曝气池研究现状分析

对曝气池的研究主要有2种方法：实验研究和数值计算。

10.2.1 实验研究

对于采用深层曝气、完全混合曝气池，在空气从扩散器进入曝气池的过程中，气－液两相流动为典型的浮力羽流。在对曝气池气－液混掺运动的研究中，人们主要是对其气泡羽流的变化和特性进行研究，因此常常忽略了曝气池的细部构造。有些学者对曝气池的构造进行了进一步的简化，其中，把曝气池简化为矩形或圆柱形的比较多，这相当于把曝气池中的特定部分抽离出来进行分析。通过这一简化，我们可以清楚地观察到曝气池中的浮力羽流的运行规律和变化情况。

对于采用深层曝气、完全混合曝气池，空气从扩散器中进入曝气池的过程是典型的浮力羽流。很多学者对于曝气池的模拟都是对这一过程进行简化处理，将曝气器简化为一个空气扩散装置，将曝气池简化为一个矩形或圆形的容器。也有人将扩散器直接安装在容器的底部，由扩散器直接向池内通气，通过观察分析容器内的各项动力以及传质、传热特性，对曝气池进行研究。在这一简化过程中，曝气池内的气液流动特性主要由气体在池内形成的气泡羽流来反映，因此，对曝气池内气－液两相流的研究最后被简化为对曝气池内气泡羽流的研究。而对于气泡羽流的模拟，很大一部分都是基于前人的相关实验。下面简要介绍其中具有代表性的实验。

Anagbo等人对气泡羽流不稳定特性进行了实验研究，实验在直径0.5m、高0.6m的圆柱形装置内进行，直径为0.06m的空气扩散装置设置在底部中心位置。实验对气体体积分数，气泡频率、直径、速度，以及液体平均速度等参数进行了测量。通过分析实验数据发现，在通气量为2×10－3m3／s的情况下，气泡尺寸在3～4mm之间。Anagbo等采用CFX－3D对该实验进行了模拟，分9种不同情况，包括不同的紊流传质扩散、黏度、气泡直径等。

Becker等人对矩形气泡羽流进行了实验研究，主要针对物理模型的改变对气－液两相流场的影响进行了分析。实验综合考虑了气体流速、反应器长宽比、分布器结构等对气泡羽流的影响。Gusheng Hu等以该实验为基础，采用欧拉－拉格朗日结合大涡模拟的方法，对该实验过程进行了数值模拟，模拟结果和实验结果吻合得非常好，为气泡羽流的模拟提出了更多新的方法和思路。

Pfleger等人对气泡羽流动力学特性进行了实验研究，主要研究不同气体扩散装置以及不同通气量情况下，气泡羽流流场的变化以及气泡直径分布等问题。

Vivek V.Buwa等人以该实验为基础，对这一实验进行了数值模拟。主要采用欧拉－欧拉双流体模型，并且在欧拉－欧拉双流体模型的基础上引入了气泡破碎和聚合模型，这一模型对气泡在水中的破碎和聚合进行了很好的描述。同时，利用气泡群体平衡模型对不同气泡直径分布范围进行了模拟。模拟的情况包括不同的气体分布器布置方式以及不同的通气速度等。其中，由于气泡破碎以及聚合模型的引入，使得模拟的细节得到了极大的改善，并且与真实的运动更为接近。

N.G.Deen等对一个尺寸为0.15m×0.15m×1m的矩形大尺度气流进行了详细的实验测量，分别采用PIV（Particle Image Velocimetry）粒子图像测速仪、LDV（Laser Doppler Velocimetry）激光多普勒测速仪进行测试，并且采用欧拉－欧拉双流体模型结合大涡模拟和k－ε紊流模型对这一实验过程进行了数值模拟。模拟的结果与实测值吻合比较好，其中大涡模拟的结果更加精确。在模拟过程中，对虚拟质量力的影响进行了考虑，模拟的细节与实验观测也基本一致，并且对实验中观察到的羽流瞬态现象也可以很好地捕捉。这个实验的结果对其他学者模拟气泡羽流具有很好的指导意义。

10.2.2 数值模拟

对于曝气池的研究，主要从其工作方式和工作原理方面进行。不同的曝气方式最终的目的，都是将空气中的氧转移到混合液中。因此，氧转移量的多少是评价曝气池工作效率的一个重要的参数之一。通过研究影响氧转移量的各种因素，可以达到削减曝气成本，提高污水处理效率的目的。

实验是研究曝气池运行效率的常用方式之一。实验研究可以得到比较直观的实验现象和数据，能够真实地反映曝气池的工作状态。但是，实验研究往往费用比较高，需要消耗大量的人力物力，且对于曝气池内部复杂的气－液两相流场不能很好地反映。随着计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟的方法在一定程度上弥补了这一缺陷。

程文等人对曝气池内的气液流动问题进行了实验研究，并且在实验的基础上建立了气－液两相紊流的流动模型，采用控制体积法进行了数值计算。计算结果和实测数据吻合比较好。这一研究成果对其他学者进行曝气池气－液两相流数值模拟具有指导意义。与这一实验相似，杨淑霞等人通过改变曝气器的布置方式和水平流速，并进行了充氧实验，总结了曝气布置方式以及流速对充氧能力和氧利用率的影响。采用数值模拟的方法，对曝气池内部流场进行模拟，研究不同参数对内部流场的影响，为实际工程的运行和优化提供依据。

对于曝气池内部的模拟，不仅可以了解整个流场的变化，对于其中比较复杂的气泡运动规律，如表面张力、黏度比、气泡间距、Re数等各种参数对气泡在曝气池内上升过程中变形、破裂等的影响，也可以进行比较精确的预测。为了验证模拟结果的精确性，需要与相关实验数据进行对比。采用的实验一般不考虑生物化学反应，只是从流场的角度考虑气泡运动和液体流速等因素对流场的影响。通过与之类似的曝气充氧实验，并结合相应的数值模拟工作，还可以对已有的经验公式（氧总转移系数）进行修正。由于曝气池工作的复杂性，对曝气池内气－液流场的模拟，必须综合考虑各种状态参数和物理参数的影响，以及所采用的曝气池模型的变化，分析不同参数变化下的流场，可以对曝气池体型（曝气管、曝气孔布置方式等）改变提供依据。除了对曝气池整个模型进行研究外，我们还可以对曝气池中的构件进行模拟，对构件的结构进行优化。如曝气池中采用的螺旋曝气设备、扬水曝气机、曝气搅拌机、射流曝气器等。

对于曝气池内气－液两相流动问题，国外很多学者从多个方面进行了大量的实验和数值模拟研究。其研究的方向可以分为两类：一是从流体动力学的角度，分析其流动变化规律；二是考虑生物化学反应，并结合相关实验，对曝气池内氧转移过程进行研究。

从流体动力学角度考虑，把曝气池中的气－液两相流动简化为气泡羽流。Smith B L利用两相流模型对气泡羽流做了模拟，并结合相关实验对模拟结果进行了详细的分析。在气泡羽流的实验研究中，采用的实验仪器不同可能得出不同的结果，模拟的结果也受到各种因素的影响。其中就模拟而言，不同的紊流模型以及不同的网格划分方法，对气泡羽流的捕捉也会产生较大的差异。而在气泡羽流的精细模拟中，气－液两相之间阻力系数的选取也会对模拟产生较大的影响，尤其是在气泡直径分布范围以及含气率的预测方面，选取较好的阻力系数模型可以得出更精细的结果。

随着实验技术的发展，气泡羽流实验测量也越来越精确。人们可以对气泡羽流的整体流动形态、发展，以及羽流附近的紊动扩散等进行精确的测量，也可以捕捉到气泡在羽流发生装置中形成和发展的变化过程，以及气泡在上升过程中破碎、聚合，气泡的直径分布等。以羽流实验为基础，可以采用不同的多相流模型对羽流模型进行模拟，为模型的修正和优化提供依据。为使模拟结果能够反映真实的运动状态，需要与相关实验相结合，综合考虑各种因素的影响。在这一方面，学者们做了大量的改进，比如：羽流分布器布置方式对羽流运动方式的改变，通气速度对羽流流动形态和运动周期变化的影响等。其中，对于羽流分布器，主要研究不同气泡发生装置，比如底部通气方式的变化以及通气孔布置位置等对气泡羽流流型、气泡分布特点的影响。不同的气泡发生装置产生的气泡大小也有很大的差异，不同的气泡其氧气利用效率也各不相同。国外有学者对于微气泡发生装置与传统的气泡扩散装置对氧气利用效率进行了详细的研究。从数学模型的改进这一方面，主要是对紊流模型和多相流模型进行改进，进而比较在不同的紊流模型、多项流模型，以及不同的边界条件得到的流场的区别。此外，为了真实反映气泡在水中的聚合和破灭规律，有的学者在所采用的多相流模型中加入了反映气泡破碎、聚合的数学模型，很好地模拟出了气泡真实的运动状态。

随着计算流体力学的发展，人们不再局限于从流体动力学的角度对曝气池内的气－液两相流进行模拟，还可以把流体运动理论和生物动力学模型相结合，以更加准确地反映出曝气池内的生物化学过程。比如，在曝气池模型中加入反应示踪粒子，通过监测示踪粒子在曝气池中的运动变化，可以很好地监测氧气在曝气池中的停留时间。在真实的曝气池生物反应中，除了传统的氨氮离子以外，温度也可以作为一个替代的示踪信号进行研究。就曝气池内的生物反应而言，氧传质的效率最为重要，这也是很多学者研究的重点方向。一些学者引入生物动力学模型，对氧气与絮凝体、污水之间的物质传递规律进行了准确的模拟，真实地反映了曝气池内污水与氧气之间的相互作用过程。而影响传质效率的因素非常多，包括气泡的密度、气流率、气泡的形状等，在现有的实验技术条件下，运用PIV技术可以对上述因素进行准确的测量和分析。

综合国内外学者的研究成果，可以从以下几个方面进行总结：

1）对曝气池内气－液两相流的描述有2种方法：欧拉方法和拉格朗日方法。其中采用最多的是欧拉方法。

2）研究基本方法：改变曝气池的结构参数和动力学参数，分析曝气池内各种物理量（流速、紊动动能、紊动动能耗散、压强等）以及流场结构的变化，并结合相关实验对模拟结果进行修正。

3）很多学者把曝气池的曝气过程简化为气泡羽流，通过这样简化，既减少了很多模拟的工作，也减小了实验的难度。

4）把曝气池内部气－液流动特性和污水处理的实际过程结合起来，研究的结果对实际工程的运用有更直接的指导意义。