)流反應(yīng)器性能好壞的因素主要分為三大類: 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)以及流體的物性參數(shù)．
3．1 結(jié)構(gòu)參數(shù)
從20 世紀80 年代開始，對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與內(nèi)構(gòu)件影響其性能的研究越來越多．氣升式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括: 反應(yīng)器高徑比，導流筒結(jié)構(gòu)，上升段與下降段的面積比以及各種內(nèi)構(gòu)件等．這些結(jié)構(gòu)特征對反應(yīng)器內(nèi)流體流動特性和傳質(zhì)特性都有很大的影響．
(1) 反應(yīng)器高徑比
目前，人們對高徑比較高的反應(yīng)器( 大于7) 研究較多，一般工業(yè)應(yīng)用中也較多采用這類反應(yīng)器．大量研究表明氣升式反應(yīng)器的高徑比在10～14 左右．等設(shè)計研究了方形氣升式反應(yīng)器的流體力學與傳質(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，流體力學性能較好．
研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器高徑比存在一個值，低于或高于值，反應(yīng)器傳質(zhì)效果差，傳質(zhì)速率小，得出高徑比為12．5．設(shè)計開發(fā)了低高徑比環(huán)流反應(yīng)器( 高徑比為3 左右) ，通過改進噴嘴結(jié)構(gòu)來提高混合和傳質(zhì)性能，研究結(jié)果表明，其性能與相同尺寸的機械攪拌反應(yīng)器相似．
(2) 導流筒的結(jié)構(gòu)和尺寸
導流筒在反應(yīng)器中充當引流的作用，使流體循環(huán)流動，其結(jié)構(gòu)對反應(yīng)器內(nèi)特性參數(shù)( 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(shù)等對反應(yīng)器內(nèi)流體流動與傳質(zhì)特性的影響．
研究了縮放型導流筒和傳統(tǒng)直筒型導流筒對反應(yīng)器傳質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明，縮放型導流筒的傳質(zhì)系數(shù)比直筒型導流筒高10%左右．研究了導流筒結(jié)構(gòu)對氣升式反應(yīng)器性能的影響，結(jié)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(fā)現(xiàn)導流板間距越大，下降管內(nèi)液速越高，但當上升區(qū)和下降區(qū)面積比為1 時，液體循環(huán)流量大．對氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動特性進行了研究，結(jié)果表明，在反應(yīng)器總體積不變時，導流筒橫截面積的增加，會使反應(yīng)器內(nèi)氣含率和液相循環(huán)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(fā)現(xiàn)，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(zhì)效果提高．利用計算流體力學仿真研究了導流筒結(jié)構(gòu)的影響，得出類似結(jié)論．
(3) 下降段和上升段的面積比
反應(yīng)器上升段和下降段的面積比對于反應(yīng)器特性參數(shù)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(guī)模氣升式反應(yīng)器內(nèi)下降段與上升段的面積比( Ad /Ar) 對流動特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)Ad /Ar 的增加，使上升段內(nèi)流速增加，下降段內(nèi)流速減小．利用氣升式平板光生物反應(yīng)器培養(yǎng)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(yīng)器適于批量/連續(xù)高細胞密度系統(tǒng)．研究了具有兩種擋板的氣升式平板光反應(yīng)器的傳質(zhì)性能，結(jié)果表明，隨著Ad /Ar 的增加，單擋板的總體積傳質(zhì)系數(shù)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(zhì)系數(shù)．
(4) 氣液分離器
氣液分離區(qū)的結(jié)構(gòu)會對流體再循環(huán)強度產(chǎn)生較大影響，進而對反應(yīng)器流體流動特性和傳質(zhì)特性產(chǎn)生影響．其他條件一定時，氣液分離器主要影響液體循環(huán)速度、降液管中的氣含率、混合時間和總體積氧傳質(zhì)系數(shù)．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(fā)現(xiàn)氣液分離器的結(jié)構(gòu)主要影響下降段內(nèi)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(jié)論．利用CFD 軟件對環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)氣液分離區(qū)高度與外筒高度比值過大會導致環(huán)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(fā)現(xiàn)，氣液分離器內(nèi)液位高度增大會使混合時間減少，體積氧傳質(zhì)系數(shù)降低．設(shè)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(xiàn)氣液分離．研究了分離器與筒體聯(lián)結(jié)角度( 分別為0°、30°、45°、60°和90°) 對氣升式內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器內(nèi)流動行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當聯(lián)結(jié)角度為45°時，氣液分離效果好，能更好地實現(xiàn)氣液循環(huán)．
(5) 氣體分布器結(jié)構(gòu)
氣相通過氣體分布器射入反應(yīng)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(jié)構(gòu)具有重要意義．對氣體分布器的研究主要包括: 材質(zhì)、類型、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(jié)構(gòu)對流體流動和相間傳質(zhì)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(shù)量多能增大整體氣含率和循環(huán)液速; 通氣量一定時，噴口數(shù)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(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(jié)構(gòu)對反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器中推薦使用具有多回路的氣體分配器．設(shè)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(jié)構(gòu)對流體動力學參數(shù)的影響較大．研究了分布器開孔大小對氣升式反應(yīng)器流體流動特性的影響，結(jié)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，開孔大小對流場的影響很小．報道稱噴口數(shù)量增大會使整體氣含率下降，這是因為噴口數(shù)量增多，氣泡數(shù)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(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動狀態(tài)的影響，結(jié)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(huán)流動力較大，上升區(qū)和下降區(qū)的環(huán)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(huán)流液速由大到小的順序為: 低置＞平置＞高置．
3．2 操作參數(shù)
氣升式反應(yīng)器性能受操作條件的影響很大，這些參數(shù)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(huán)流反應(yīng)器混合和傳質(zhì)特性的主要操作參數(shù)，對反應(yīng)器特性參數(shù)都有影響，如氣含率、循環(huán)液速、體積氧傳質(zhì)系數(shù)、混合時間等．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(shù)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(zhì)特性幾乎沒有影響．
發(fā)現(xiàn)，表觀氣速增大，氣泡數(shù)量增多，且氣泡尺寸分布由正態(tài)分布轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)正態(tài)分布．研究了氣升式反應(yīng)器中表觀氣速對液體循環(huán)速度和氣體滯留量的影響，結(jié)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)速度隨著表觀氣體速度的增加而增加．報道稱液相循環(huán)速度與表觀氣速呈正相關(guān)，但在高表觀氣速下，液速變化較小．
(2) 液位高度
環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)的液位高度對反應(yīng)器的特性參數(shù)影響很大，它會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，反應(yīng)器存在一個液位高度，低于這個高度，循環(huán)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(huán)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(shè)計和操作氣升式反應(yīng)器時，應(yīng)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(huán)時間和混合時間均有所下降，而循環(huán)液速增加．得出相同結(jié)論．研究發(fā)現(xiàn)液位高度對反應(yīng)器內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變有一定的影響，液位高度較低時，對流型轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，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(tài)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(fā)現(xiàn)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(shù)增大．在加壓條件下對氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)的局部氣含率進行了實驗研究，結(jié)果表明，環(huán)流反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)體系確定時，循環(huán)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(huán)液速基本保持不變．
3．3 物性參數(shù)
影響氣升式反應(yīng)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(yīng)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(zhì)系數(shù)都隨粘度增加而降低．得出相似的結(jié)論．研究了液體粘度對外循環(huán)氣升式反應(yīng)器流體力學和氣泡行為的影響，結(jié)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(xiàn)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(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(yīng)器性能影響較大，液相表面活性大會在反應(yīng)器上方產(chǎn)生大量泡沫，造成漫溢，甚至破壞循環(huán)流動的連續(xù)性．醇類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(yīng)器中加入正丁醇水溶液，研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)系數(shù)隨濃度增加而減小．體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(xiàn)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(yīng)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(yīng)器在生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，研究固相性質(zhì)對反應(yīng)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(zhì)系數(shù)降低; 固含率在10%以上時，下降區(qū)的氣含率變化明顯，而上升區(qū)的氣含率幾乎沒有變化;固體濃度在5%時，傳質(zhì)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(huán)液速會減?。芯勘砻鞴腆w顆粒含量越多固含率越大，循環(huán)液速隨著固體含量的增加而減小，并隨粒徑的增大而減小．
4 結(jié)語與展望
近年來，國內(nèi)外學者對氣升式環(huán)流反應(yīng)器展開了大量的研究工作，并且取得了很大進展，研發(fā)設(shè)計了一些新型的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，如氣升式光生物反應(yīng)器、超聲波氣升式反應(yīng)器和氣升式生物膜反應(yīng)器等．目前，氣升式環(huán)流反應(yīng)器已應(yīng)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(yǎng)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(yīng)器內(nèi)多相流的流動和相間傳質(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一步完善．要使氣升式反應(yīng)器發(fā)揮更好的性能，必須對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進行改進，探索開發(fā)新型內(nèi)構(gòu)件，提高反應(yīng)器混合和傳質(zhì)性能; 探索各物性參數(shù)對氣升式反應(yīng)器性能的影響規(guī)律，使其適用于不同類型廢水的處理，提高處理效率; 設(shè)計操作彈性大且能適應(yīng)不同反應(yīng)體系的氣升式環(huán)流反應(yīng)器; 進一步完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(huán)流生物反應(yīng)器的復雜模型，實現(xiàn)該類反應(yīng)器的可視化設(shè)計．