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(dǎo)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(fù)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(dǎo)流裝置( 導(dǎo)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(jì)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(dǎo)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(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，流體力學(xué)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(dǎo)流筒的結(jié)構(gòu)和尺寸
導(dǎo)流筒在反應(yīng)器中充當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)流筒和傳統(tǒng)直筒型導(dǎo)流筒對反應(yīng)器傳質(zhì)特性的影響，結(jié)果表明，縮放型導(dǎo)流筒的傳質(zhì)系數(shù)比直筒型導(dǎo)流筒高10%左右．研究了導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流板間距越大，下降管內(nèi)液速越高，但當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流筒的高度會顯著提高混合時間，當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)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(xué)仿真研究了導(dǎo)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(dāng)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(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(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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(xué)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(dāng)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(dǎo)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，影響較小．
(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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xué)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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，使得氣含率減小．
(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(rèn)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)液速會減小．研究表明固體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(xué)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(fù)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(zhǔn)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(fù)雜模型，實現(xiàn)該類反應(yīng)器的可視化設(shè)計．