生物過濾系統(tǒng)中多級(jí)混合顆粒群滲流過程分析與完善

王 亞 軍

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

生物過濾系統(tǒng)中多級(jí)混合顆粒群滲流過程分析與完善

王 亞 軍1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

[目的] 準(zhǔn)確掌握過濾滲流場的變化規(guī)律，為更深刻理解生物過濾系統(tǒng)中流態(tài)的變化提供理論參考。[方法] 利用顆粒群加壓膨脹理論，基于對(duì)流固耦合效應(yīng)和滲流特性進(jìn)行研究。[結(jié)果] 提出了生物過濾系統(tǒng)滲流過程的4階段假設(shè)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了變化規(guī)律。[結(jié)論] 無論在清水和污水滲流過程中都出現(xiàn)的滲透系數(shù)由下降到上升再下降變化趨勢，是由于顆粒群加壓膨脹產(chǎn)生的原因。

生態(tài)過濾系統(tǒng); 滲流過程; 流固耦合; 飽和滲流; 滲透系數(shù)

文獻(xiàn)參數(shù)： 王亞軍.生物過濾系統(tǒng)中多級(jí)混合顆粒群滲流過程分析與完善[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：329-333.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.056； Wang Yajun. Analysis and improvement of mixed particle swarm percolation process in biofiltration system[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：329-333.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.056

由于實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)部水流中顆粒物質(zhì)與基質(zhì)之間發(fā)生攔截、擴(kuò)散、黏附等作用所導(dǎo)致的水流遲滯性，以及植物根系、微生物、外部降水和蒸發(fā)作用等因素對(duì)水流狀態(tài)的影響，使得實(shí)際反應(yīng)器流態(tài)偏離經(jīng)典理想反應(yīng)器的程度很大，偏離理想流型的原因主要是在反應(yīng)器中存在的死角、短路流及溝流等局部堵塞現(xiàn)象[1]。

生態(tài)過濾池的堵塞現(xiàn)象在小試、中試和現(xiàn)場使用中都頻繁出現(xiàn)[2-4]。過濾系統(tǒng)堵塞問題已成為制約生態(tài)過濾技術(shù)應(yīng)用和推廣的主要障礙，它解決的好壞直接決定著工程的使用壽命和應(yīng)用效益。

在下流式生態(tài)過濾池中，污染物由上及下依次流經(jīng)非飽和好氧過濾層、過渡層和飽和含水厭氧淹沒層，在底部區(qū)域延長水力停留時(shí)間來提高微生物濃度，達(dá)到提高反硝化處理效果的目的。在這里，出現(xiàn)了兩大問題，一是在底部反應(yīng)后端的反硝化階段，電子供體成為限速因子，蒙納仕大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過多年研究表明，可以通過在底部淹沒區(qū)添加碳源等方式彌補(bǔ)這個(gè)不足[5-7]；二是淹沒區(qū)的厭氧環(huán)境可能加速了系統(tǒng)的滲透堵塞現(xiàn)象，這在其他研究工作中有所闡述[8-9]。但是針對(duì)生態(tài)過濾系統(tǒng)的滲流過程研究還很缺乏，沒有完全掌握滲流場變化規(guī)律，同時(shí)增加了對(duì)水質(zhì)處理的不可靠性。所以，本文擬對(duì)滲濾過程理論加以分析與完善，并以試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 試驗(yàn)裝置參數(shù)

生態(tài)過濾系統(tǒng)裝置箱體材質(zhì)為無色透明有機(jī)玻璃，內(nèi)部尺寸為500 mm×300 mm×700 mm(長×寬×高)，箱體上部布置了一根豐型進(jìn)水管均勻布水，裝置內(nèi)填料為河砂和礫石，按照澳大利亞FAWB標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)方法要求的比例裝填[10]，填充高度為550 mm，各層參數(shù)見表1。采用恒流泵(Longer Pump BT100-2 J)保持裝置恒定進(jìn)水，U型液體壓力計(jì)(BYY型)測定濾層內(nèi)部壓差，TST-70型滲透儀測定填料滲透系數(shù)。

表1 生態(tài)過濾池模擬參數(shù)

2 傳統(tǒng)過濾過程理論分析及完善

顆粒以自然狀態(tài)堆積，顆粒間會(huì)留有較多孔隙，若經(jīng)過適當(dāng)振實(shí)[11]，使得顆粒間的孔隙就會(huì)大為減少。但顆粒這種有序排列會(huì)受到顆粒尺寸、形狀及表面特性等多種因素干擾，不易達(dá)到最理想的有序排列(即最緊密的堆積)。為了探討多級(jí)混合不規(guī)則顆粒群填料堆積體的基本特性以及填充顆粒間隙填充物質(zhì)的數(shù)量和作用等基本規(guī)律，首先以球狀顆粒材料為基礎(chǔ)，作基礎(chǔ)計(jì)算式的推導(dǎo)和演算。

2.1 顆粒群加壓膨脹特性

宏觀現(xiàn)象源自內(nèi)部的力位形和幾何構(gòu)形的調(diào)整。Jacques Duran[11]通過二維顆粒球體模型闡明了顆粒間空隙部分在外界作用下發(fā)生變化的規(guī)律(如圖1所示)[11]。

圖1 顆粒的加壓膨脹特性

可以看出，當(dāng)上部擠壓顆粒時(shí)，則顆粒間空隙的面積S隨顆粒間距呈現(xiàn)拋物線趨勢，面積S存在一個(gè)最大值。當(dāng)顆粒堆積密度很大(即面積S小)時(shí)，擠壓可使面積S增大，即使得顆粒堆積密度降低。若顆粒堆積密度低到一定程度，則外加作用可造成顆粒密度增大。任何顆粒流動(dòng)的發(fā)生都是以局部顆粒堆積密度的降低(體積膨脹)為條件的。

2.2 Reschke理論計(jì)算方法

對(duì)于宏觀顆粒，經(jīng)典力學(xué)可以給出單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精確解。但是，大量顆粒組成的體系具有特別的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。顆粒群中顆粒無序分布。針對(duì)過濾系統(tǒng)內(nèi)，由不同種類的顆粒混合而成的填料，粒度分布不一定遵守特定的數(shù)學(xué)方程，由多組分組成的填料層，顆粒分布也是不連續(xù)的，不能用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)函數(shù)方程來表達(dá)。所以需要尋找出一種堆積密度數(shù)學(xué)模型不受某一固定顆粒分布方程的局限。Reschke理論計(jì)算方法[12]在Schwanda模型基礎(chǔ)上擴(kuò)充的功能，此模型不受顆粒分布函數(shù)關(guān)系的限制，適用于粒度分布不連續(xù)的堆積密度的理論計(jì)算。這個(gè)數(shù)學(xué)模型除包括了顆粒分布函數(shù)關(guān)系外，還考慮了顆粒形狀和表面粗糙度、細(xì)顆粒間干擾作用等因素。

2.2.1 單一粒度理想球狀顆粒孔隙體積份數(shù)K0K0即為單一粒度顆粒間的孔隙體積數(shù)與固體物質(zhì)體積數(shù)的比值。

(1)

式中：K0——單一粒度顆粒孔隙體積份數(shù)；ε——孔隙體積數(shù)(%)；D——堆積密度(與固體物質(zhì)含量成比例)。

2.2.2 顆粒干擾作用寬度W在顆粒干擾作用比較明顯的混合填料體系中，兩粒級(jí)的粒度比例范圍稱為顆粒干擾作用寬度，此值取決于基礎(chǔ)顆粒粒度與極限顆粒粒度之比。極限顆粒粒度是指剛好沒有顆粒干擾作用的粒度。

(2)

式中：W——顆粒干擾作用寬度；Xs——基礎(chǔ)顆粒粒度；Xw——極限顆粒粒度。

2.2.3 多級(jí)混合顆?？紫扼w積份數(shù)h計(jì)算基本方程式以由粗顆粒和細(xì)顆粒兩組分組成的混合顆粒群為基礎(chǔ)，Reschke[12]認(rèn)為，根據(jù)粒級(jí)之間粒度比例的不同，多級(jí)混合顆粒的孔隙體積份數(shù)如下：

(3)

式中：hs——基礎(chǔ)顆粒級(jí)的孔隙體積份數(shù)；K0——單一粒徑粉體孔隙體積份數(shù)；as,i——i粒級(jí)的顆粒干擾系數(shù)；Vi——i粒級(jí)所占整個(gè)固體體積份數(shù)；n——粒級(jí)組分?jǐn)?shù)。

編制數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)即是K，W，Xi/Xs和系數(shù)as,i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可用圖2表示[13]。

注：K0為單一粒徑粉體孔隙體積份數(shù)；as,i為i粒級(jí)的顆粒干擾系數(shù)；Xi為i粒級(jí)的顆粒粒度；Xs為基礎(chǔ)顆粒粒度；W0為單一粒的顆粒干擾作用寬度；W為顆粒干擾作用寬度。

圖2 顆粒干擾系數(shù)as,i與Xi/Xs的關(guān)系

圖中以Xi=Xs為分界點(diǎn)，左側(cè)為XiXs，當(dāng)+W0的對(duì)應(yīng)as,i值等于K0時(shí)即為第2種類型。

當(dāng)某一粒級(jí)作為基礎(chǔ)顆粒時(shí)其他各粒級(jí)均為填充顆粒，由基礎(chǔ)顆粒的孔隙體積份數(shù)K0減去其他各級(jí)填充顆粒的相應(yīng)固體體積份數(shù)Vi，即可得出基礎(chǔ)顆粒級(jí)的孔隙體積份數(shù)hs值，如式(3)所示。

2.3 過濾滲流過程機(jī)理分析與完善

2.3.1 過濾滲流過程理論 早在1958—1973年敏茨和艾弗斯位學(xué)者就濾料層的過濾過程進(jìn)行了長期爭論[14]，且至今沒有統(tǒng)一的定論；在這期間，1965年Jones等[8], Kehat等[15]提出了在好氧條件下基質(zhì)堵塞過程經(jīng)歷了3個(gè)階段，第1個(gè)階段是滲透速率接近系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)的滲透速率，但呈現(xiàn)逐漸下降趨勢；第2階段是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的平穩(wěn)下降階段；第3階段是直至持續(xù)堵塞發(fā)生。而在厭氧條件下，沒有以上的第2階段，第1和第3階段也不是很明顯辨別。

2.3.2 過濾滲流過程假設(shè) 經(jīng)典滲流力學(xué)一般假定流體流經(jīng)的固體介質(zhì)是完全剛性的，即在孔隙流體壓力變化過程中，固體骨架不產(chǎn)生任何彈性或者塑性變形。但是，在實(shí)際的滲流過程中，由于孔隙流體壓力的變化，一方面要引起多孔介質(zhì)骨架有效應(yīng)力變化，由此導(dǎo)致滲透率的變化，另一方面，這些變化又反過來影響孔隙流體的流動(dòng)和壓力的重新分布，這就必須讓研究者考慮孔隙流體在介質(zhì)中的流動(dòng)規(guī)律的同時(shí)，也要考慮滲流場對(duì)介質(zhì)本身變形造成的影響。所以，僅從污染介質(zhì)干擾濾料層角度來分析水體流經(jīng)填料的滲濾過程是不充分的，作者認(rèn)為還需要考慮運(yùn)行過程中孔隙的三維幾何形態(tài)變化。為此本文對(duì)生物過濾系統(tǒng)堵塞過程進(jìn)行了重新詮釋。提出2種情況的假設(shè)：

第一，清水滲流過程經(jīng)歷4個(gè)階段，第1階段是滲透系數(shù)逐漸下降趨勢；第2階段是滲透系數(shù)有急劇上升勢頭；第3階段是滲透系數(shù)有稍微下降趨勢；第4階段滲透系數(shù)平穩(wěn)不再發(fā)生大的波動(dòng)變化。

第二，污水滲流過程經(jīng)歷4個(gè)階段，第1階段是滲透系數(shù)逐漸下降趨勢；第2階段是滲透系數(shù)有急劇上升勢頭；第3階段是滲透系數(shù)開始遲緩下降趨勢；第4階段是滲透系數(shù)持續(xù)下降，逐漸進(jìn)入堵塞階段?？赡艿脑颍旱?和第2階段，顆粒群緊密堆積下受到水壓力作用導(dǎo)致空間構(gòu)造改變，孔隙壓縮，同時(shí)污水?dāng)y帶的顆粒物通過截留、沉淀、擴(kuò)散和橫向遷移吸附在濾料表層，微生物為生長掛膜階段，生長量大于脫落量；第3階段，由于顆粒加壓膨脹特性，顆?？臻g出現(xiàn)由小變大的趨勢，隨后又?jǐn)D壓變小，這期間受到外加水力剪切和顆粒摩擦等的作用，濾料表層的顆粒物和生物膜發(fā)生脫落；第4階段，顆粒構(gòu)造基本穩(wěn)定，隨濾料層深度的加大，脫落下的顆粒物和生物膜持續(xù)累積，在濾料層局部不同程度地形成不透水區(qū)域。

3 結(jié)果與分析

3.1 混合填料孔隙率計(jì)算

首先對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行初期混合填料的孔隙率進(jìn)行理論計(jì)算，過濾系統(tǒng)內(nèi)填料是由8種不同粒級(jí)組成的顆粒群混合而成，在研究運(yùn)行過程中多級(jí)混合填料顆粒間孔隙體積的變化，首先需較為科學(xué)地計(jì)算出混合填料的孔隙體積，孔隙體積間接表明了水流孔道的變化情況。

3.1.1 多級(jí)混合顆?？紫扼w積份數(shù)計(jì)算 各平均粒度X分別為0.25，0.50，1.00，2.00，3.00，6.00，12.00，15.00 mm；試驗(yàn)測得各粒度的孔隙率ε分別為29.5%，31.5%，32%，33.6%，35.8%，37%，43%，44.5%；各粒級(jí)孔隙體積分?jǐn)?shù)K0,i根據(jù)公式(1)計(jì)算所得分別為41.84%，45.99%，47.06%，50.60%，55.76%，58.73%，75.44%，80.18%；顆粒干擾作用寬度W0為0.9。以每一粒級(jí)都分別作一次基礎(chǔ)顆粒，計(jì)算出相應(yīng)的as,i與Vi的乘積，結(jié)果如表2所示。

表2 孔隙體積份數(shù)計(jì)算模型

3.1.2 混合填料孔隙率計(jì)算 從表2中找出基礎(chǔ)顆?？紫扼w積份數(shù)最大(hs值)的粒級(jí)作為混合粉體堆積密度D的計(jì)算依據(jù)，可以看出，粒級(jí)3的hs最大，為0.161，且有：

則得到混合填料的堆積密度為0.861 3。最終得出混合填料的孔隙率為13.87%。通過表觀密度和堆積密度的測定計(jì)算出混合填料的孔隙率為14.54%，相對(duì)誤差為4.61%，因此說明按以上方法計(jì)算出混合填料孔隙率是較為精確的。

3.2 滲透特性測定

兩套生態(tài)過濾池同步進(jìn)行清水和污水滲透試驗(yàn)，在1.0 m3/(m2·d)進(jìn)水負(fù)荷水平下連續(xù)運(yùn)行。得出相同水力負(fù)荷條件下滲透系數(shù)在時(shí)間序列上的變化情況，如圖3所示。

圖3 滲透系數(shù)-時(shí)間的關(guān)系曲線

在運(yùn)行初期，清水和污水通過介質(zhì)的滲透系數(shù)后表現(xiàn)出總的下降趨勢；這是由于在試驗(yàn)裝置持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致原有顆粒群間的構(gòu)造發(fā)生變化，產(chǎn)生顆粒群骨架流變和局部孔隙塌陷的現(xiàn)象，新形成的空隙比原來的空隙要小，水流在其中流動(dòng)水頭損失增大，因此滲透系數(shù)減小。隨時(shí)間推移，清水和污水流經(jīng)介質(zhì)的滲透系數(shù)均表現(xiàn)出波動(dòng)上升，這是因?yàn)轭w粒間空隙變大的區(qū)域多于塌陷區(qū)域，水流通道變寬，滲透系數(shù)呈現(xiàn)曲折爬上趨勢。在長期連續(xù)進(jìn)水后，兩者出現(xiàn)了不同的變化趨勢，清水流經(jīng)介質(zhì)時(shí)，滲透系數(shù)先略有下降后平穩(wěn)，這是由于顆粒間孔隙基本全部塌陷，滲透系數(shù)下降至穩(wěn)定，當(dāng)水頭壓力不足以使顆粒介質(zhì)之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生新變化，滲透水流在其中流動(dòng)的路徑變得較為穩(wěn)定，滲透系數(shù)較為平穩(wěn)。污水流經(jīng)介質(zhì)時(shí)，滲透系數(shù)逐漸下降，這是由于隨運(yùn)行時(shí)間的延長，根據(jù)熱力學(xué)基本原理，一個(gè)封閉體系總會(huì)趨于自由能最小的狀態(tài)，最終都會(huì)通過擴(kuò)散等熱運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)的熵達(dá)到最大，形成均勻分布的平衡態(tài)，顆粒構(gòu)造最終穩(wěn)定。此時(shí)，污水?dāng)y帶的顆粒污染物和逐漸成熟的生物膜成為制約滲透的限制因子，致使產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象發(fā)生。這也支撐了過濾堵塞過程假設(shè)的成立。

4 結(jié) 論

(1) 借助顆粒群加壓膨脹理論，基于對(duì)流固耦合效應(yīng)的思考和滲流特性的研究，提出了生態(tài)過濾系統(tǒng)滲流過程的4階段假設(shè)：清水滲流經(jīng)歷滲透系數(shù)下降、上升、下降和平穩(wěn)4階段過程；污水滲流經(jīng)歷滲透系數(shù)下降、上升、平穩(wěn)和下降4階段過程。

(2) 借助Reschke理論計(jì)算方法對(duì)多級(jí)混合填料孔隙率進(jìn)行了理論計(jì)算，并與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，相對(duì)誤差為4.61%，因此說明按此方法計(jì)算出混合填料孔隙率較為精確。

(3) 通過連續(xù)運(yùn)行下生態(tài)過濾池滲透系數(shù)的測定，其變化規(guī)律與假設(shè)滲流過程相同，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐了過濾堵塞過程假設(shè)的成立。

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Analysis and Improvement of Mixed Particle Swarm Percolation Process in Biofiltration System

WANG Yajun1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 2.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China)

[Objective] To accurately master the variation law of the filtration flow field, and to provide a theoretical reference for the deeper understanding of the change in the flow in the biofiltration system. [Methods] Based on the particle swarm pressure expansion theory, characteristics of the infiltration were studied mainly in consideration of the fluid-solid coupling effect. [Results] A four stage hypothesis in the percolation process of the biofiltration system was put forward and verified by the experiment. [Conclusion] Either for the process of water seepage or sewage seepage, the permeability coefficients changed from falling to rising and then decreasing, which is caused by the particle swarm pressure expansion.

biofiltration; infiltration process; fluid-structure interaction; saturated flow; permeability coefficient

2016-10-30

2016-11-12

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“長三角快速城鎮(zhèn)化地區(qū)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)綜合示范”(2015BAL02B05)； 江蘇省重大科技專項(xiàng)課題(BE2015356-2); 江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(CE02-1-1); 甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2016B-026)

王亞軍(1979—),男(漢族),山西省介休市人，副教授，主要從事污水資源化利用研究。E-mail:wyj79626@163.com。

B

1000-288X(2017)03-0329-05

X502