涡旋波膜生物反应器的过程强化效应

时间：2025-05-02

涡旋波是一种特殊的边界层分离现象,它产生于层流状态下并可在相对较宽的流道内进行强对流混合,从而起到强化传质的效果。本文利用涡旋波膜生物反应器对人工合成废水进行生化处理,对各不同时刻出水的COD值进行测试;并对涡旋波膜生物反应器不同折流间距的槽道结构进行传质性

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涡旋波膜生物反应器的过程强化效应

王旭，史启才，刘凤霞，刘志军

大连理工大学化工机械系，大连 116012

摘要：旋波是一种特殊的边界层分离现象，它产生于层流状态下并可在相对较宽的流道内进行强对流混合，从而起到强化传质的效果。本文利用涡旋波膜生物反应器对人工合成废水进行生化处理，对各不同时刻出水的COD值进行测试；并对涡旋波膜生物反应器不同折流间距的槽道结构进行传质性能测试，分析了Re数及折流间距对增强传质性能的影响。

关键词：涡旋波膜生物反应器Re数传质 COD

中图分类号：353.5

1. 前言

在一定条件下，当振荡流通过截面尺寸突扩的二维流道时，在流道壁面处产生一系列旋涡，同时流道的中心流域伴随着一种波状结构，这种条件下产生的波状流动及壁面处生成的旋涡称为涡旋波流动[1]。它能够在低雷诺数、小能耗和低剪切应力的前提下增强传质能力。涡旋波流动的形成对于那些对剪切应力敏感的生物分子的传质过程更为有利，利用振荡流和旋涡良好的混合作用来克服膜对氧气的扩散限制[2]。

涡旋波膜生物反应器结合涡旋波与膜生物反应器技术，充分利用涡旋波流动强化传质的特性，在相对较小的Re数下可以强化传质和反应过程，从而克服了传统反应器主要依靠提高流速或增加搅拌来进行过程强化的局限性，同时也降低了能耗。本文利用涡旋波膜生物反应器对人工合成废水进行生化处理，并对不同槽道结构进行传质性能测试，对比了涡旋波流动和稳定流动时废水生化处理过程中的传质性能及COD去除率，考察了不同结构的反应器对传质性能的影响，为涡旋波膜生物反应器的应用提供了一定的实验依据。

2. 实验流程与参数选择

2.1 实验流程

实验流程如图1所示。

图1 实验流程图

Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

实验装置主要由以下五部分组成：涡旋波膜生物反应器、振荡流发生系统、供气系统、稳定流循环系统、溶解氧在线测试系统。柱塞式计量泵用于产生周期性的振荡流使反应器的

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来流速度按近似正弦规律变化，压缩机用于提供实验所需的压缩空气，磁力循环泵用于回流污泥并起到叠加稳定流的目的，多功能水质分析仪与计算机相连实现了在线连续测量生化反应过程中溶解氧DO 随时间t 的变化规律。出水COD 值通过微波密封消解COD 快速测定仪进行测定。实验中用减压阀来控制进气压力稳定，通过调节排气系统的背压值来调节膜压，通气量用空气转子流量计来计量。

涡旋波膜生物反应器中采用的膜为聚砜平板膜，膜表面上涂有一层硅橡胶。膜在本实验中所起的作用主要有两点：(1) 膜曝气：曝气既为微生物提供了必要的氧，也提供了水力混合以确保较高的传质速率[3]；(2) 富集氧气。

2.2 振荡流与稳定流

实验中为调整振荡频率，采用变频器调节电机转速，可将振荡频率设置成实验所需的范围。

反应器入口截面的最大速度为：

wh r

A U p Ω×=π2024.1 (1)

式中：Ω—泵的活塞运动频率，Hz ；r —曲轴半径，mm ；l —连杆长度，mm ；A p —活塞面积，

mm 2；w —反应器宽度，mm ；h —反应器入口截面高度，mm 。

定义稳定流比例参数δ：

U U s s +=δ (2) 式中：U s —稳定流入口截面速度，m/s ；U —入口截面的最大速度，m/s 。当δ=0时，入流为纯振荡流，δ=1时，入流为纯稳定流。

图2为振荡流叠加稳定流入口截面速度u (m/s)曲线图。

图2 入口截面速度曲线图