绿色矿山建设是一项复杂的系统工程，矿山开采过程中产生的废水、废气和废渣必须采取有效措施进行合理处置，确保排放的废弃物达到国家和地方有关标准规定，才能实现矿产资源开发利用与生态环境保护之间的协调发展。矿山开采产生的污水处理过程需要用到气—液搅拌反应器，表面曝气反应器是其中比较特殊的一种。与常规气—液搅拌反应器气相通过气体分布器从反应器下部进入反应器不同，表面曝气反应器通过表面曝气桨在液面形成的剧烈湍动，使未反应的气体由反应器内液面上方的空间再次吸入并分散。因此，采用表面曝气操作方式可省略未反应气体分离、净化、压缩和再循环等一系列过程，对减少设备投资、运行费用具有重要意义[1]。
有关表面曝气反应器的研究已有很多，但大多集中于单层桨表面曝气搅拌反应器的实验研究和简单的表面曝气现象机理分析[2,3,4]，以及多层桨的表面曝气反应器构型优化[1,5,6,7,8,9]。同时，这些研究多数关注临界表面曝气速率、搅拌功率和气液体积传质系数等宏观性质，而宏观性质数据与操作条件、物性等的关联式只能在一定的操作条件和特定结构的反应器中才适用[10]。反应器内分散相的空间分布信息常常是决定多相流体之间传质、传热特性和反应过程好坏的关键参数，与产品质量也有着直接的对应关系[11]。其中，气泡直径大小影响反应器内气泡的停留时间和传质相界面积，从而影响到气液传质效率。目前尚无对表面曝气反应器内气泡尺寸测量工作的报道，对气泡直径分布的研究有利于进一步理解表面曝气反应器内气液分散过程。
气泡直径的测量方法有很多，其中照相法被认为是最直观且准确的，已被广泛应用于多相反应器中分散相分布的测量。非侵入式照相通过透明壁面对反应器内的多相流动进行拍照测量[11,12,13,14]，但其最大的缺点是只能测量壁面附近或很稀相含率体系。近年来发展起来的侵入式照相技术，将照相设备直接侵入多相反应器内部测量位置进行拍照，可实时获得反应器内部测量位置处分散相局部性质信息。国外的几种侵入式照相设备包括光纤内窥镜[15]、颗粒视频显微镜（PVM）[16]和SOPAT照相探头[17]。从原理上来说，侵入式照相设备既可克服非侵入式照相的局限，又能很好地解决取样照相离线测量的缺点[18]。中国科学院过程工程研究所基于远心照相原理，结合高亮度LED照明技术，设计发明了侵入式远心照相测量仪[19]，有效解决了图像光学畸变的问题。通过图像处理多相流实时图像，即可获得反应器内气泡尺寸的分布。目前该技术已成功应用于气—液搅拌槽和鼓泡塔内气相流体力学的研究。
本研究采用远心多相测量仪测量表面曝气反应器内气泡尺寸的分布，在此基础上统计其局部气含率和比表面积，并与气体分布器供气的反应器气泡特征进行了对比分析，以期揭示表面曝气反应器内气泡运动规律，为表面曝气反应器设计提供参考，也为发展表面曝气反应器模型及模型验证提供急缺的基础数据，从而为绿色矿山建设提供一种高效的废水处理装置。
1 试验装置和方法
图1
图1
表面曝气反应器及远心照相测量系统
1-标准Rushton搅拌桨；2-远心照相探头；3-光源；4-计算机
Fig.1
Surface aerating reactor and telecentric vision instrument
侵入式远心照相测量仪主要包括远心照相探头（远心镜头、CMOS高速工业相机、LED灯和视窗）、同步控制中枢、光源、数据传输系统（USB 3.0数据线）以及安装有图像采集软件和图像处理软件的电脑系统，更多的细节详见文献[12]。采用开发的图像处理软件——多相流体系分散相图像识别与分析系统，对气泡图像进行识别处理，主要包括4个步骤：设定标尺、二值化图像、自动识别和手动修正。待目标气泡选中后，采用等面积圆方法，通过图像处理得到每张照片上单个气泡的直径di，之后通过
式中：di为单个气泡的直径（μm）；ni为直径di气泡的个数。在此基础上，通过计算测量区域内目标气泡的总体积和测量体积，可获得局部气含率，计算公式如下：
式中：Vi为直径di气泡的体积（μm3）；m为处理的照片张数；VT为侵入式远心照相探头可测量到的区域体积，计算公式为
式中：LT为侵入式远心照相探头的景深（μm）；S为该照相探头的测量面积（μm2）。在此基础上，可进一步计算测量点处气泡的比表面积a：
式中：αg为测量点处的局部气含率（%）。
2 结果和讨论
2.1 气泡形态的定性比较
图2
这种差异可以从以下2个方面解释：首先从表面曝气机理进行定性分析，表面曝气反应器中的气泡主要靠液面附近的湍流涡，克服浮力将液面上方的气泡卷吸进反应器，再通过搅拌桨产生的宏观流动，将卷吸进来的气泡携带到远离液面的其他位置。因此，在桨转速不太高的条件下，只能卷吸进来小气泡或者只有卷吸进来的小气泡才能到达测量位置，卷吸进来的大气泡又会很快从液面逸出。另一方面，分布器供气反应器中气体从分布器鼓入反应器中，经搅拌器尾涡破碎分散进入反应器主流区。由于反应器内能量耗散率分布的不均匀性，各区域气泡—流体结构作用模式也不同，在桨区以气泡破碎为主，而在上下循环区以气泡聚并为主，造成了聚并区域气泡尺寸显著变大，而大气泡易受流体剪切场的影响发生变形，同时大气泡的尾涡也会造成对小气泡的“吞噬”，结果就是图像上小气泡数量较少。
2.2 不同轴向位置的气泡直径
图3
图3
不同轴向位置处典型气泡图像（N=400 r/min）
（a）A点，h=350 mm；（b）B点，h=250 mm；（c）C点，h=150 mm；（d）D点，h=50 mm
Fig.3
Typical bubble images on different axial locations （N=400 r/min）
为进一步分析气泡分布规律，利用第1节所述图像处理方法对不同位置处的气泡图像进行了统计分析。为获得统计稳定性，在每个位置处分析了约100张图片，平均气泡尺寸在稳定值两侧波动范围为[-5%，5%]。经统计，4个位置处气泡尺寸分布如图4所示。从分析结果可以看出，检测到的气泡尺寸分布范围为150 μm至1.6 mm。4个位置处气泡尺寸分布相近，均呈单峰分布，峰值位于约300 μm处。差异在于随着测量位置逐渐远离液面，气泡尺寸分布向左侧小气泡区域移动，这与之前气泡图像的定性分析一致。
图4
进一步统计4个轴向位置处的其他气泡性质，结果如表1所示。最靠近液面和最靠近底面的2个位置气泡Sauter直径相差20%，气含率差距甚至超过50%。显然气泡在整个搅拌槽里的分布非常不均匀，影响了整个反应器的效率，所以在反应器设计时可适当降低反应器的高径比，从而减少反应器下部气泡稀少的区域。另外一个反应器强化的方向是提高流体携带气泡的能力、设法使卷吸进来的气泡进入更深的位置，为此需要考察搅拌转速（或流动强度）对气泡分布的影响。
表1 不同轴向位置气泡性质统计结果
Table 1
| h/mm | dm/μm | d32/μm | s/μm | αg/% | a/(×10-5 μm-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 | 390 | 574 | 185 | 0.21 | 2.2 |
| 150 | 415 | 661 | 220 | 0.26 | 2.3 |
| 250 | 446 | 783 | 256 | 0.39 | 3.0 |
| 350 | 430 | 717 | 240 | 0.43 | 3.6 |
2.3 不同转速下气泡直径
图5
图5
不同搅拌转速下典型气泡图像（B点）
Fig.5
Typical bubble images at different impeller speeds
（a）N=350 r/min；（b）N=400 r/min；（c）N=450 r/min
不同搅拌转速下的气泡尺寸分布结果如图6所示，随着搅拌转速的增加，气泡尺寸分布范围明显增大，最大气泡尺寸由350 r/min时的1.6 mm增加到450 r/min时的2.2 mm。不同转速气泡尺寸分布趋势相近，均呈单峰分布，峰值位于约300 μm处，峰值气泡所占比例在25%~30%之间，转速越高，小气泡所占比例越低。随着转速的增大，气泡分布整体往右侧气泡尺寸增大的方向偏移。
图6
表2 不同搅拌转速下气泡性质统计结果
Table 2
| N/(r·min-1) | dm/μm | d32/μm | s/μm | αg/% | a/(×10-5 μm-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 350 | 373 | 551 | 172 | 0.14 | 1.5 |
| 400 | 446 | 783 | 256 | 0.39 | 3.0 |
| 450 | 524 | 1 098 | 387 | 0.92 | 5.0 |
3 结论
（1）与相同转速下气体分布器供气的气液搅拌反应器相比，表面曝气反应器中气泡尺寸明显小得多，且气泡形状更规则，接近于球形。
（2）当测量位置沿轴向从液面逐渐向搅拌槽底面移动，气泡尺寸逐渐减小，气泡数量也逐渐变少。
（3）随着搅拌转速的增大，气泡尺寸分布范围明显变宽。最大气泡尺寸由350 r/min时的1.6 mm增大到450 r/min时的2.2 mm。
为了强化表面曝气反应器内气液分散过程，建议采用浅层床设计，具体的床层高度需通过CFD模拟结合试验测量进一步优化确定。同时，在电机功率允许范围内，可适当提高搅拌转速。通过分析气泡尺寸分布的影响因素，提出了反应器结构优化设计措施，有助于进一步提高表面曝气反应器效率，将为绿色矿山废水高效处理提供新的选择。
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甘公网安备 62010202000672号
