高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)的湍流特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王　宇， 王江云， 許雙雙， 陳春茂， 馬靜園， 郭紹輝

(1.中國石油大學(xué) 北京市油氣污染防治重點實驗室 重質(zhì)油國家重點實驗室， 北京 102249；2.中國海油能源發(fā)展股份有限公司 北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院， 北京 300457； 3.中國昆侖工程公司， 北京 100037)

高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)的湍流特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王宇1，2， 王江云1， 許雙雙3， 陳春茂1， 馬靜園3， 郭紹輝1

(1.中國石油大學(xué) 北京市油氣污染防治重點實驗室 重質(zhì)油國家重點實驗室， 北京 102249；2.中國海油能源發(fā)展股份有限公司 北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院， 北京 300457； 3.中國昆侖工程公司， 北京 100037)

摘要：采用數(shù)值模擬方法研究了高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)的湍流及多相流傳質(zhì)過程。通過重整化群k-ε湍流模型(RNG k-ε)和歐拉多相流模型構(gòu)建反應(yīng)器內(nèi)多相湍流流動控制方程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用自定義函數(shù)(UDF)方式修正了計算流體力學(xué)軟件Fluent中的曳力模型，并植入歐拉多相流模型，建立高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)氣-液-固多相流動模型，并模擬計算了反應(yīng)器內(nèi)多相流過程，同時對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，修正后的多相流動模型計算得到的流場特征與實驗數(shù)據(jù)吻合，驗證了所采用的湍流模型和計算方法的準確性；優(yōu)化后的反應(yīng)器內(nèi)多相流傳質(zhì)效果明顯提高。該方法較為準確地預(yù)測了反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)過程，可以用于高效厭氧生物反應(yīng)器的工程應(yīng)用改進。

關(guān)鍵詞：高效厭氧生物反應(yīng)器； 數(shù)值模擬； 多相流動模型； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著石油工業(yè)發(fā)展，石油開采加工過程產(chǎn)生的污水量大幅提升，水質(zhì)日益惡化，石油化工領(lǐng)域污水處理技術(shù)升級改造已成為工業(yè)污水處理亟待解決的問題[1-2]。高效厭氧生物處理技術(shù)兼具污水處理和能源回收、處理成本低等優(yōu)勢，在煉化污水生化處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[3-4]。我國石油化工領(lǐng)域的污水處理技術(shù)尚處于第1代反應(yīng)器向第2代反應(yīng)器過渡階段，高效厭氧生物反應(yīng)器在石化領(lǐng)域尚處于探索階段，在石油煉制領(lǐng)域尚無成功應(yīng)用案例，因此研究高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài)分布、水力學(xué)和傳質(zhì)特性等過程動力學(xué)對其在石油煉化領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。當前，國內(nèi)對高效厭氧生物反應(yīng)器的研究多集中在反應(yīng)器的工藝、三相分離器結(jié)構(gòu)、污泥馴化等方面[5-7]，對基于反應(yīng)器內(nèi)部多相流動過程數(shù)值模擬計算的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較少，通常是通過實驗方法對反應(yīng)器進行改進。由于厭氧生化反應(yīng)器的啟動時間長、操作控制參數(shù)較多、影響因素復(fù)雜等原因，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化和研究反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和多相流特點費時、費力，采用數(shù)值模擬方法對反應(yīng)器多相流動過程進行研究分析具有明顯優(yōu)勢[8-10]。

Fluent軟件采用目前較先進的離散技術(shù)和計算精度控制技術(shù)，通過流場的數(shù)值模擬不僅可得到實驗手段無法得到的特定信息，同時節(jié)省了科研時間和經(jīng)費[11-13]。但是，高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)部流場復(fù)雜，對反應(yīng)器進行模擬計算非常困難，多數(shù)研究停留在單向流的模擬計算階段，并未真實有效地模擬反應(yīng)器內(nèi)實際流場特點。筆者基于Fluent模擬軟件，采用修正的液-固曳力模型建立了能精確反映高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)液、固流動過程的數(shù)學(xué)模型，并進行了模擬計算，在此基礎(chǔ)上對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改造，以期為高效厭氧生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1高效厭氧生物反應(yīng)器(ABR)的幾何模型及網(wǎng)格劃分

高效厭氧生物反應(yīng)器(以下簡稱ABR)下部直徑70 mm，高度550 mm，上部三相分離高度250 mm。采用Gambit建模軟件對反應(yīng)器進行了完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)106004個，并使用Fluent計算軟件對其內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬計算，具體的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　ABR的結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格劃分

2模擬ABR內(nèi)傳質(zhì)采用的數(shù)學(xué)模型

2.1多相湍流流動控制方程

在數(shù)值模擬計算中，不考慮污水與微生物的生物反應(yīng)過程，僅考慮反應(yīng)器內(nèi)污水和污泥的流體力學(xué)行為。假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)污水及污泥的流動過程是連續(xù)介質(zhì)與分散介質(zhì)的兩相流動和分離過程，采用RNGk-ε湍流模型和歐拉多相流模型模擬反應(yīng)器內(nèi)液-固兩相流動過程。忽略流體的密度脈動、顆粒質(zhì)量變化率的脈動以及非定常關(guān)聯(lián)項，并將各相方程中的擴散相統(tǒng)一表示成梯度的形式，雙流體模型中各相的控制方程組可以表示為式(1)所示的統(tǒng)一形式[14]。式(1)加上一些構(gòu)成源項和輸運系數(shù)的模型方程就構(gòu)成了雙流體模型的封閉控制方程組。

(1)

2.2液-固曳力模型修正

在反應(yīng)器上部污泥稀相區(qū)，污水和污泥的運動狀態(tài)主要由連續(xù)相流動決定，下部污泥密相區(qū)污泥的碰撞和團聚對污水流動狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。在適用于稠密液-固流動數(shù)值模擬的雙流體模型中，液-固兩相之間的相互作用和動量交換主要通過液-固曳力模型來實現(xiàn)?？紤]固體顆粒的流化、夾帶和輸運的情況，建立準確的液-固曳力模型，確保稠密液-固反應(yīng)器內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果的準確程度。

采用自定義函數(shù)方法(User define function, UDF)，綜合考慮污泥顆粒的團聚及聚并過程，建立適合密相和稀相共同存在的分區(qū)液-固曳力模型，并植入歐拉多相流模型，建立用于高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)氣-液-固多相流動模型。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)污泥流動特點和空隙率分布，綜合考慮反應(yīng)器內(nèi)三相分離系統(tǒng)和反應(yīng)器下部密相鼓泡流化床的污泥分布特點，將整個計算區(qū)域劃分為4個區(qū)域，各區(qū)采用不同液-固兩相曳力模型，如表1所示[15-18]。

表1　ABR流動區(qū)域劃分及各區(qū)曳力模型

2.3反應(yīng)器內(nèi)流動相模擬計算條件確定

根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)污水和污泥的基本流動過程，可以得到反應(yīng)器內(nèi)液、固兩相流動的計算工況和邊界條件。反應(yīng)器進水流量為2.9 L/d，反應(yīng)器下部污泥密相床層施加1.2 L藏量，污泥質(zhì)量濃度為2.57 g/L，顆粒密度為1050 kg/m3，粒徑為9 μm。反應(yīng)器從底部進水，上升流速為0.031 m/h。根據(jù)實驗條件僅最上部出水口打開，故反應(yīng)器上部Outlet-water 1排水口施加常壓出口邊界條件。反應(yīng)器殼體、其他出口和內(nèi)構(gòu)件的壁面施加無滑移固壁邊界條件以及二層壁面函數(shù)模型。

3結(jié)果與討論

3.1ABR內(nèi)多相流動數(shù)值模擬結(jié)果

3.1.1速度場模擬結(jié)果

圖2為ABR內(nèi)液-固兩相流速度分布云圖。由圖2可知，污水從反應(yīng)器底部進入，經(jīng)布水板射流進入污泥床層；在液相曳力作用下，污泥床層從團聚狀態(tài)開始膨脹分散；顆粒小的污泥隨污水向上運移，射流影響消失后污泥床層重新開始團聚；顆粒大的污泥無法受污水曳力作用繼續(xù)上移，開始沉降，沉降至反應(yīng)器底部，再次受污水射流作用發(fā)生膨脹分散，向上運動。在污泥床層膨脹分散和團聚而上下運動的過程中，污水與絮狀污泥顆粒的充分混合，滿足了污泥中微生物與污水的充分接觸，強化了傳質(zhì)作用，實現(xiàn)污水有機質(zhì)與污泥中微生物的生化反應(yīng)過程。

圖2　ABR內(nèi)液、固兩相速度分布云圖

從圖2同時發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器底部布水板作用下，污水射入污泥床層，液、固兩相在底部出現(xiàn)局部速度較高區(qū)域；沿反應(yīng)器高度向上，液、固兩相速度受底部射流影響降低，速度值減小，沿反應(yīng)器徑向分布速度逐漸均勻。三相分離器內(nèi)液相和固相的速度都非常低，由于固相密度大于液相，因此進入三相分離器的固相較少。同時，在反應(yīng)器底部射流影響區(qū)污水與污泥傳質(zhì)作用較強，上部污泥濃度降低，污水僅受反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)約束，速度較低。

3.1.2壓力場和湍動能模擬結(jié)果

圖3為ABR內(nèi)壓力和湍動能分布云圖。壓力分布云圖反映了污水進入反應(yīng)器內(nèi)與污泥相互作用的流動特性。由圖3(a)看到，由于底部污泥床層的存在，污泥和污水產(chǎn)生的流體靜壓力在反應(yīng)器底部最大；由于底部污水的沖擊和曳力的帶動，污泥床層產(chǎn)生膨脹，使得壓力分布整體趨勢沿軸向高度方向逐漸降低，局部有壓力波動。湍動能是衡量湍流發(fā)展和衰退的重要指標。由圖3(b)看到，湍動能云圖表現(xiàn)出與流體速度分布相似的分布趨勢；在反應(yīng)器底部的污水射流區(qū)，流體湍動劇烈，污水與污泥的傳質(zhì)作用較強，介質(zhì)間混合充分，污泥隨污水向上運移，沿反應(yīng)器高度方向流體流速不斷降低，污泥在重力作用下回落，湍動降低，傳質(zhì)作用減弱。

圖3　ABR內(nèi)壓力和湍流動能云圖

3.1.3濃度場分布模擬結(jié)果

采用污泥的體積分數(shù)表示ABR內(nèi)污泥濃度隨時間變化情況，結(jié)果示于圖4。由圖4可知，初始狀態(tài)(0 s)下，向反應(yīng)器內(nèi)施加一定體積污泥，保證床層沿高度方向濃度分布一致。計算時間為1 s時，污泥床層發(fā)生濃度變化，部分污泥團聚下沉，部分污泥受水流作用向上運移，污泥床層出現(xiàn)下濃上稀的分布趨勢；5 s時，底部污泥床層在污水射流作用下，出現(xiàn)類似沸騰的污泥膨脹現(xiàn)象，下部密相床層濃度分布不再均勻，同時上部稀相區(qū)范圍繼續(xù)擴大，出現(xiàn)了明顯的床層膨脹現(xiàn)象；隨計算時間繼續(xù)延長，底部密相床層膨脹現(xiàn)象更加劇烈，同時稀相區(qū)范圍向上繼續(xù)擴大，越往上濃度越稀，并且稀相區(qū)向上運移的速度減慢，說明在遠離污水射流作用時，污泥受重力作用逐漸回落。污泥床層增高速度減慢，最終達到平穩(wěn)狀態(tài)，出現(xiàn)底部密相區(qū)、中間過渡區(qū)、上部稀相區(qū)和極稀相區(qū)的分布趨勢。污水與污泥的傳質(zhì)作用計算需要較小時間步長，用以精準預(yù)測污水與污泥的真實傳質(zhì)作用。這里僅顯示計算到35 s時的濃度分布圖，但反應(yīng)器內(nèi)的基本流動過程已經(jīng)穩(wěn)定。

3.2ABR結(jié)構(gòu)改進及優(yōu)化

從多相流動的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)雖具有較好的流動分布，但為了強化污水與污泥傳質(zhì)效應(yīng)，可在一些結(jié)構(gòu)參數(shù)上進行優(yōu)化改進。污泥沉降效果受反應(yīng)器空間以及停留時間限制。反應(yīng)器運行過程中，上升流速較低，上部三相分離器受上升流速影響慣性分離作用減弱，固相模擬計算結(jié)果與反應(yīng)器實際運行中出現(xiàn)的跑泥現(xiàn)象吻合，需進一步優(yōu)化改進反應(yīng)器出水區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)改進

圖5為ABR出水區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)改進前后對比。由圖5可見，改進后反應(yīng)器出水區(qū)排水環(huán)隙截面積明顯增加，運移到環(huán)隙附近的污泥上升流速將明顯降低，受重力作用得到充分沉降，回流到反應(yīng)區(qū)，達到降低反應(yīng)器跑泥現(xiàn)象的目的。

3.2.2反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)改進結(jié)果

圖6為ABR結(jié)構(gòu)改進前后液、固兩相速度分布云圖。由圖6看到，液、固兩相速度分布均為反應(yīng)器下部布水板上方速度較高，且沿軸向方向速度逐漸減低。改進后環(huán)隙的液、固兩相速度明顯低于改進前，有利于固相的重力沉降回落。

圖4　ABR內(nèi)污泥濃度場分布圖

圖5　ABR出水區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)改進前后對比

圖6　ABR改進前后液、固兩相流速分布對比

圖7為ABR改進前后出水區(qū)速度云圖。從圖7可發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)改進前由于環(huán)隙截面積略大于反應(yīng)器主體截面積，從量級上可知其環(huán)隙流速與反應(yīng)器主體流速基本一致，污泥難以在有限的環(huán)隙空間再次發(fā)生沉降，極易被水流帶出反應(yīng)器；結(jié)構(gòu)改進后，增加了出水區(qū)環(huán)隙截面積，同時增加45°擋板，在保證環(huán)隙截面積不小于反應(yīng)器主體截面積基礎(chǔ)上，增加污泥沉降空間，使環(huán)隙內(nèi)的流速明顯低于底部流體上升速度，增加了污泥在環(huán)隙內(nèi)的沉降效率，此外環(huán)隙下部擋板可截流一部分上升污泥和從環(huán)隙沉降落回擋板下方的污泥，提高污泥沉降效果。

圖7　ABR改進前后出水區(qū)速度云圖對比

圖8為ABR改進前后出水區(qū)內(nèi)部液相流線分布。由圖8可知，流體從反應(yīng)器底部上升流經(jīng)三相分離器與反應(yīng)器出水區(qū)時，流速略有提高，并向出水口環(huán)隙轉(zhuǎn)向。改進前出水口環(huán)隙速度較為均勻，不利于污泥再次沉降分離；改進后增加的環(huán)隙空間降低了污泥在環(huán)隙空間的上升流速，增加了污泥的沉降空間和時間，同時下部45°擋板結(jié)構(gòu)也利于阻擋污泥上升運動，緩解反應(yīng)器跑泥問題。

圖8　ABR改進前后出水區(qū)液相流線速度分布

圖9為ABR改進前后器內(nèi)整體污泥濃度分布。由圖9可以看出，改進前、后反應(yīng)器內(nèi)污泥分布趨勢一致，包括底部的污泥濃相區(qū)和上部的污泥稀相區(qū)。然而，污泥進入改進前的反應(yīng)器出水口環(huán)隙后，污泥濃度在環(huán)隙內(nèi)較為均勻，表明污泥會隨液體流出；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進后，出水口環(huán)隙的污泥沉降作用增強，污泥濃度明顯降低，出水口附近基本無跑泥現(xiàn)象，說明反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進后對污泥的截留作用明顯提升。

4結(jié)論

(1)采用分段曳力模型，并基于RNGk-ε湍流模型和歐拉多相流模型，建立了適合高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)的多相流動模型。計算得到的反應(yīng)器內(nèi)部流場信息與反應(yīng)器實際流動過程相吻合，驗證了湍流模型的準確性，并能夠反映反應(yīng)器內(nèi)多相流的傳質(zhì)過程。高效厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)的流動特點是，底部污水經(jīng)布水板小孔產(chǎn)生較強的射流作用，沖擊污泥床層，使團聚的污泥膨脹分散，并與污水充分混合，強化傳質(zhì)，增加污水與污泥中微生物的接觸頻率；同時，在污水上升流速帶動作用下，污泥沿反應(yīng)器高度上升運動，上升到一定高度，污水的沖擊作用減弱，污泥重新團聚，并在重力作用下開始回落，少量密度低的污泥隨污水繼續(xù)運移，有可能從出水口隨水流排出。

圖9　ABR改進前后的污泥濃度分布

(2)反應(yīng)器出水區(qū)結(jié)構(gòu)改進后，跑泥現(xiàn)象明顯降低，污泥沉降作用增強，提高了反應(yīng)器內(nèi)多相流傳質(zhì)效果，模擬計算結(jié)果與反應(yīng)器實際運行效果一致。Fluent模擬優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)可以有效提升反應(yīng)器運行效能，可用于反應(yīng)器流體力學(xué)的性能優(yōu)化。

符號說明：

k——湍動能，m2/s2；

p——壓力，Pa；

Sφ——因變量φ的源項；

t——時間，s；

v——流體速度，m/s；

VOF——污泥體積分數(shù)，%；

xj——通用坐標，mm；

α——體積分數(shù)，%；

β——孔隙率，%；

Γφ——輸運系數(shù)，m2/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

φ——通用變量；

下標

g——氣相。

j——笛卡爾坐標系；

k——第k相。

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Structure Optimization and Turbulent Flow Characteristics inHigh Efficient Anaerobic Biological Reactor

WANG Yu1,2, WANG Jiangyun1, XU Shuangshuang3, CHEN Chunmao1, MA Jingyuan3, GUO Shaohui1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,BeijingKeyLaboratoryofOil&GasPollutionControl,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.BeijingSafetyEnvironmentalProtectionEngineeringTechnologyResearchInstitute,CNOOCEnergyTechnology&ServicesLimited，Beijing300457,China;3.ChinaKunlunContracting&EngineeringCorporation,Beijing100037,China)

Abstract：The turbulent flow characteristics and multiphase flow mass transfer process in the high efficient anaerobic biological reactor were studied by numerical simulation. Multiphase turbulent flow control equation was built based on RNG k-ε (renormalization group, RNG, k-ε model) turbulent model and Euler multi-phase model, on the basis of which, the gas-liquid-solid multiphase flow model was built by loading the user defined function (UDF) to modify the drag model in Fluent solver and implanting the Euler multi-phase model, and the flow characteristics were calculated and the structure in high efficient anaerobic biological reactor was optimized. The results confirmed that the flow characteristics calculated with modified multiphase model was in reasonable agreement with experimental data, which verified the modified model and calculating method. And the multiphase mass transfer effect was improved obviously in modified reactor. An accurate prediction during the mass transfer process in the reactor could be obtained by the modified multiphase flow model, which could be used for the engineering prediction of high efficient anaerobic biological reactor.

Key words：high efficient anaerobic biological reactor; numerical simulation; multiphase flow model; structure optimization

收稿日期：2015-03-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(21306229)和中國昆侖工程公司項目(2013GJTC-06-03)資助

文章編號：1001-8719(2016)03-0614-08

中圖分類號：X703.3

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.024

第一作者： 王宇，女，博士，從事稠油加工污水的高效厭氧處理工藝方面的研究

通訊聯(lián)系人： 郭紹輝，男，教授，博士，從事石油工業(yè)環(huán)境污染治理與修復(fù)領(lǐng)域方面的研究；Tel:010-89732278;E-mail:cupgsh@163.com； 王江云，男，助理研究員，博士，從事多相流動的數(shù)值模擬與實驗方面的研究；Tel:010-89733293;E-mail:wangjy@cup.edu.cn