電子束輻照水處理反應(yīng)器研究進(jìn)展

丁瑞，茅澤育，王建龍

（1清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084；2清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

電子束輻照水處理反應(yīng)器研究進(jìn)展

丁瑞1，茅澤育1，王建龍2

（1清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084；2清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電子束輻照水處理中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究較為深入，但對(duì)反應(yīng)器流體力學(xué)特性和吸收劑量分布規(guī)律的研究相對(duì)薄弱，而反應(yīng)器的流體力學(xué)特性和吸收劑量分布均勻性決定了輻照水處理的效率。本文對(duì)現(xiàn)有電子束輻照水處理反應(yīng)器進(jìn)行了分類、分析和對(duì)比，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論：瀑布式和射流式反應(yīng)器產(chǎn)生的水流與電子束要求的水流特性較為相似，且應(yīng)用較為廣泛，但缺乏系統(tǒng)的研究；噴霧式反應(yīng)器處理量相對(duì)較小且缺乏對(duì)其霧化水流的研究；上流式與折流式反應(yīng)器容易引起水流吸收劑量分布的不均勻。指出了目前反應(yīng)器研究都沒(méi)有考慮水流細(xì)部的流體力學(xué)特性及其對(duì)吸收劑量分布均勻性的影響。提出了電子束輻照水處理反應(yīng)器進(jìn)一步的研究方向?yàn)?，采用?jì)算流體力學(xué)與蒙特卡羅模擬粒子輸運(yùn)相結(jié)合的方法，研究反應(yīng)器水流流速分布、厚度分布與霧化水流密度分布等流體力學(xué)特性與吸收劑量分布規(guī)律，并據(jù)此優(yōu)化反應(yīng)器。

電子束輻照水處理；反應(yīng)器；流體力學(xué)；吸收劑量分布；計(jì)算流體力學(xué)；蒙特卡羅模擬

在水處理工程中，能夠進(jìn)行水處理的單元構(gòu)筑物、設(shè)備或容器都可以稱為反應(yīng)器[1]。水處理反應(yīng)器涉及反應(yīng)和傳質(zhì)兩個(gè)基本領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水處理中生物或化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究較為深入，但對(duì)水處理中的流體力學(xué)和傳質(zhì)的研究相對(duì)薄弱。流體是水處理反應(yīng)器中物質(zhì)和能量傳遞的主要載體，反應(yīng)器的流體力學(xué)特性直接影響反應(yīng)器的混合過(guò)程，制約反應(yīng)器的處理效果[2]。

電子束輻照水處理是一種新型的水處理技術(shù)，水體接受電子束輻照的瞬間發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基OH*、氫自由基H*和水合電子aqe-等活性粒子，這些活性粒子與污水中的各種污染物發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到凈化污水的目的[3]。電子束輻照水處理具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可以有效殺滅廢水中的病原菌、氧化分解有毒有害有機(jī)污染物、消除污水的臭味、提高污泥的脫水性和污染物的可生物降解性等[4]。關(guān)于運(yùn)用電離輻射技術(shù)處理不同類型污水的生物和化學(xué)效應(yīng)，已有大量的研究[5-7]。然而，關(guān)于電子束輻照水處理反應(yīng)器的研究相對(duì)較少且不系統(tǒng)。

電子束輻照水處理的效率，主要取決于水流吸收劑量分布的均勻性，水流吸收劑量分布越均勻，輻照水處理的效率越高。電子束輻照處理污水過(guò)程中，水流通過(guò)反應(yīng)器接受電子束輻照。水流接受輻照時(shí)的流體力學(xué)特性與電子束本身的特性，決定了水流吸收劑量分布的均勻性，從而顯著影響電子束輻照水處理的效率。因此，需要對(duì)電子束輻照水處理反應(yīng)器的流體力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，這對(duì)實(shí)際的水處理工程有著現(xiàn)實(shí)的科學(xué)指導(dǎo)意義。

本文對(duì)現(xiàn)有的電子束輻照水處理反應(yīng)器進(jìn)行了分類，介紹了反應(yīng)器在流體力學(xué)、吸收劑量和實(shí)踐應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，并從水處理效率和處理量的角度，對(duì)各種反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論；從理論上探討了水流吸收劑量分布與水流流體力學(xué)特性的相互關(guān)系；提出了電子束輻照水處理反應(yīng)器進(jìn)一步的研究方向，即采用計(jì)算流體力學(xué)與蒙特卡羅模擬粒子輸運(yùn)相結(jié)合的方法，研究反應(yīng)器水流的吸收劑量分布規(guī)律。

1 現(xiàn)有電子束輻照水處理反應(yīng)器概述

為處理不同類型的污水及達(dá)到不同的處理效果，至今世界各國(guó)的研究者們提出了不同類型的電子束輻照水處理反應(yīng)器。根據(jù)反應(yīng)器不同的水流流動(dòng)方式，可將電子束輻照水處理反應(yīng)器主要分為瀑布式、噴霧式、射流式、上流式和折流式反應(yīng)器5種類型。

1.1 瀑布式反應(yīng)器

早在20世紀(jì)70年代，CLELAND等[8]率先開(kāi)展了電子束輻照水處理反應(yīng)器的研究，他們主要針對(duì)市政污水污泥開(kāi)展研究。由于污水污泥黏性較大，導(dǎo)致其在固體壁面附近的阻力較大，無(wú)法形成較大的流速（2m/s）。為解決該問(wèn)題，他們通過(guò)反應(yīng)器使污水污泥自由下落，污水污泥下落過(guò)程中不受邊壁的約束，即可達(dá)到較大的流速，接受右側(cè)電子束的輻照，該種反應(yīng)器稱為瀑布式反應(yīng)器，反應(yīng)器及其形成的水流如圖1所示。CLELAND等[8]對(duì)自由下落薄層水流的厚度進(jìn)行了試驗(yàn)量測(cè)，得出輻照處水流厚度為3.5mm，沿寬度方向水流厚度的差異小于10%，即水流厚度分布均勻性良好。

KURUCZ等[9]對(duì)瀑布式反應(yīng)器的吸收劑量與流體力學(xué)特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，采用量熱法測(cè)量了水流的平均吸收劑量，得出電子束的能量轉(zhuǎn)化率約為65%。流體力學(xué)試驗(yàn)研究表明，瀑布式反應(yīng)器合適的流量范圍為230～610L/min，當(dāng)流量小于230L/min時(shí)，水流就會(huì)破碎；當(dāng)流量超過(guò)610L/min（接受輻照處水流流速約為2.2m/s）時(shí)，水流就會(huì)濺到電子加速器掃描盒上。該現(xiàn)象說(shuō)明水流在自由下落過(guò)程中，除有垂直向下的流速外，還有水平方向的流速分量，引起部分水體沿水平方向的運(yùn)動(dòng)，從而濺到加速器掃描盒上。這說(shuō)明反應(yīng)器的構(gòu)型還不夠完善，引起了水流沿水平方向的運(yùn)動(dòng)，因此需要系統(tǒng)研究瀑布式反應(yīng)器的流體力學(xué)特性，從而優(yōu)化反應(yīng)器。

圖1 瀑布式電子束輻照水處理反應(yīng)器[9]

近期，ENGOHANG-NDONG等[10]在電子束輻照處理市政污水的實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)瀑布式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為詳細(xì)的介紹。

1.2 噴霧式反應(yīng)器

隨著電子束輻照水處理研究的深入，很多研究者發(fā)現(xiàn)利用電子束與臭氧聯(lián)用處理污水具有協(xié)同效應(yīng)[11]，可以減小污水處理對(duì)吸收劑量的要求，從而降低水處理的費(fèi)用?；谶@一思想，PIKAEV等[12-15]提出了噴霧式反應(yīng)器，如圖2所示，該反應(yīng)器將污水與臭氧混合，以霧化水流的形式將污水水平噴出，接受來(lái)自上方電子束的輻照。PIKAEV等[15]對(duì)霧化水流的流體力學(xué)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的中試規(guī)模試驗(yàn)研究，得出霧化水流的厚度為9cm、密度為0.02～0.05g/cm3，液滴直徑為50～80μm，水流流速9.65m/s。中試試驗(yàn)的反應(yīng)器處理量較小，僅為500m3/d，這可能是由于霧化水流的形式限制了反應(yīng)器的最大處理量。

電子束下水流的流體力學(xué)特性，決定了水流吸收劑量分布的均勻性，從而決定了輻照水處理的效率。噴霧式反應(yīng)器噴出水流的霧化程度沿程逐漸增加，導(dǎo)致水流厚度逐漸變大、水濃度逐漸減?。欢鴮?duì)于噴霧式反應(yīng)器形成的霧化水流流速與厚度分布，已有的研究較少且不深入，需要進(jìn)一步的研究。

1.3 射流式反應(yīng)器

瀑布式反應(yīng)器形成的水流厚度小、寬度大且流速快，與電子束要求的水流特性較為相似，但流量較大時(shí)水流就會(huì)濺到電子加速器掃描盒上；而噴霧式反應(yīng)器采用水泵將水流水平噴出，水流更易控制且流速更大，但噴霧形式的水流使得處理量較小且霧化程度不易控制。綜合了瀑布式與射流式反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)后，HAN等[16]提出了射流式反應(yīng)器，如圖3所示，污水從射流式反應(yīng)器中水平射出，形成薄層水流，接受來(lái)自上方電子束的輻照。HAN等[17-19]先后進(jìn)行了中試規(guī)模和工業(yè)規(guī)模的電子束輻照水處理試驗(yàn)，并于2005年在韓國(guó)大邱建立了工業(yè)規(guī)模的電子束輻照水處理廠處理印染廢水，處理量達(dá)到10000m3/d。他們運(yùn)用試驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)器射出水流寬度為1.5m，水流流速為3～4m/s，采用重鉻酸鹽劑量計(jì)測(cè)量了水流的平均吸收劑量。近期，HAN等[20]還將射流式反應(yīng)器做成了移動(dòng)式的輻照水處理系統(tǒng)，以供現(xiàn)場(chǎng)使用。

圖2 噴霧式電子束輻照水處理反應(yīng)器系統(tǒng)[15]

圖3 射流式電子束輻照水處理反應(yīng)器[16]

射流式反應(yīng)器形成的水流與瀑布式反應(yīng)器形成的水流非常相似，都為厚度小、寬度大且流速快的水流，與電子束要求的水流特性較為相似。然而，對(duì)于射流式反應(yīng)器射出水流流速與厚度分布的研究較少，而反應(yīng)器的流體力學(xué)特性對(duì)電子束輻照水處理效率起著至關(guān)重要的作用，需要對(duì)射流式反應(yīng)器射出水流的流速與厚度分布等流體力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

清華大學(xué)丁瑞、茅澤育和王建龍等[5-6，21-22]運(yùn)用電子束輻照處理工業(yè)廢水，采用射流式反應(yīng)器，進(jìn)行了中試規(guī)模試驗(yàn)，取得了良好的效果。他們對(duì)射流式反應(yīng)器進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后反應(yīng)器射出水流的流體力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明反應(yīng)器射出水流流速與厚度分布非常均勻。

瀑布式、噴霧式和射流式反應(yīng)器產(chǎn)生的水流，在電子束下的運(yùn)動(dòng)都是無(wú)固體邊壁約束的自由流動(dòng)，容易形成較大的流速。除了這3種類型的反應(yīng)器外，一些研究者還提出了電子束下水流受固體邊壁約束的反應(yīng)器。

1.4 上流式與折流式反應(yīng)器

巴西于20世紀(jì)90年代開(kāi)始運(yùn)用電子束輻照處理污水和飲用水，SAMPA等[23-25]提出了上流式反應(yīng)器，如圖4所示，污水經(jīng)反應(yīng)器由下往上流動(dòng)，接受來(lái)自上方電子束的輻照后，水流從反應(yīng)器側(cè)壁上邊緣溢出。為確保污水中的有毒有害物質(zhì)不揮發(fā)到外界空氣中，在上流式反應(yīng)器頂部布置了一層鈦膜。RELA等[24]采用量熱法測(cè)量水流的平均吸收劑量，得出最大能量轉(zhuǎn)化率為76%。這是因?yàn)殡娮邮滤魃疃容^大，大部分的電子束能量都沉積在水中，因此其能量轉(zhuǎn)化率較高。然而，水流接受上方電子束輻照過(guò)程中，反應(yīng)器中間部分水流在電子束下的運(yùn)動(dòng)軌跡較長(zhǎng)，而反應(yīng)器側(cè)壁附近水流在電子束下的運(yùn)動(dòng)軌跡較短，這容易引起水流的水力停留時(shí)間分布不均，從而引起水流吸收劑量分布的不均勻，并進(jìn)一步影響輻照水處理的效率。水力停留時(shí)間分布主要由反應(yīng)器構(gòu)型與水流流速分布等因素決定，因此需要對(duì)反應(yīng)器的流體力學(xué)特性進(jìn)行研究，研究水流在電子束下的停留時(shí)間分布與吸收劑量分布規(guī)律，從而提高反應(yīng)器的處理效率。

近期，EMAMI-MEIBODI等[26]提出了折流式反應(yīng)器，如圖5所示。該反應(yīng)器與上流式反應(yīng)器較為相似，電子束下水流都受固體邊壁的約束，水流流速都相對(duì)較小。由于增加了折流板，折流式反應(yīng)器內(nèi)部水流在電子束下的運(yùn)動(dòng)路徑較長(zhǎng)，其停留時(shí)間也更長(zhǎng)，吸收劑量也更大。由于水流在固體邊壁附近存在流動(dòng)邊界層，水流在折流板附近流速較小，而在折流板中間流速較大，這容易引起水流的停留時(shí)間分布不均，從而導(dǎo)致水流吸收劑量分布的不均勻。

以上所有反應(yīng)器研究，都沒(méi)有考慮水流細(xì)部的流體力學(xué)特性及其對(duì)吸收劑量分布均勻性的影響。反應(yīng)器水流吸收劑量分布的均勻性，決定了電子束輻照水處理的效率，而水流吸收劑量分布取決于水流的流體力學(xué)特性與電子束的特性，因此，需要從理論上探究反應(yīng)器水流的吸收劑量分布與水流流體力學(xué)特性的相互關(guān)系。

圖4 上流式電子束輻照水處理反應(yīng)器（單位：mm）[23-24]

圖5 折流式反應(yīng)器示意圖

2 反應(yīng)器水流吸收劑量分布

電子束輻照物質(zhì)時(shí)，部分能量沉積在物質(zhì)中并被物質(zhì)吸收，被物質(zhì)吸收的這部分能量稱為吸收劑量。吸收劑量定義為單位質(zhì)量物質(zhì)吸收電子束能量的多少[27]，見(jiàn)式(1)。

式中，D為吸收劑量，Gy，1Gy=1J/kg；E為電子束給予物質(zhì)的能量， J；m為物質(zhì)的質(zhì)量，kg。

吸收劑量D與電子能量沉積De之間的關(guān)系可以表達(dá)為式(2)[28]。

式中，D為吸收劑量；De為每個(gè)電子在單位表面密度（area density）上的能量沉積，MeV/(g/cm2)；I為電子束流強(qiáng)度，mA；t為物質(zhì)接受輻照的時(shí)間，min；A為接受輻照材料的面積，m2。

電子束流強(qiáng)度分布基本均勻，電子束垂直照射厚度與密度分布均勻的物質(zhì)時(shí)，沿水平方向電子束在物質(zhì)中的能量沉積De分布基本均勻，沿垂向（深度方向）能量沉積分布如圖6所示[9]，圖中的穿透深度為質(zhì)量深度（=深度×密度，g/cm2）。當(dāng)某一深度的吸收劑量等于物質(zhì)表面吸收劑量時(shí)，即認(rèn)為該深度為最佳穿透深度Ropt。利用電子束輻照物質(zhì)時(shí)，最理想狀態(tài)是使接受輻照物質(zhì)的厚度等于最佳穿透深度，這樣輻照處理效率最高[29]。從圖6中可以看出，電子能量沉積De與電子能量大小E、電子穿透深度h、物質(zhì)密度ρ有關(guān)，見(jiàn)式(3)。

圖6 電子在材料中的能量沉積與穿透深度變化曲線

式(2)是針對(duì)受輻照物為厚度與密度均勻分布的固體。對(duì)于運(yùn)動(dòng)的水體，由于流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，需以水流微元為對(duì)象研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律及吸收劑量。水流微元接受電子束輻照的示意如圖7所示，水流微元是由流體質(zhì)點(diǎn)組成的流體微團(tuán)，具有一定的體積與質(zhì)量。若水流微元足夠小，則可以假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生顯著的變形與旋轉(zhuǎn)，僅發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)。研究水體中水流微元的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并計(jì)算其吸收劑量；研究足夠數(shù)量的水流微元運(yùn)動(dòng)規(guī)律及吸收劑量，即可得到水流的吸收劑量分布規(guī)律。

對(duì)于電子束輻照水處理反應(yīng)器，水流微元除了沿x方向運(yùn)動(dòng)外，還可能存在y方向的流速（尤其是對(duì)于上流式與折流式反應(yīng)器而言，y方向流速較大），導(dǎo)致水流微元的水深h隨時(shí)間而變。此外，噴霧式反應(yīng)器水流的霧化程度沿程變化，會(huì)引起水流微元密度ρ隨時(shí)間而變化。根據(jù)式(3)，電子在水中的能量沉積De(E,h,ρ)與水流微元的深度和密度有關(guān)，即電子在水流微元中的能量沉積會(huì)隨時(shí)間而變化。

圖7 水流接受電子束輻照示意圖

根據(jù)式(2)，水流微元的吸收劑量可以表達(dá)為式(4)。

電子加速器產(chǎn)生的電子束流強(qiáng)度I的分布基本均勻，電子束流中所有電子能量E基本相等，水流微元面積A也相等。因此，式(4)可簡(jiǎn)化為式(5)。

根據(jù)式(5)可知，水流微元的吸收劑量，主要取決于水流微元的水深h、水流密度ρ和水流微元在電子束下的停留時(shí)間t，而水流微元在電子束下的停留時(shí)間，主要取決于水流微元的運(yùn)動(dòng)軌跡和流速，即整個(gè)流場(chǎng)的流速分布。因此，反應(yīng)器水流吸收劑量分布均勻性，主要取決于水流流速分布、水流厚度（深度）分布與水流密度分布。因此，為提高水流吸收劑量分布均勻性和反應(yīng)器的處理效率，需要系統(tǒng)研究反應(yīng)器水流流速分布、水流厚度（深度）分布和水流密度分布等流體力學(xué)特性。

3 反應(yīng)器研究展望

由以上分析可見(jiàn)，電子束輻照水處理反應(yīng)器的研究重點(diǎn)，應(yīng)是對(duì)反應(yīng)器水流吸收劑量分布規(guī)律的研究，并以水流吸收劑量分布均勻?yàn)槟繕?biāo)，優(yōu)化反應(yīng)器，提高電子束輻照水處理的效率。吸收劑量分布規(guī)律研究涉及到流體力學(xué)、電子在物質(zhì)中能量沉積等領(lǐng)域，屬于交叉學(xué)科。

迄今為止，電子束輻照水處理反應(yīng)器研究，都沒(méi)有對(duì)水流吸收劑量分布規(guī)律進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究，已有的研究大多采用試驗(yàn)的方法測(cè)量水流的平均吸收劑量，沒(méi)有考慮反應(yīng)器的流體力學(xué)特性對(duì)水流吸收劑量分布的影響。反應(yīng)器中水體為連續(xù)流動(dòng)的流體，很難通過(guò)試驗(yàn)的方法得到水流吸收劑量的分布規(guī)律。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)得到了快速的發(fā)展，在氧化溝、流化床、膜生物反應(yīng)器、紫外燈消毒等水處理反應(yīng)器研究中得到了廣泛應(yīng)用[30-31]，很多研究者采用計(jì)算流體力學(xué)方法，研究不同類型反應(yīng)器的流體力學(xué)特性，并據(jù)此優(yōu)化反應(yīng)器，以提高反應(yīng)器的處理效率[32-34]。然而，在電子束輻照水處理反應(yīng)器方面，至今尚沒(méi)有相關(guān)研究成果報(bào)道。應(yīng)采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，研究反應(yīng)器水流的流速分布、厚度（深度）分布與霧化水流的密度分布等流體力學(xué)特性。

另一方面，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，蒙特卡羅方法在粒子輸運(yùn)和粒子能量沉積計(jì)算方面也得到了廣泛的應(yīng)用。在電子束輻照醫(yī)療用品與食品吸收劑量分布均勻性問(wèn)題上，已有大量蒙特卡羅方法的計(jì)算研究[35]。然而在電子束輻照水處理方面，尚沒(méi)有相關(guān)的研究。運(yùn)用蒙特卡羅方法可以較為方便且準(zhǔn)確的計(jì)算電子束在水中的吸收劑量分布，應(yīng)采用蒙特卡羅的方法研究反應(yīng)器水流的吸收劑量分布規(guī)律。

3.1 瀑布式與射流式反應(yīng)器

射流式與瀑布式反應(yīng)器形成的水流都為厚度小、寬度大且流速快的薄層水流，與電子束要求的水流特性較為相似。利用電子束輻照物質(zhì)時(shí)，應(yīng)使接受輻照物質(zhì)的厚度等于最佳穿透深度Ropt，從而提高輻照處理的效率[33]。因此，電子束下薄層水流的厚度應(yīng)均勻分布，且水流厚度應(yīng)等于最佳穿透深度Ropt。

對(duì)于厚度均勻分布的水流，電子在水流微元中的能量沉積De(E,h,ρ)沿深度方向的分布如圖6所示，沿水流運(yùn)動(dòng)方向和寬度方向分布均勻。水流沿y方向（厚度或深度方向）的流速很小，可以忽略水流微元沿厚度（深度）方向的運(yùn)動(dòng)。因此，在水流流動(dòng)過(guò)程中，由于水流微元所處的水深h相同，電子在水流微元中的能量沉積De(E,h,ρ)保持不變，式(5)的水流微元吸收劑量可以表達(dá)式為(6)。

根據(jù)式(6)，為使得沿水流運(yùn)動(dòng)方向和寬度方向水流吸收劑量分布均勻，除應(yīng)滿足水流厚度分布均勻，還應(yīng)滿足水流微元在電子束下的停留時(shí)間t相等，即電子束下水流流速分布均勻，沿水流運(yùn)動(dòng)方向水流流速相等，沿水流寬度方向水流流速為零。

因此，瀑布式與射流式反應(yīng)器形成的水流，在電子束下應(yīng)滿足水流流速與厚度沿寬度方向分布均勻。瀑布式與射流式反應(yīng)器形成的水流形態(tài)，取決于反應(yīng)器內(nèi)部水流的流體力學(xué)特性及反應(yīng)器本身的構(gòu)型。因此，需研究反應(yīng)器構(gòu)型對(duì)反應(yīng)器流體力學(xué)特性的影響，以形成厚度與流速均勻分布的薄層水流。應(yīng)采用計(jì)算流體力學(xué)方法建立三維流體力學(xué)模型，研究反應(yīng)器內(nèi)部水流的流體力學(xué)特性，以反應(yīng)器出口水流流速分布均勻?yàn)槟繕?biāo)對(duì)反應(yīng)器構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 噴霧式反應(yīng)器

噴霧式反應(yīng)器形成的霧化水流沿水流運(yùn)動(dòng)方向，霧化程度逐漸增加，導(dǎo)致水流厚度逐漸變大、水流密度逐漸減小。而電子束在水中的能量沉積De(E,h,ρ)與水流厚度h和水流密度ρ有關(guān)。因此，霧化水流厚度與密度的沿程變化，將導(dǎo)致電子束在水中的能量沉積分布的改變，從而改變水流吸收劑量的分布規(guī)律。

需要系統(tǒng)研究霧化水流的流體力學(xué)特性，可建立氣液兩相流數(shù)值模型，研究霧化水流流速、厚度和密度的沿程分布規(guī)律。根據(jù)流體力學(xué)特性的研究結(jié)果，運(yùn)用蒙特卡羅的方法計(jì)算霧化水流吸收劑量的分布規(guī)律，并以水流吸收劑量分布均勻?yàn)槟繕?biāo)，優(yōu)化反應(yīng)器，提高其處理效率。

3.3 上流式和折流式反應(yīng)器

對(duì)于上流式和折流式反應(yīng)器，水流微元沿水平方向和垂直方向都有流速，引起水流微元在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中水深發(fā)生變化，而由式(5)可知，水流微元的吸收劑量，與水流微元在電子束下的水深變化有關(guān)，即與水流微元的運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)。此外，不同水流微元運(yùn)動(dòng)軌跡相差較大，以及壁面邊界層引起水流流速分布不均，都會(huì)引起水流微元在電子束下的停留時(shí)間分布不均，從而引起吸收劑量分布不均。因此，水流吸收劑量分布與水流微元的運(yùn)動(dòng)軌跡和水流的流速分布緊密相關(guān)。

應(yīng)采用計(jì)算流體力學(xué)與蒙特卡羅模擬粒子輸運(yùn)相結(jié)合的方法，研究上流式和折流式反應(yīng)器水流的吸收劑量分布規(guī)律。運(yùn)用流體力學(xué)中拉格朗日方法，追蹤足夠數(shù)量的水流微元，記錄水流微元的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到水流微元運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的水深與流速。已知水流微元運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的水深，運(yùn)用蒙特卡羅方法可以得到電子在水流微元中的能量沉積De(E,h,ρ)；已知水流微元運(yùn)動(dòng)軌跡和流速，可以得到水流微元在電子束下的停留時(shí)間；再通過(guò)式(5)可以得到水流微元的吸收劑量。通過(guò)研究足夠數(shù)量的水流微元，即可得到水流的吸收劑量分布。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，電子束輻照水處理反應(yīng)器研究已經(jīng)取得了一定的成果，發(fā)展出了5種類型的反應(yīng)器。從理論分析角度而言，瀑布式與射流式反應(yīng)器形成的水流與電子束要求的水流特性最相似，噴霧式反應(yīng)器的處理量較小，上流式與折流式反應(yīng)器容易引起水流吸收劑量分布不均。在實(shí)際應(yīng)用方面，瀑布式與射流式反應(yīng)器的應(yīng)用最為廣泛，瀑布式反應(yīng)器適合處理黏性較大的污水污泥，射流式反應(yīng)器已經(jīng)得到工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用，我國(guó)目前對(duì)反應(yīng)器的研究也主要是射流式反應(yīng)器。未來(lái)的研究應(yīng)以瀑布式與射流式反應(yīng)器為主。

在反應(yīng)器水流吸收劑量分布規(guī)律領(lǐng)域還需要更為深入的研究。吸收劑量分布規(guī)律研究涉及流體力學(xué)、電子在物質(zhì)中能量沉積等領(lǐng)域，屬于交叉學(xué)科。需要采用計(jì)算流體力學(xué)與蒙特卡羅模擬粒子輸運(yùn)相結(jié)合的方法，研究反應(yīng)器水流的吸收劑量分布規(guī)律。以反應(yīng)器吸收劑量分布均勻?yàn)槟繕?biāo)，研究反應(yīng)器構(gòu)型對(duì)水流流體力學(xué)特性與吸收劑量分布均勻性的影響，從而優(yōu)化反應(yīng)器，提高反應(yīng)器的處理效率。

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A review on the water treatment reactor by electron beam

DING Rui1，MAO Zeyu1，WANG Jianlong2
（1Department of Hydraulic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

A lot of research has been conducted to study the reaction kinetics of electron beam（EB）treatment of wastewater. However，relatively less attention has been paid to the hydrodynamic behavior and absorbed dose distribution of the EB reactor which is crucially important for the EB treatment efficiency. Existing EB reactors were classified，analyzed and compared in this paper. Advantages and disadvantages of different kinds of EB reactors were briefly discussed. The waterfall and nozzle jet reactors were widely used and their flow coincided well with the requirement of electron beam，but very few systematic studies were conducted on them. The treatment capacity of the spraying reactors was relatively small and there were very few studies on the aerosol flow formed by them. As for up-flow and plate reactors，their absorbed dose distribution was less uniform. All previous studies didn’t consider the detailed hydrodynamic of the EB reactor and its effect on the absorbed dose distribution which is also considered as the future research area for EB reactor study. Computational fluid dynamic（CFD）method should be used to study the detailed hydrodynamic of the EB reactor，including the velocity，depth and density distribution of the flow. The Monte Carlo method incorporating CFD simulation result should be used to study the absorbed dose distribution of the flow. The configuration of the EB reactor should be improved to make the absorbed dose distribution more uniform.

electron beam treatment for wastewater；reactors；fluid mechanics；absorbed dose distribution；CFD；Monte Carlo simulation

X703

：A

：1000–6613（2017）02–0410–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.002

2016-06-14；修改稿日期：2016-08-16。

國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2011DFR00110）。

及聯(lián)系人：丁瑞（1989—），男，博士研究生，主要從事流體力學(xué)在水處理中的應(yīng)用研究。E-mail：dingrui36@163.com。