生物法降解含油污泥反應器流場及工作參數研究

羅 飛,賀利樂

生物法降解含油污泥反應器流場及工作參數研究

羅 飛,賀利樂*

(西安建筑科技大學機電工程學院,陜西 西安 710055)

為提高生物反應器法處理含油污泥的降解效率,對生物反應器內銅綠假單胞菌NY3降解含油污泥的工藝過程進行研究.建立了生物反應器內氣-液-固三相流場動力學模型和群體平衡模型(PBM),結合FLUENT軟件對反應器內氣泡直徑分布和攪拌轉速進行仿真.研究發現,直徑在6mm以下的氣泡占比為85%,能有效增加反應體系溶解氧濃度,并模擬出反應器最佳離底懸浮轉速為150r/min.利用氧守恒原理建立了曝氣速率隨時間的變化關系模型,并通過設計實驗確定最佳接菌量為15.23%,溫度為32.56℃,指導最終降解過程的工藝參數選擇.通過設定最佳工作參數值,用多功能生物反應器對6kg含油污泥進行降解實驗,反應9d后石油烴降解率高達86.20%,含油率為1.46%.研究結果表明,生物反應器法降解含油污泥周期短、效率高,為處理含油污泥提供了一種有效可靠的新途徑.

生物反應器；降解；含油污泥；三相流場；最佳工作參數

在石油的開采、處理和運輸過程中,石油泄漏和違規排放事件頻發,造成含油污泥大面積堆積,若不加以處理直接排放,不但占用大量耕地、伴有惡臭氣體,而且對周圍土壤、水體、空氣都將造成嚴重污染,對人體產生極大危害,含油污泥的處理已在全世界范圍內引起了廣泛關注[1].生物處理技術是目前治理石油污染的研究熱點和主要手段,與物理法和化學法相比,具有投資少、能耗低、運行費用小、無二次污染、操作簡單及除油率較高的優點[2].

微生物降解技術能人為控制降解體系各組分含量及操作環境,處理后的液體部分可排入處置井再利用[3],對于油田發展具有重大意義,會產生巨大的經濟效益,生態學效益和社會效益[4].

近年來,國內外關于微生物降解含油污泥的研究主要集中在石油降解菌的篩選及其降解性能研究、石油烴降解動力學、環境因素對細菌降解效率的影響等方面.Nie等[5]從石油污染土壤中分離到一株產鼠李糖脂(Rha)生物表面活性劑和降解多環芳烴(PAH)的細菌—銅綠假單胞菌() NY3,為研究銅綠假單胞菌NY3對多環芳烴的降解途徑奠定了基礎.Chettri等[6]從含油污泥沉淀物中分離得到不動桿菌ABC,研究結果表明菌株ABC是一種潛在的原油污染環境生物修復劑. Cerqueira等[7]從受石化殘留物污染的樣品中分離出45株細菌,測定了不同碳源的代謝能力、生長能力和耐受性、生物表面活性劑的產生和酶的檢測.Soltani等[8]研究了膜生物反應器(MBR)系統在不同操作條件下的性能,結果表明MBR對采出水中的原油有很好的除油效果.Naik等[9]研究了含油污泥濃度、攪拌速度和處理時間對石油烴類降解的影響. Koolivand等[10]研究了主動曝氣和被動曝氣對生物降解含油污泥兩相堆肥工藝性能的影響,結果表明石油烴降解符合一級動力學.陳麗等[11]以多環芳烴芘為唯一碳源對含油污泥中微生物進行富集,研究表明菌株在芘濃度為150mg/ L、溫度30℃、轉速150r/min下,培養7d后對芘的降解率可達到39.2%左右.Khondabi等[12]采用響應面法(RSM)研究了旋轉生物接觸器(RBC)對煉油廢水中苯酚和化學需氧量(COD)的去除性能.辛蘊甜等[13]重點分析了菌株H-1在溫度、pH值、鹽濃度、初始質量濃度、菌株接種量等單因素下對降解性能的影響.

綜上,目前生物法降解含油污泥仍停留在降解菌研究層面,對生物反應器內多相流場分析還未涉及.因此本文基于生物法降解含油污泥工藝,建立了反應器內多相流場模型,揭示氣體、細菌溶液、含油顆粒三組分之間的流動機理,旨在為生物反應器法降解含油污泥找準最佳工作條件,提高降解率和降低時間及成本消耗,為生物反應器法降解含油污泥能大規模應用奠定基礎.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 NY3菌株 從陜北石油污染土壤中分離獲得,4℃保存于牛肉膏蛋白胨斜面上,并定期轉接.

1.1.2 含油污泥 6kg長慶油田采油四廠蠟質油污泥,并測得其含油率為42.25%.

1.1.3 LB培養基 NaCl 5.0g/L,牛肉膏3.0g/L,蛋白胨10.0g/L,pH 7.7,121℃條件下滅菌45min.

1.1.4 LB固體培養基 NaCl 5.0g/L,牛肉膏3.0g/L,蛋白胨10.0g/L,瓊脂18g/L,pH 7.7,121℃條件下滅菌45min.

1.1.5 無機鹽培養基(MSM) NH4NO31g,磷酸鹽緩沖液25.0mL, MgSO4·7H2O溶液0.5mL(246.4g/L), CaCl2·2H2O溶液0.1mL(147.2g/L),微量元素溶液 1.0mL(FeSO4·7H2O 4.5g/L, CoCl2·6H2O 0.024g/L, ZnSO4·7H2O 0.148g/L, MnSO4·H2O 0.258g/L, NiCl2·6H2O 0.024g/L, Na2MoO4·2H2O 0.109g/L, CuCl2·2H2O 0.017g/L, H3BO30.062g/L),121℃條件下滅菌30min.

1.1.6 Rha 銅綠假單胞菌NY3發酵所產.

1.2 實驗方法

1.2.1 種子液制備 將保存在LB固體培養基斜面上的銅綠假單胞菌NY3,在無菌條件下接種于100mL已滅菌的LB液體培養基中,32℃、150r/min、好氧振蕩12～24h,OD600nm達到1.7.

1.2.2 含油污泥預處理 采用添加木屑和熱熔的方法對油污泥進行分散預處理.在油污泥中加入粒徑小于1mm的木屑(油污泥與木屑的質量比為7:1),將添加木屑的油污置于容器中50℃水浴條件下加熱至熔融狀態.

圖1 含油污泥降解生物反應器

1.鼓風機;2.三通管;3.安全閥;4.曝氣軟管;5.分散式攪拌葉片;6.攪拌軸;7.反應器蓋;8.攪拌電機;9.聯軸器;10.控制柜;11.反應容器;12.溫控裝置

1.2.3 實驗裝置 如圖1所示,反應容器內徑為360mm,反應器高度為400mm,曝氣管直徑為20mm,容積為40L.該反應器采用鼓風機連接曝氣管進行曝氣,曝氣管設有微孔曝氣頭(孔徑為3mm),采用分散式葉片進行攪拌,變頻器可動態調節曝氣量和攪拌葉片轉速,反應器側面安裝有電加熱恒溫裝置.反應器蓋可防止攪拌過程中液體飛濺,此好氧反應裝置對氣密性無嚴格要求.

2 模型建立

生物反應器內混合組分由石油烴、NY3菌液、各營養物質培養基、NY3所產鼠李糖脂Rha、鋸末、氧氣等多種物質按照一定濃度配比組成.因此,研究生物反應器內多相組分的流動機理及反應情況尤為重要.建立模型前做如下假設:石油烴附著在鋸末表面為球形顆粒;菌體在反應體系中均勻分布;溫度小幅度變化對反應體系的影響忽略不計.

2.1 氣-液-固三相流模型 采用歐拉多相流模型來模擬反應體系的流場流動,假設反應過程中氣、液、固三相均不存在體積壓縮現象,模擬過程中忽略各相間的熱量傳遞,通過連續方程和動量方程求解每一相,分別建立模型如下.

各相體積分數遵循約束條件:

式中:下標、、分別表示氣、液、固三相.

質量守恒方程為:

式中:代表、、三相,各相動量守衡方程如下:

相間作用力主要包括曳力和升力.分散相施加于連續相的曳力[14]:

氣相施加于液相的曳力系數C,lg由Ishii- zuber[15]曳力模型得到;固相施加于液相的曳力系數C,ls由Wen-Yu[16]曳力模型得到.

垂直作用于連續相和分散相間相對運動方向的升力[14]:

2.2 群體平衡模型 氣泡直徑大小的變化與聚并及破碎過程有關,需要添加一個平衡方程來描述氣泡在體系中的平衡,該方程稱為群體平衡模型[17].反應釜內各氣泡相互作用,使得氣泡直徑動態變化,對氣泡大小進行分組,可對反應體系中的氣泡流動進行研究,從而對水合物漿液中氣、液、固各相流動機理進行更直觀準確的模擬,氣泡群體平衡方程可用式(10)表示:

破碎模型選用Luo＆Svendsen[18]的破碎模型,聚并模型選用Luo[19]的聚并模型,采用離散法對群體平衡模型進行求解.

2.3 最佳工作參數求解

為保證石油烴降解過程高效進行且節約時間和成本,結合上述所建動力學模型,利用Fluent軟件對氣泡直徑分布、反應器轉速進行仿真分析,并對曝氣速率和最佳接菌量及溫度等重要工藝參數進行求解.

由于氣泡直徑難以測量,根據實驗現象估計初始氣泡約為3mm,結合PBM模型將氣泡分為6組,將增長因子Kv設為0.5235988,因此6組氣泡直徑初始分布如表1所示.

根據以上方法,對模型進行三維瞬態求解,得到10s后反應體系的各參數結果如圖2所示.

表1 氣泡直徑初始比例

由圖2可知,初始氣泡直徑為3mm的氣體從曝氣管入口進入,經分散葉片攪拌后氣體最高速度可達5.6m/s.在攪拌葉片上方至液面部分,氣泡直徑普遍大于初始氣泡直徑,表明在該區域聚并效應明顯;而在攪拌葉片下方區域,氣泡直徑普遍小于初始氣泡直徑,表明在該區域破碎效應明顯.10s后直徑在1～2, 2～3, 3～4, 4～5, 5～6, 6～7, 7-8, 8mm以上范圍內的氣泡分別占比約33%、10%、13%、10%、19%、8%、4%、3%,即直徑在6mm以下的氣泡占比為85%.表明氣體進入生物反應器后氣泡之間的破碎和聚并效應明顯,且氣泡越小越有利于加強氣液傳質的效率,提高溶解氧濃度,促進好氧菌NY3對有機物的降解.

圖2 仿真結果

2.3.2 反應器轉速確定 在含油污泥降解過程中,攪拌的目的主要是為了讓固體顆粒能夠完全離底懸浮起來,避免固體顆粒沉聚結塊,影響反應進行.前期實驗研究發現,增加轉速能夠改善固體顆粒的懸浮效果,但也會增加功耗,并且當轉速超出一定范圍之后,由于微生物細菌所受流場剪切力過大,導致生物活性降低,不利于生物降解反應的進行.因此,需要保證攪拌葉片轉速在臨界懸浮轉速附近,臨界懸浮轉速是指使固體顆粒剛好完全離底懸浮時攪拌葉片所需要的最低攪拌轉速,一般用固體顆粒在攪拌槽底部停留時間不超過2s時的最低攪拌轉速來表示[20].

圖3為2s時釜底固體油泥顆粒在不同轉速下的體積分數分布,能夠反映出對應轉速下的離底懸浮狀態.由仿真結果可知,初始狀態下反應釜底部沉降有厚度為50mm的含油污泥顆粒,體積分數為0.8;當轉速從100r/min變化到200r/min時,反應釜內液相湍流程度加劇,反應釜底部沉聚的固體顆粒隨著轉速的升高,在2s時會出現不同的懸浮狀態,局部顆粒濃度隨之下降;由于油泥顆粒黏度的作用,部分顆粒會附著在反應釜壁面;當轉速為150r/min時,能取得較好的懸浮效果.

圖3 不同轉速下固體顆粒的離底懸浮狀態

2.3.3 反應器曝氣速率確定 微生物法降解污染物的關鍵在于利用微生物的生長代謝去除污染物中的有機物,通過鼓風機對反應器進行鼓風曝氣,以滿足好氧菌對氧氣含量的需求.工程上大量實踐證實,無論水溫、進水水質、進水量、pH值如何變化,把曝氣池內溶解氧濃度控制在2mg/L時,就能宏觀的滿足污泥中微生物生長和新陳代謝分解有機物所需要的氧氣.

由于溶解氧濃度與曝氣速率呈明顯的非線性關系,故經分析可得生物反應器內溶解氧濃度隨時間的變化率具有如下關系:

且

式中:為反應釜內反應物體積,L;o為溶解氧濃度,mg/L;為空氣密度,mg/m3;in,out分別為入口和出口的氣體流量,m3/h;o,in,o,out分別為入口和出口的氧氣質量濃度比;Kα為溶解氧傳質系數, h-1;Dsat為飽和溶解氧濃度,mg/L;為單位時間內未參與反應的O2質量,mg/h;o為單位時間內參與反應的O2質量,mg/h;為單位時間內的其余氣體質量, mg/h.

在反應達到穩定的情況下,in=out,綜上可得:

則式(11)可變為:

式中:=1.293×106mg/m3,=24.4L,o,in=0.21,Kα= 4.2′10-3h-1,o=2.84×10-4mg/hL,o,sat=6.45mg/L.

將上述參數值代入式(16),可得:

求解微分方程(17),可得:

圖4 曝氣速率隨時間的變化曲線

由圖4可知,曝氣速率需要隨著時間進行動態變化,才能使溶解氧濃度始終保持在2mg/L左右.在曝氣開始階段,由于反應體系內溶解氧濃度很低,需要大速率曝氣,隨著曝氣過程的持續進行,曝氣速率需緩慢減小,這樣不僅避免了大量的能耗,而且還有助于微生物的生長代謝和降解過程.

2.3.4 最佳接菌量、溫度確定 為了優化預水解碳源產Rha的發酵條件,在實驗室搖床上進行NY3菌發酵產Rha研究實驗,利用Box-Behnken方法設計了17組實驗方案進行實驗,本文對17組數據進行分析,以接菌量、溫度、轉速為影響因素,Rha產量為響應值,利用Matlab進行多元線性回歸擬合,最終擬合后的方程如下:

式中:表示Rha的產量(以g/L計),1、2、3分別為接菌量(%)、溫度(℃)、轉速(r/min).

仿真結果顯示,相關系數2=0.9736(越接近1,回歸方程越顯著),統計量檢驗值=28.7288(越大,回歸方程越顯著),對應概率=0.0001(越接近0越好),結合殘差圖可知,該擬合方程能夠很好的貼近實驗數據,能表示接菌量、溫度、轉速對Rha產量的影響關系.

圖5表示當轉速為150r/min時,接菌量和溫度對Rha的影響關系.

圖5 接菌量、溫度對Rha產量的影響

由圖5可知,當轉速為150r/min時,在接菌量和溫度的共同作用下,Rha產量存在一最高點為19.27g/L,此時接菌量為15.23%,溫度為32.56℃,因此該參數值為后續研究提供了最佳環境條件.

3 實驗結果與分析

實驗步驟與上述仿真條件嚴格保持一致.在反應器中依次加入6kg含油污泥經分散預處理之后的油污泥-木屑混合物,15L NY3菌種子液,2L無機鹽/淀粉培養基,水解條件下發酵所產Rha,使其濃度為300mg/L,且營養元素C、N、P的濃度比為120:10:1,測得反應體系總容積為24.4L.實驗溫度為32 ℃、pH=7,反應器轉速為150r/min,曝氣速率通過變頻器調節近似至圖4中的曲線,每隔24h進行一次取樣并對樣品中剩余的石油烴濃度進行測定.反應9d后,含油污泥降解實驗完成.

圖6 含油污泥降解前后對比

Fig.6 Comparison of oily sludge before and after degradation

通過反應9d內的樣品測定結果可計算出石油烴降解率如圖7所示.

圖7 反應9d內石油烴的降解率

在該反應體系中,反應24h后石油烴的降解率可達到42.10%,表明菌種在降解初期能夠更快速的生長繁殖,隨著反應天數的增加,降解率趨于平緩,這是因為隨著反應時間的延長,菌株的活性與去除能力逐漸減弱.而在反應9d后,對石油烴的降解率可高達86.20%,含油率為1.46%.說明利用生物反應器法降解含油污泥高效可行.

4 結論

4.1 建立的生物反應器內氣-液-固多相流場模型,能夠準確模擬出反應器內氣體、細菌溶液、含油顆粒三組分的流動狀態.

4.2 利用FLUENT軟件模擬了生物反應器內氣泡的破碎和聚并效應,確定出生物反應器的攪拌轉速為150r/min,分析得到溶解氧濃度在2mg/L時曝氣速率隨時間的動態變化規律,并確定最佳接菌量和溫度條件分別為15.23%和32.56℃.

4.3 采用最佳工作參數,在生物反應器內對6kg含油污泥進行為期9d的降解處理,最終石油烴降解率可高達到86.20%,含油率為1.46%.

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致謝：本實驗和陜西省膜分離技術研究院相關技術人員、專家共同完成,在此表示感謝.

Study on flow field and working parameters of bioreactor for oily sludge degradation.

LUO Fei, HE Li-le*

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)., 2022,42(4)：1754～1761

In order to improve the degradation efficiency of oily sludge by bioreactor, the degradationprocess of oily sludge by pseudomonas aeruginosa NY3 in bioreactor were studied. The gas-liquid-solid three-phase flow field dynamics model and population balance model (PBM) in the bioreactor were established, and the bubble diameter distribution and stirring speed were simulated by FLUENT software. It was studied that the bubbles with a diameter of less than 6mm account for 85%, which can effectively increase the concentration of dissolved oxygen in the reaction system,and the optimal off-bottom suspension speed of the reactor was 150r/min. Secondly, the relationship model of aeration rate with time was established by using the principle of oxygen conservation, and the optimal bacterial uptake was determined to be 15.23% and the temperature was 32.56℃ through design experiments, which guided the selection of technological parameters in the final degradation process. Finally, the optimal working parameters were set, and 6kg oily sludge was degraded by multi-functional bioreactor. After 9 days of reaction, the degradation rate of petroleum hydrocarbon was up to 86.20%, and the oil content was 1.46%. The bioreactor degradation of oily sludge has the advantages of short cycleandhigh efficiency, and provides an effective and reliable new way for the treatment of oily sludge.

bioreactor；degradation；oily sludge；three-phase flow field；optimal working parameter

X705

A

1000-6923(2022)04-1754-08

羅 飛(1993-),男,陜西西安人,博士,主要從事含油污泥降解效率提升和設備優化等方面研究.發表論文10余篇.

2021-10-08

*責任作者, 教授, 1060273804@qq.com