面向臭氧氧化过程强化的旋转泡沫填料反应器内气泡行为与传质研究

In recent years, application of ozonation technology in degradation of refractory organic matter in wastewater has received great attention in the field of environment, while this technology is limited by ozone-liquid mass transfer rate. The project herein will adopt a novel multiphase reactor-rotating foam reactor (RFR) in an attempt to solve the key scientific problem of ozone-liquid mass transfer process restricted by characteristics of ozone bubble behavior, and consequently efficiently intensify this process. The main studies include: Numerical models and calculation methods of bubble flow in the foam packing under strong centrifugal force and shear forces will be developed by CFD-PBM method. Visualization technology will be employed to verify and modify the models. The effects of different structures of reactor and various operating conditions on hydrodynamic characteristics of bubble such as size, velocity and distribution will be investigated under various scales. The project will further investigate the effect of various parameters on the concentration of ozone in water in an ozone-water system. The relationship between flow characteristics of bubble and mass transport phenomenon will be systematically analyzed, and an empirical model for mass transfer coefficient based on bubble characteristics will be developed. The study is expected to provide useful theoretical basis to scientifically and efficiently control flow characteristics of bubble in an RFR in order to improve mass transfer rate between ozone and water and consequently promote the application of ozonation technology in wastewater treatment.

近年来，应用臭氧氧化技术处理难降解有机废水是环境领域的研究热点之一，但该技术的发展受到臭氧传质速率的严重制约。本项目拟采用一种新型多相反应器—旋转泡沫填料反应器，解决受气泡行为特征限制的臭氧传质过程的关键科学问题，从而实现过程的有效强化。主要研究内容包括：通过计算流体力学—群体平衡模型耦合技术，建立反应器内强剪切力和强离心力环境下多孔介质中的气泡流动模型及计算方法，并通过可视化实验对模型进行验证与修正，从多尺度上揭示反应器结构、操作条件等参数对分散相—气泡的形态、分布及速度等流体力学特性的影响规律。在此基础上，以臭氧-水作为对象，实验研究各参数对水中臭氧浓度的影响规律，深入探索反应器内臭氧气泡流动特性与传质过程的耦合关系，建立基于气泡特性的传质系数经验模型，为科学调控反应器内臭氧气泡流体力学行为提供理论依据。研究结果可望能有效强化臭氧传质过程，促进臭氧氧化技术在废水处理工业上的快速发展。

本项目以旋转泡沫填料反应器强化臭氧传质与氧化反应过程为目标，围绕旋转泡沫填料反应器内流体力学行为调控、反应器内气液相间传质与臭氧氧化反应规律、反应器强化机制等方面开展系统研究，取得结果如下：（a）采用高速相机等观测技术，对旋转泡沫填料反应器内填料外缘及填料上方的气泡（主要是两位置的近壁面区域）进行拍摄，研究不同操作条件（转速、气量）和反应器结构（填料尺寸和填料离底高度）对气泡平均尺寸d32和尺寸分布的影响规律。结合液位高度变化，分析了不同条件对反应器内流体流型变化的影响规律，最后对反应器内流型变化区间进行划分，构建无量纲关联式，预测反应器内流动状态，为反应器对流体流动行为调控提供理论依据；（b）耦合计算流体力学（CFD）和群体平衡模型（PBM），并对相应模型参数（填料作用力、气泡破碎率等）进行修正，建立了旋转泡沫填料反应器内气液两相流模型。通过模拟得到不同转速对反应器内气液相分布、气液相流速、气泡尺寸等影响规律，为反应器内流体力学行为的调控提供科学指导；（c）分别采用化学和物理吸收法分析了不同操作条件和反应器结构对气液相间传质比表面积和传质系数的影响规律，结果表明，在相同功耗下，本反应器的相间传质效率是传统搅拌桨的2倍以上，同时建立相应的经验模型，为科学调控反应器内气液传质效率提供数据支持；以臭氧-印染废水及臭氧-硝基苯酚废水为研究对象，研究了反应器各参数条件对废水处理效率的影响规律，分析了反应器强化机理，为促进臭氧氧化技术在废水处理工业上的快速发展提供新的方案及装备。.项目共发表SCI论文4篇，EI论文1篇，在投SCI论文2篇；申请发明专利2项；培养硕士研究生3名，2人获得职称晋升。.