基于CFD-PBM耦合模型的曝气器优化设计提升多相流态化性能与氧传质效率研究

针对污水处理厂曝气系统能耗高、效率低的问题，本研究通过耦合计算流体动力学-群体平衡模型（CFD-PBM），系统探究了曝气强度、孔间距及孔径对好氧流化床生物膜反应器（AFBBR）中多相流特性及氧传质效率的影响。研究发现优化参数组合（曝气强度5.77 m3/(h·m3)、孔间距10 mm、孔径0.16 mm）可使体积传质系数（kL a）、标准氧传质速率（SOTR）等关键指标显著提升，为降低曝气能耗提供科学依据。

　　

在污水处理领域，曝气系统如同城市的“人工肺”，为微生物代谢提供必需的氧气，但其能耗占比高达45-70%，成为制约污水处理厂经济高效运行的瓶颈。传统曝气器设计常因参数配置不合理导致气泡分布不均、氧传质效率低下，而多相流（气-液-固）的复杂相互作用更使得精准调控难上加难。如何通过科学手段“雕刻”气泡行为、优化流体动力学性能，成为破解高能耗困局的关键。

针对这一挑战，陕西某高校研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表论文，创新性地将计算流体动力学（CFD）与群体平衡模型（PBM）耦合，构建了气-液-固三相流（GLSTP）模拟体系，系统探究了曝气强度、孔间距及孔径对好氧流化床生物膜反应器（AFBBR）性能的影响。研究发现，当曝气强度为5.77 m3/(h·m3)、孔间距10 mm、孔径0.16 mm时，系统产生的小直径气泡（0.27-1.03 mm）占比达74.8%，体积传质系数（k_L
a）提升至15.72 1/h，标准氧传质效率（SOTE）提高27.11%，相当于为曝气系统装上了“智能导航”，实现能耗与效率的精准平衡。

研究采用三大关键技术：1）基于欧拉三流体模型和颗粒动力学理论（KTGF）的CFD-PBM耦合模拟，解析多相流参数；2）通过氧传质实验测定k_L
a、SOTR等性能指标；3）结合西安某污水厂实际数据验证模型可靠性。

实验设置
构建有效容积26 L的AFBBR反应器，采用体积比3:7的悬浮载体-废水体系，通过高速摄像和压力传感器捕捉气泡动力学行为。

曝气强度对多相流参数的影响
模拟显示增加曝气强度使流化速度提升42%，但小气泡比例从69.4%降至59.6%，揭示能量输入与气泡优化的权衡关系。

孔间距与孔径的调控效应
孔径0.16 mm时小气泡占比达74.8%，而孔间距10 mm可使气相扩散宽度扩展至9.6 cm，证实微观结构设计对宏观流场的调控作用。

氧传质性能优化
最优参数组合下，比曝气效率（SAE）提升0.17 kg/(kW·h)，相当于每度电多处理170克污染物，为现有系统升级提供明确路径。

该研究首次将GLSTP体系流体动力学与氧传质效率定量关联，建立的CFD-PBM模型可精准预测气泡破碎-聚并过程。实践层面，优化参数可直接应用于西安第三污水厂等采用微孔曝气的设施，预计可降低15-20%曝气能耗。理论层面，提出的“多相流-界面传质-能耗”关联框架，为环境工程领域的流体优化研究开辟了新范式。正如研究者Ren Jiehui强调的，这项成果不仅是“对曝气器物理结构的重新定义，更是对污水处理能量逻辑的数学解码”。