CN103942358B - 污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及到一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法。具体步骤为：在小球藻自养生长动力学与异养生长动力学研究的基础上建立起小球藻混养生长模型，并在此基础上得出有机物降解的动力学模型；建立一个基于欧拉‑欧拉两流体体系的光生物反应器流场和小球藻生化反应相耦合的气液两相二维瞬态CFD模型，对气液两相气升式平板光生物反应器内小球藻降解有机底物间歇过程动态行为特征进行模拟研究；最后通过小球藻浓度和有机底物浓度随时间变化的实验曲线对模型模拟结果进行实验验证。从而建立起能够预测光生物反应器内小球藻生长情况和有机物降解情况的模型，为反应器结构参数和操作参数的优化设计奠定重要理论基础。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法。
背景技术
二氧化碳等温室气体的过量排放所导致的全球气候变暖问题，正在对人类社会产生日益明显的影响。减少温室气体排放、控制气候变化已经逐渐引起了国际社会的重视。城镇生活污水处理是一个非常重要的二氧化碳排放源，而利用污水培养微藻，不仅能够减少大气中的二氧化碳的排放，还能够提取很多高价值的化合物。所以开发一种用于污水培养微藻的高效光生物反应器具有十分重要的意义。
光生物反应器是指能用于光合微生物及具有光合能力的组织或细胞培养的一类装置光生物反应器。通常可分为两大类：开放式和封闭式。对于光生物反应器来说,反应器内部的混合是影响微藻细胞生长的重要因素。反应器内部结构参数虽对藻细胞生长有很大的影响,但内部结构参数不能反映光生物反应器中的光照和混合状况，不直接影响藻细胞生长；直接影响藻细胞生长的参数是能表征光生物反应器内部混合状况的流体动力学参数，特别是光照方向混合的流体动力学参数。因此，对反应器内部流态进行模拟，获取不同结构或不同运行条件下气升反应器内详细的流场信息，进而优化其结构设计及运行控制参数，对新型反应器的研发及提高反应器的运行效率将具有十分重要的意义。
但传统的实验方法往往受到测量精度和模型尺寸等因素的限制，很难进行微观的、瞬时的流场分析。而计算流体动力学（CFD）方法与实验相比，具有信息完整、速度快、费用低等优点，因此它有着巨大的应用价值和研究意义，尤其是对无法进行试验的反应器研发有着不可替代的作用。所以，利用CFD手段对反应器进行研究是一种很好的选择，也越来越受到科研人员的青睐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法，为反应器的优化放大提供模型支持，进而为开发出高效的光生物反应器奠定技术基础，从而有利于对污水处理厂CO2的排放从源头进行控制，实现CO2减排。
本发明提出的污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法包括：建立一个基于欧拉-欧拉两流体体系的光生物反应器流场和小球藻生化反应相耦合的气液两相二维瞬态CFD模型，对气液两相气升式平板光生物反应器内小球藻降解有机底物间歇过程动态行为特征进行模拟研究。最后通过小球藻浓度和有机底物浓度随时间变化的实验曲线对模型模拟结果进行实验验证。从而建立起能够预测光生物反应器内小球藻生长情况和有机物降解情况的模型，为反应器结构参数和操作参数的优化设计奠定重要理论基础。具体步骤如下：
1、小球藻混养生长的本征动力学模型的建立
首先利用Logistic模型对小球藻在自养条件下进行光合作用生长的动力学进行研究，然后利用Monod方程对小球藻在无光照异养条件下的生长动力学进行研究，最后在小球藻自养生长动力学与异养生长动力学研究的基础上建立起小球藻在混养条件下生长的动力学模型，并在此基础上进一步得出有机物降解的动力学模型；
小球藻混养生长动力学模型方程为：
（1）
小球藻混养生长条件下有机物降解动力学模型为：
（2）
2、光生物反应器实验研究及流动-小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证
（1）模型假设
1）小球藻接种时的初始浓度在SE培养基中是均匀分布的；
2）反应器中混合液由气液两相组成，空气为气相，由于小球藻体积很小，SE培养基与悬浮于其中的小球藻视为液相；
3）设定只有葡萄糖为小球藻生长的限制条件，其他营养物质认为足量；
4）液相SE培养基中各矿物盐的浓度很小，模型计算中取水的物性参数。
（2）流场计算模型方程
采用欧拉-欧拉两流体模型与粘性模型中的k-ε湍流模型进行模拟计算；
1）连续型方程
（3）
（4）
式中，和分别为气相和液相的体积分率；和分别为气相和液相密度；和分别为气相和液相速度。其中，和满足，认为气泡相为理想气体，遵守理想气体定律，其密度可由下式确定：
（5）
式中，为大气压下的气相密度；P0为大气压；为反应器内自由液面高度；为气泡所在位置高度；
2） 动量方程
（6）
（7）
式中，为时均压力；和分别为气相和液相的动力黏度；为相间作用力；
3） 相间作用力
在本模型的动量方程中，添加了相间作用力项，气相与液相界面间的相互作用力已经被考虑在内。对于气-液两相体系而言，相间作用力包括曳力、升力。
由此，相间作用力表达式表示为：
（8）
式中，、分别为曳力项和升力项；
曳力项表示为：
（9）
其中， （10）
（11）
（12）
式中，为曳力系数；为气泡雷诺准数；为气泡直径；为准数；为动力黏度；为表面张力；
升力项表示为：
（13）
式中，为升力系数，取值为0.5；
4） 湍流封闭模型
由于在动量方程中引入了雷诺应力，方程不封闭，必须引入标准模型使其封闭；采用多相流体系的标准模型，其方程形式如下：
方程： （14）
方程： (15)
其中， （16）
(17)
式中，为湍动能；为湍动耗散率；为液相湍动黏度；为由平均速度梯度引起的湍动能产生项；，和为模型经验常数，取值分别为1.44，1.92和1.09；和分别为湍动能和湍动耗散率对应的Prandtl数，取值分别为1.0和1.3。
对于气相，其湍动粘度由零方程模型得出：
(18)
而有效黏度由层流黏度和湍动黏度组成，故
（19）
（20）
式中，、分别为气相层流黏度和液相层流黏度。
（3）质量组分输运方程
由于研究的标量包括小球藻组分质量分数、葡萄糖组分质量分数只涉及液相，故只用对液相求解输运方程。本文所涉及的UDS输运方程如下：
（21）
（22）
式中，为液相中小球藻组分的质量分数；为液相中葡萄糖组分的质量分数；为小球藻生长反应源项；为葡萄糖降解反应源项；为对流通量；为扩散率。
液相中组分平衡方程为：
（23）
式中，将液相中除小球藻组分和葡萄糖组分以外的SE培养基混合物视为一个组分，即为SE培养基混合物组分的质量分数。由于存在以上组分平衡方程，对于一个有N个组分的混合物而言，只需求解N-1个组分输运方程。
以上自定义标量（UDS）输运方程的各项在Fluent中的定义如下：
1）非稳态项：。需要将其离散为，需要定义apu项以及su项，在UDS中对应的宏为DEFINE_UDS_UNSTEADY。
2）对流项：。需要定义的通量，在UDS中对应的宏为DEFINE_UDS_FLUX。
3）扩散项：。需要定义的扩散率,其中为Schmidt准数，默认值为0.9，在UDS中对应的宏为DEFINE_DIFFUSIVITY。
4）源项：，需要定义的
，
，在UDS中对应的宏为DEFINE_SOURCE。
（4）计算网格的划分
由于反应器几何结构比较规则，故采用四边形结构网格对其进行网格划分。
（5）初始及边界条件
模型计算起始于液相速度为0 m/s，初始气含率为0。初始液相浓度分别为有机底物葡萄糖及不同小球藻接种浓度。气体入口边界类型为速度入口，反应器顶部出气口边界设为压力出口；采用二维仿真，并且所研究的气升式平板光生物反应器具有对称结构，故将对称轴设为对称边界条件。
（6）数值求解方法
采用基于有限元的有限体积法，利用计算流体力学软件Fluent的选择Segregated求解器、Unsteady的计算模型以及隐式求解技术来离散和求解上述模型方程组。计算过程中实时监测残差曲线，在瞬态计算中，根据经验值，计算过程中至少要保证各项参数的残差保持在1e-3以下，且进出口气体流量满足连续性条件时，才能认为计算结果收敛。
（7）模型结果分析及验证
研究所涉及的组分输运方程以及标量模拟值的获取需要通过自定义函数（UDF）程序实现。将模型对不同小球藻初始接种浓度以及不同通气线速度条件下液相小球藻浓度和有机底物葡萄糖浓度随时间变化情况的模拟结果，与实验测量结果进行对比分析。
本发明提出的一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法，其优势在于：
（1）利用CFD技术的反应器模拟可以提供用实验方法很难得到的、更加全面的数据。当缺乏经验关联式和实验数据时可以利用CFD技术进行优化设计和解决工程问题。
（2）CFD技术不仅可获得对过程机理的深入理解，而且可判断过程故障的根本原因、关键部分以及扩产能力，进一步可验证各种改造方案的效能。
（3）在传统反应器设计开发环境中，大量的创新思路或设想难以验证，而在CFD技术辅助开发环境中，新设想的验证变得容易，有助于进行技术创新。此外，极低的重复成本使包含大量设计循环的优化设计成为可能。
（4）建立起能够预测光生物反应器内小球藻生长情况和有机物降解情况的模型，为反应器结构参数和操作参数的优化设计奠定重要理论基础。
附图说明
图1 基于污水培养微藻光生物反应器的模型建立流程图；
图2 光生物反应器反应器网格分布图；
图3 -图6模拟结果与实验结果的对比验证；其中：
图3、不同小球藻初始接种浓度条件下小球藻浓度变化实验值与其模拟曲线的对比；
图4、不同小球藻初始接种浓度条件下有机底物浓度变化实验值与其模拟曲线的对比；
图5、不同通气线速度条件下小球藻浓度变化实验值与其模拟曲线的对比；
图6、不同通气线速度条件下有机底物浓度变化实验值与其模拟曲线的对比。
具体实施方式
以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的具体事例，对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：以下是发明人以不同小球藻初始接种浓度以及不同通气线速度条件下液相小球藻浓度和有机底物（葡萄糖）浓度随时间变化情况的模拟结果，与实验测量结果进行对比分析的过程。
1、小球藻混养生长的本征动力学模型的建立
添加有机碳源葡萄糖，保证其他元素足量，葡萄糖为唯一限制底物。让小球藻在摇瓶光照条件下进行混养培养。由于微藻细胞可同时利用光和有机物作为能源、同时利用有机物和无机碳作为碳源进行生长，其在生长过程中同时涉及自养生长和异养生长。因此在小球藻自养生长动力学模型和异养生长动力学模型的基础上建立混养生长模型以及混养条件下底物（葡萄糖）降解的动力学模型（如公式1-公式2）。
2、光生物反应器实验研究及流动-小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证
（1）模型假设
1）小球藻接种时的初始浓度在SE培养基中是均匀分布的；
2）反应器中混合液由气液两相组成，空气为气相，由于小球藻体积很小，SE培养基与悬浮于其中的小球藻视为一相（液相）；
3）设定只有葡萄糖为小球藻生长的限制条件，其他营养物质认为足量。
4）液相SE培养基中各矿物盐的浓度很小，模型计算中取水的物性参数。（2）流场计算模型方程
通常将欧拉-欧拉两流体模型与粘性模型中的k-ε湍流模型联用，进而进行模拟计算（所用公式见公式3-公式20）。
（3）质量组分输运方程
对于多相流问题来说，Fluent可以求解混合相以及每一相中UDS的值。由于本文所研究的标量（包括小球藻组分质量分数、葡萄糖组分质量分数）只涉及液相，故只用对液相求解输运方程。所涉及的UDS输运方程见公式21-公式23。
（4）计算网格的划分
由于反应器几何结构比较规则，故采用四边形结构网格对其进行网格划分，其网格划分图见图2。
（5）初始及边界条件
模型计算起始于液相速度为0 m/s，初始气含率为0。初始液相有机底物（葡萄糖）浓度为0.4 kg/m3，初始液相小球藻接种浓度分别为0.01 kg/m3、0.03 kg/m3、0.05 kg/m3。气体入口（即气体分布板）边界类型为速度入口，气相速率分别为0.005 m/s、0.075 m/s、0.01 m/s。反应器顶部出气口边界设为压力出口。研究采用二维仿真，并且所研究的气升式平板光生物反应器具有对称结构，故将对称轴设为对称边界条件。
（6）数值求解方法
采用基于有限元的有限体积法，利用计算流体力学软件Fluent的选择Segregated求解器、Unsteady的计算模型以及隐式求解技术来离散和求解上述模型方程组。计算过程中实时监测残差曲线，在瞬态计算中，根据经验值，计算过程中至少要保证各项参数的残差保持在1e-3以下，且进出口气体流量满足连续性条件时，才能认为计算结果收敛。
（7）模型结果分析及验证
研究所涉及的组分输运方程以及标量模拟值的获取需要通过自定义函数程序实现（模拟流程见图1，网格划分见图2）。将模型对不同小球藻初始接种浓度以及不同通气线速度条件下液相小球藻浓度和有机底物（葡萄糖）浓度随时间变化情况的模拟结果，与实验测量结果进行对比分析如图3-图6所示，由图分析可得，实验测试结果与模型模拟结果的吻合度很高，证实了所建立模型的正确性和可行性，并且为之后污水培养微藻光生物反应器的优化奠定了基础，提供了模型支持。
Claims (1)
1.一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法，其特征在于包括小球藻混养生长的本征动力学模型的建立；光生物反应器实验研究及流动-小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证；具体步骤如下：
(1)、小球藻混养生长的本征动力学模型的建立
首先利用Logistic模型对小球藻在自养条件下进行光合作用生长的动力学进行研究，然后利用Monod方程对小球藻在无光照异养条件下的生长动力学进行研究，最后在小球藻自养生长动力学与异养生长动力学研究的基础上建立起小球藻在混养条件下生长的动力学模型，并在此基础上进一步得出有机物降解的动力学模型；
小球藻混养条件下生长的动力学模型方程为：
（1）
小球藻混养生长条件下有机物降解的动力学模型为：
（2）
(2)、光生物反应器实验研究及流动-小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证
（2.1）模型假设
(2.1.1）小球藻接种时的初始浓度在SE培养基中是均匀分布的；
(2.1.2）反应器中混合液由气液两相组成，空气为气相，由于小球藻体积很小，SE培养基与悬浮于其中的小球藻视为液相；
(2.1.3）设定只有葡萄糖为小球藻生长的限制条件，其他营养物质认为足量；
(2.1.4）液相SE培养基中各矿物盐的浓度很小，模型计算中取水的物性参数；（2.2）流场计算模型方程
采用欧拉-欧拉两流体模型与粘性模型中的k-ε湍流模型联用，进而进行模拟计算；
(2.2.1）连续型方程
（3）
（4）
式中，和分别为气相和液相的体积分率；和分别为气相和液相密度；和分别为气相和液相速度；其中，和满足，认为气泡相为理想气体，遵守理想气体定律，其密度可由下式确定：
（5）
式中，为大气压下的气相密度；P0为大气压；为反应器内自由液面高度；为气泡所在位置高度；
(2.2.2） 动量方程
（6）
（7）
式中，为时均压力；和分别为气相和液相的动力黏度；为相间作用力；
(2.2.3） 相间作用力
在本模型的动量方程中，添加了相间作用力项，气相与液相界面间的相互作用力已经被考虑在内，对于气-液两相体系而言，相间作用力包括曳力、升力；
由此，相间作用力表达式表示为：
（8）
式中，、分别为曳力项和升力项；
曳力项表示为：
其中， （10）
（11）
（12）
式中，为曳力系数；为气泡雷诺准数；为气泡直径；为准数；为动力黏度；为表面张力；
升力项表示为：
（13）
式中，为升力系数，取值为0.5；
(2.2.4） 湍流封闭模型
由于在动量方程中引入了雷诺应力，方程不封闭，必须引入标准模型使其封闭；采用多相流体系的标准模型，其方程形式如下：
方程： （14）
方程： (15)
其中， （16）
(17)
式中，为湍动能；为湍动耗散率；为液相湍动黏度；为由平均速度梯度引起的湍动能产生项；，和为模型经验常数，取值分别为1.44，1.92和1.09；和分别为湍动能和湍动耗散率对应的Prandtl数，取值分别为1.0和1.3；
对于气相，其湍动粘度由零方程模型得出：
(18)
而有效黏度由层流黏度和湍动黏度组成，故
（19）
（20）
式中，、分别为气相层流黏度和液相层流黏度；
（2.3）质量组分输运方程
由于研究的标量包括小球藻组分质量分数、葡萄糖组分质量分数只涉及液相，故只用对液相求解输运方程,所涉及的UDS输运方程如下：
（21）
（22）
式中，为液相中小球藻组分的质量分数；为液相中葡萄糖组分的质量分数；为小球藻生长反应源项；为葡萄糖降解反应源项；为对流通量；为扩散率;
液相中组分平衡方程为：
（23）
式中，将液相中除小球藻组分和葡萄糖组分以外的SE培养基混合物视为一个组分，即为SE培养基混合物组分的质量分数；由于存在以上组分平衡方程，对于一个有N个组分的混合物而言，只需求解N-1个组分输运方程；
以上自定义标量输运方程的各项在Fluent中的定义如下：
(2.3.1）非稳态项：；
需要将其离散为，需要定义apu项以及su项，在UDS中对应的宏为DEFINE_UDS_UNSTEADY；
(2.3.2）对流项：；需要定义的通量，在UDS中对应的宏为DEFINE_UDS_FLUX；
(2.3.3）扩散项：；需要定义的扩散率,其中为Schmidt准数，默认值为0.9，在UDS中对应的宏为DEFINE_DIFFUSIVITY；
(2.3.4）源项：，需要定义的
，
，在UDS中对应的宏为DEFINE_SOURCE；
（2.4）计算网格的划分
由于反应器几何结构比较规则，故采用四边形结构网格对其进行网格划分；
（2.5）初始及边界条件
模型计算起始于液相速度为0m/s，初始气含率为0；初始液相浓度分别为有机底物葡萄糖及不同小球藻接种浓度，气体入口边界类型为速度入口，反应器顶部出气口边界设为压力出口；采用二维仿真，并且所研究的气升式平板光生物反应器具有对称结构，故将对称轴设为对称边界条件；
（2.6）数值求解方法
采用基于有限元的有限体积法，利用计算流体力学软件Fluent的选择Segregated求解器、Unsteady的计算模型以及隐式求解技术来离散和求解上述模型方程组；计算过程中实时监测残差曲线，在瞬态计算中，根据经验值，计算过程中至少要保证各项参数的残差保持在1e-3以下，且进出口气体流量满足连续性条件时，才能认为计算结果收敛；
（2.7）模型结果分析及验证
所涉及的组分输运方程以及标量模拟值的获取需要通过自定义函数程序实现，将模型对不同小球藻初始接种浓度以及不同通气线速度条件下液相小球藻浓度和有机底物葡萄糖浓度随时间变化情况的模拟结果，与实验测量结果进行对比分析。
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