摘要：传统采用臭氧氧化技术去除废水中化学需氧量（COD）等污染物。文章研究密封大管径内气液混合态流质不同流型与臭氧注入量对工业废水处理效果的影响，发现不同气液混合态流质的流型会显著影响污染物去除率。研究表明，通过调控密封管内气液两相流质的表观流速和气液比，管内混合态流质会产生不同流型。气液比为0.1、气液两相流质流型为气泡流时，臭氧消耗量与化学需氧去除量的比值（O3/ΔCOD）最低，当产水量达到2 m3/h时，O3/ΔCOD为2.4，臭氧注入量最低，氧化效率最高。

　　关键词：两相流型；气泡流；臭氧氧化；废水；COD

　　随着化学工业迅速发展，各种工业废水造成的环境污染日趋严重。因此，设计针对难降解有机物的有效处理技术成为环保事业的重要研究方向。煤化工废水处理工艺普遍采用臭氧氧化法。臭氧氧化处理废水的原理是：将低浓度臭氧气体或氧气注入废水处理器，形成气液混合流质，利用臭氧的强氧化性清除废水中有机污染物。然而，现有废水处理设备臭氧利用效率低，多余臭氧从回水中溢出，不仅对周边设备造成很强的腐蚀老化作用，也对人体健康构成潜在威胁。

　　1低压密封管内气液两相流型

　　1.1气液混合流质流型状态

　　在密封管道内，气液两相流质会产生不同流型[1]。主要流型有气团流、分层流、柱塞流和气泡流（气团流表现状态为气相形成较大气团，在管路上部同液体交替流动；分层流（wave）气相在气液界面吹起与行进方向相反的波浪层；气体流速更大时形成液塞，阻碍高速气流通过，产生柱塞流型；气泡流（bubble）是气体以小气泡形式分散在连续液体中的流型，通常出现在气液比较低、流速较慢的情况下。

　　1.2影响气液混合流质流型的主要因素

　　气液混合态流质流型的影响因素有很多，主要有流质的物理特性、流道几何形状、管壁情况等。对于一定的直径管道，不同气液表观流速可产生不同流型。流型转换也与液相黏度有关，在恒定液速下，液相黏度越大，流型转变所需的气体流量越小。另外，气液相比也影响流型。管径对流型过渡影响大，当管径增大时，增大液速可获得柱塞流。减小气速可获得环状流；气速很大时管径对流型的影响会减弱。管道倾角对流型影响很大，下坡流中几乎都是分层流，只有气速很高时才变成冲击流或环状流。上坡流中，向上倾角越小，由气泡流转变为冲击流所需的气体流量越小。

　　CHEN等[2]研究直径150 mm大管中空气-水的泡状流和柱塞流物理条件。Ohnuki和Akimoto[3]对200 mm管内汽液两相流型进行研究，发现小管径中弹状流工况在大管径中主要是气团流。以上研究表明，小型与大型管道在流型和流动参数上存在差异。为获得大管径管道的流型变化，本研究采用120 mm管施行流型实验，分析不同条件下流型转变规律，明确水平管内气团流、分层流、柱塞流和气泡流的物理特性。

　　1.3密封管内气液两相流型与臭氧氧化污水处理效率的关系

　　研究臭氧利用率和废水处理效率。鉴于气体扩散、液体渗透的基础理论是扩散定律，本实验基于扩散定律对密封管内气液两相流质流型与臭氧利用率、废水处理效率的关系展开研究。

　　1.4低压密封管内气液两相流型识别方法

　　气液两相流研究与流型识别的3大类常用方法如下：流态图通过计算流型转换关系并绘制图表实现识别；直接识别主要采用图像识别方法；间接识别主要包括概率密度、功率谱密度函数分析法，傅里叶、小波、希尔伯特-黄时频域变换分析法，以及采用向量机、模糊数学和人工神经网络计算的信息融合法。本实验设计采用直接识别法进行流型识别。

　　2气液两相流型实验

　　2.1实验装置与流程

　　实验装置如图1所示，采用直径120 mm、壁厚5 mm的透明管，实验液体为煤化工废水，臭氧质量浓度为10～20 mg/L，经除油、除湿、除尘处理，通过双螺旋静态混合器形成气液两相混合流，剩余臭氧随尾气外排，尾气用活性炭分解以免污染空气。

　　通过控制管内气、液两相表观流速，使封闭管内气液混合态流质流型变化，产生不同流型。采用高速摄像机抓拍管内气液混合态流质图像，通过图像识别技术分析管内气液混合态流质状态，得到不同条件下的流型图和边界面形态数据。测量不同流型、不同气液比工况下，废水氧化处理系统的出水量、COD去除量、去除率、臭氧注入量，确定臭氧、废水两相混合流质在不同流型下的反应效率。实验过程：依次打开进气阀、进水阀，气泵、水泵，然后调节控气阀和控水阀设置气液比，通过观察流量计读数确定气液两相表观流速、气液比；利用高速摄像机连续抓拍PC管流型观察区，通过图像识别确定气液混合流质流型。

　　2.2结果分析

　　2.2.1气液混合流质流型与气、液相表观流速的相互关系

　　实验设计先调节管内气液比，设置3个气液比工况：0.05（工况1）、0.1（工况2）、0.2（工况3），再调节控气阀和控水阀调节气、液两相表观流速（见表1），通过分析摄像机拍摄的流质照片，确定气液混合流质流型分布。

　　从图2可以看出，当气、液两相表观流速都比较低、气液比也比较低时，流型主要是气团流；当气相表观流速较高、气液比也比较高、液相表观流速较低时，流型主要是分层波浪流；液相表观流速较高时以柱塞流为主；当气液比为0.1时，气相表观流速为0.05～0.15 m/s，液相表观流速为0.3～0.6 m/s，流型以气泡流为主。不同流型之间的过渡区没有明显界限，表现为一种混合流型状态（见图2）。

　　2.2.2气液混合流质不同流型状态下COD去除效果对比

　　根据表2数据，在不同流型状态下，产水量为1 m3/h时，对比臭氧氧化去除废水COD污染物去除率，发现气泡流型的气液混合流质COD去除率最高，达73.8%，分层流COD去除率为67.7%，气团流COD去除率为66.5%。由此推断，将臭氧注入煤化工废水形成的气液混合流质流型若为气泡流，则臭氧化效率最高，除污效果最佳。

　　表2数据还显示，即使气液混合流质均为气泡流，但若液相表观流速不同臭氧的氧化能力也不同：产水量为1 m3/h的流型因为液相表观流速低，COD去除率达73.8%；随着产水量从1m3/h增加到1.5m3/h和2 m3/h，气泡流逐渐转变为分散气泡流，COD去除率也从73.8%降到65.6%，再进一步降到53.3%；产水量为2 m3/h时，柱塞流COD去除率最高，为58.3%，气团流COD去除率最低，为47.2%。

　　3结语

　　通过研究大管径水平管内气液两相混合态流质不同流型及臭氧注入量对废水COD去除率的影响，明确密封水平大管径管内气液两相混合流质形成不同流型的物理参数。通过控制管内气液两相的表观流速、气液比，产生不同流型，并发现流型对臭氧氧化去除废水COD的效率有显著影响。当气液比为0.1时，气液两相混合流质为气泡流状态，COD去除率最高，臭氧消耗量与化学需氧去除量的比值（O3/ΔCOD）为2.4，臭氧投入量最低，氧化效率最高。

参考文献

　　［1］韩炜.管道气液两相流动技术研究［D］.成都:西南石油学院,2004.

　　［2］CHEN X T,CAL X D,BRILL J P.Gas-liquid stratified-wavy flow in horizontal pipelines［J］.Journal of Energy Resources Technology,1997,119(4):209-216.

　　［3］OHNUKI A,AKIMOTO H.Experimental study on transition of flow pattern and phase distribution in upward air-water two-phase flow along a large vertical pipe［J］.International Journal of Multiphase Flow,2000,26(3):367-386.