不同污泥高度下ABR液相流場特性試驗(yàn)研究

王榮麟，李開世，黃文權(quán)，董亮

四川理工學(xué)院，過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000

不同污泥高度下ABR液相流場特性試驗(yàn)研究

王榮麟，李開世*，黃文權(quán)，董亮

四川理工學(xué)院，過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000

在厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)不同進(jìn)水流量(150～500 L/h)和不同污泥高度(0～45 mm)的組合工況下，利用激光粒子圖像測速技術(shù)(PIV)研究了ABR第一隔室內(nèi)部的液相流場特性，獲得了反應(yīng)器關(guān)鍵截面的液相流場數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在污泥高度為0 mm時，ABR降流區(qū)徑向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈先下降后增加再下降趨勢；污泥高度為15 mm時，軸向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈先下降后增長趨勢；平均渦量隨進(jìn)水流量的增加呈逐漸增加趨勢。升流區(qū)徑向和軸向平均速度隨進(jìn)水流量呈波動趨勢。降流區(qū)的返混程度隨污泥高度的增加而增大，矢量速度高速區(qū)集中在降流區(qū)距進(jìn)水口180～250 mm處。升流區(qū)渦核數(shù)量隨污泥高度增加而增加，矢量速度高速區(qū)集中在下部0～20 mm處。

粒子圖像測速技術(shù)(PIV)；ABR；污泥高度；液相流場

近年來,厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)在高濃度、難降解有機(jī)廢水處理中得到應(yīng)用開發(fā),在反應(yīng)器中設(shè)置豎向?qū)Я靼?將反應(yīng)器分隔成多個隔室,污水沿反應(yīng)器內(nèi)的折流板上下折流前進(jìn),污泥則在各隔室內(nèi)做沉降運(yùn)動。大量厭氧污泥被截留在反應(yīng)器中,使ABR具有耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)、水力停留時間(HRT)短和處理效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。其內(nèi)部的流體動力學(xué)特性控制著反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)傳輸，決定著目標(biāo)污染物與反應(yīng)器中微生物的接觸程度，從而影響整個反應(yīng)器的處理效果，因此水力特性是反映其性能的一個重要指標(biāo)[4]。周冬卉等[4]研究了HRT對ABR水力特性的影響，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)污泥顆粒的分布范圍受HRT影響顯著，HRT過短或過長均不利于提高反應(yīng)器的處理效率。徐金蘭等[5]研究了不同進(jìn)水COD下ABR的水力特性，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水COD不同時反應(yīng)器的RTD(停留時間分布)曲線相似，表明進(jìn)水COD不是影響ABR水力特性的主要因素。Young等[6]研究了HRT對反應(yīng)器水力特性的影響，發(fā)現(xiàn)水力死區(qū)隨雷諾數(shù)的增加而增加，系統(tǒng)內(nèi)部推流影響的加強(qiáng)與介質(zhì)的比表面積有關(guān)。但是,國內(nèi)外學(xué)者對不同污泥高度下ABR的液相流場特性研究較少。

激光粒子圖像測速技術(shù)(PIV)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種測試流體力學(xué)的方法，該技術(shù)不僅能夠提供瞬時流場的定量信息，而且能顯示流場流動的物理形態(tài)，使流動可視化的研究飛速發(fā)展，是現(xiàn)今流體力學(xué)試驗(yàn)發(fā)展的一個里程碑[7-10]。Kosiwczuk等[11]應(yīng)用熒光圖像法同時測量液滴和氣相的速度場，通過超聲波噴嘴產(chǎn)生的30～40 μm直徑的液滴注射到氣體流中獲得了初步試驗(yàn)結(jié)果，證明了該方法的潛力。萬甜等[12]運(yùn)用粒子圖像測速方法對曝氣池內(nèi)氣液兩相流場做了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，當(dāng)氣液兩相流處于浮射流時，氣泡在裝置中具有最長的停留時間和較大的速度紊動強(qiáng)度，氧轉(zhuǎn)移速率和效率大大提高。李春麗等[13]基于PIV技術(shù)對膜生物反應(yīng)器流場動力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，曝氣強(qiáng)度對液相流場和渦量場的影響較大，在一定范圍內(nèi)增加曝氣強(qiáng)度可使液相速度和渦量增加。董亮等[14]基于PIV下HABR(復(fù)合式厭氧折流板反應(yīng)器)填料對液相流態(tài)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，合理的填料類型可以保證良好的進(jìn)水流態(tài)，反應(yīng)器填充懸浮球填料時，其整體流態(tài)最佳。但是，國內(nèi)外學(xué)者將PIV技術(shù)應(yīng)用于ABR對不同污泥高度下的液相流場特性研究較少。筆者基于PIV技術(shù)對ABR在不同污泥高度下的液相流場特性進(jìn)行了測試與分析，通過合理控制反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度，以期為ABR的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 裝置和方法

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用的ABR測試系統(tǒng)主要由進(jìn)出水系統(tǒng)、ABR、激光系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)等組成〔圖1(a)〕。ABR由5個結(jié)構(gòu)完全相同的隔室串聯(lián)而成。本文研究了ABR的第一隔室內(nèi)部的液相流場特性，隔室尺寸為0.455m×0.39m×0.52m。在進(jìn)水通往升流區(qū)底部設(shè)有一個45°的折流板，底隙為12mm。在升流區(qū)下部設(shè)有一個30°倒角的導(dǎo)流板，尺寸為0.15m×0.39m×0.12m。反應(yīng)器的單個隔室有效容積為85L，ABR總有效容積為425L。

圖1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)流程和拍攝區(qū)域Fig.1 Flow chart of experimental testing system and capture region

進(jìn)水采用自來水。沼氣用外加空氣的方式來模擬,試驗(yàn)前將進(jìn)水箱不斷曝氣使空氣在液體中過飽和，因沼氣和空氣都難溶于水，且有很好的相似性，故以收集空氣的體積作為產(chǎn)沼氣的量[15]。在本試驗(yàn)中使用陰離子交換樹脂來模擬ABR內(nèi)液相流場中的實(shí)際污泥，反應(yīng)器內(nèi)真實(shí)顆粒污泥粒徑(0.5～3.0mm)與樹脂粒徑(0.3～1.2mm)接近，顆粒污泥濕真密度(1.025×103～1.080×103kg/m3)與樹脂濕真密度(1.06×103～1.10×103kg/m3)也非常接近，二者具有較強(qiáng)的相似性，故采用樹脂的等體積當(dāng)量直徑來代替反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際顆粒污泥的直徑[16-18]。反應(yīng)器內(nèi)部的污泥高度采取0(無污泥)、15、30和45mm4個工況。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，污泥高度過大時，進(jìn)水的沖擊作用使污泥大量懸浮，將會阻礙相機(jī)拍攝和激光照射，為了保證PIV系統(tǒng)有較好的照明和拍攝條件，本試驗(yàn)僅選取最高污泥高度為45mm。

1.2PIV試驗(yàn)測試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用丹麥Dantec公司生產(chǎn)的PIV系統(tǒng)，其中包括2個激光發(fā)射器。激光束波長為532nm，能量為200mJ/脈沖，脈寬為6～8ns；同步器實(shí)現(xiàn)外部脈沖信號對系統(tǒng)的同步觸發(fā)；CCD相機(jī)采樣速率為16幀/s，分辨率像素為2048×2048。示蹤劑選用羅丹明B，該顆粒粒徑較小，粒子密度與水密度接近，且具有對流場良好的跟隨性[19-20]，示蹤粒子對液相速度和黏度的影響可忽略不計(jì)。

1.3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在進(jìn)水流量分別為150、200、250、300、350、400、450、500L/h，污泥高度分別為0、15、30、45mm組合的32種工況下進(jìn)行。反應(yīng)器正面設(shè)置一個CCD相機(jī)拍攝液相流場，PIV激光光源從反應(yīng)器左側(cè)進(jìn)入，如圖1(a)所示。拍攝區(qū)域長455mm，高70～320mm，如圖1(b)所示，拍攝斷面取距拍攝正面100mm處，應(yīng)用DynamicStudio軟件進(jìn)行后處理，采用自適應(yīng)互相關(guān)算法分析關(guān)鍵截面的液相流場特性。

2 結(jié)果與分析

2.1ABR降流區(qū)液相流場特性

圖2給出了ABR在不同進(jìn)水流量和污泥高度組合的工況下，降流區(qū)不同污泥高度下的液體徑向、軸向平均速度和平均渦量隨進(jìn)水流量的變化。

圖2 不同污泥高度下降流區(qū)液體徑向、軸向平均速度和渦量隨進(jìn)水流量的變化Fig.2 The curves of radial and axial mean velocity and vorticity change with inflow rate in down-flow zone at different sludge heights

由圖2(a)可以看出，無污泥時，降流區(qū)徑向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈先下降后增加再下降的趨勢，進(jìn)水流量為350L/h時，徑向平均速度達(dá)到最大值。分析其原因可知，進(jìn)水從降流區(qū)下降通過折流板流至升流區(qū)，液體流態(tài)主要受ABR結(jié)構(gòu)(如進(jìn)水噴嘴、導(dǎo)流板長度和角度、底縫高度和折流板角度等)的影響，部分液體沒有通過折流板則回流與進(jìn)水混合形成返混，降低降流區(qū)徑向速度。

由圖2(b)可見，污泥高度為15mm時軸向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈先下降后增長的趨勢。在反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度為30mm時其增長過程比污泥高度為15mm時更加明顯。進(jìn)水流量相同時，污泥高度為30mm時的軸向平均速度比其他工況更大。分析其原因，反應(yīng)器內(nèi)部污泥堵塞使大部分液體不能流進(jìn)升流區(qū)，返混現(xiàn)象隨著進(jìn)水流量的增大而加強(qiáng)，與圖2(a)結(jié)果吻合。

由圖2(c)可以看出，污泥高度為15mm時，平均渦量隨進(jìn)水流量的增加呈逐漸增加趨勢，與污泥高度為30和45mm趨勢相反。污泥高度為0mm時，平均渦量隨進(jìn)水流量波動且波動幅度較大，在進(jìn)水流量為350L/h時達(dá)到最小值，同時也是所有工況下的最小值，該處液相流場矢量速度方向變化最為明顯，形成渦漩和返混現(xiàn)象。

研究表明[4,21]，降流區(qū)的水流速度隨深度分布均勻，HRT的變化對其影響不大，該結(jié)論與本試驗(yàn)存在一定的差異。其原因是模擬只考慮到進(jìn)水流量對流態(tài)的影響，未考慮污泥高度對降流區(qū)流態(tài)的影響，可見，污泥高度也是影響反應(yīng)器內(nèi)部降流區(qū)流態(tài)特性的重要因素。

2.2ABR升流區(qū)液相流場特性

圖3為不同污泥高度下，ABR升流區(qū)液體徑向、軸向平均速度和平均渦量隨進(jìn)水流量的變化。

圖3 不同污泥高度下升流區(qū)液體徑向、軸向平均速度和平均渦量隨進(jìn)水流量的變化Fig.3 The curves of radial and axial mean velocity and vorticity change with inflow rate in up-flow zone at different sludge heights

由圖3(a)和(b)可以看出，升流區(qū)徑向和軸向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈波動趨勢。由圖3(c)可以看出，反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度為45mm時平均渦量隨進(jìn)水流量的增加呈波動趨勢，相比其他工況，該工況下平均渦量變化最明顯，在進(jìn)水流量相同時，升流區(qū)的渦核更容易形成。分析其原因，進(jìn)水在降流區(qū)下降，部分隨著折流板返混出現(xiàn)了回流和返混現(xiàn)象；另一部分穿過污泥床層，污泥的懸浮使升流區(qū)流態(tài)極其復(fù)雜，出現(xiàn)了渦漩現(xiàn)象。

研究表明[4,6]，HRT和填料是升流區(qū)流態(tài)的主要影響因素，而污泥床層作為降流區(qū)和升流區(qū)的過渡區(qū)域，有較強(qiáng)的堵塞作用，影響降流區(qū)流態(tài)的同時也直接影響升流區(qū)的流態(tài)。

2.3關(guān)鍵截面的液相流場特性

由2.1節(jié)可見，進(jìn)水流量為350 L/h時液相流場矢量速度方向變化最為明顯。限于篇幅，本文只在該進(jìn)水流量下對不同污泥高度下截面的液相流場特性做微觀分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)器在不同污泥高度下的矢量速度、流線和渦量Fig.4 The vector velocity diagram, streamline diagram and vorticity diagram of the reactor at different sludge heights

污泥高度為0 mm時,該截面的液相流場特性如圖4(a)～(c)所示。由圖4(a)可見，在該工況下液相高速區(qū)主要集中在降流區(qū)左邊壁區(qū)域，低速區(qū)集中在降流區(qū)右邊壁和整個升流區(qū)，該工況下液體流線圖紊亂。由圖4(c)可見，在降流區(qū)中部、下部和升流區(qū)中上部均有幾處渦核(藍(lán)色點(diǎn)狀即為渦核)。分析其原因?yàn)橐后w沿折流板穿過污泥床后，沿導(dǎo)流板快速上升，此時沒有污泥堵塞，整個升流區(qū)為自由流動區(qū)，液相流態(tài)主要受ABR結(jié)構(gòu)(進(jìn)水噴嘴、污泥高度、導(dǎo)流板長度和角度、底縫高度和折流板角度等)的影響，回流和返混使降流區(qū)成為液相高速區(qū)并生成渦核。

反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度為15 mm時，該截面的液相流場特性如圖4(d)～(f)所示。由圖4(d)可見，在該工況下液相高速區(qū)主要是集中在降流區(qū)左邊壁區(qū)域進(jìn)水口處，降流區(qū)中部、下部和升流區(qū)流速皆處于低速區(qū)，由圖4(e)可見，入水口處呈明顯返混影響，隨著污泥高度的增加，降流區(qū)的返混現(xiàn)象也有所增強(qiáng)。由圖4(f)可見，在降流區(qū)下部有幾處渦核，升流區(qū)內(nèi)無渦核。分析其原因，反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度和底隙高度相差不大時，污泥會堵塞液相流動，進(jìn)水在流經(jīng)折流板時被污泥堵塞使大部分液體不能流進(jìn)升流區(qū)而形成回流和返混現(xiàn)象，并與降流區(qū)的進(jìn)水混合形成漩渦。

反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度為30 mm時該截面的液相流場特性如圖4(g) ～(i)所示。由圖4(g)可見，該工況與污泥高度為15 mm工況相差不大，矢量速度高速區(qū)主要集中在降流區(qū)左邊壁區(qū)域進(jìn)水口處，圖4(i)顯示除了降流區(qū)有渦核外，升流區(qū)中下部有幾處明顯渦核。其原因是污泥的增多間接地改變升流區(qū)液相流場，降流區(qū)部分液體回流，另一部分液體沿折流板穿過污泥層流至升流區(qū)，這與反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和污泥高度線性相關(guān)。

反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度為45 mm時該截面的液相流場特性如圖4(j)～(l)所示。由圖4(j)可見，該工況下矢量速度高速區(qū)分布在降流區(qū)距進(jìn)水口180～250 mm處，同時升流區(qū)下部皆是水流動高速區(qū)，矢量速度高速區(qū)分布在下部0～20 mm處。由圖4(k)可見，升流區(qū)下部形成了高速區(qū)。由圖4(l)可見，該工況下降流區(qū)和升流區(qū)中上部均形成渦核。其原因是未通過折流板的液體迅速回流使降流區(qū)底部形成水流高速區(qū)，并與進(jìn)水返混形成局部漩渦；另一部分液體穿過污泥層流向升流區(qū)，使升流區(qū)下部變?yōu)楦咚賲^(qū)，污泥的懸浮使得升流區(qū)流態(tài)極其復(fù)雜，中上部出現(xiàn)渦漩現(xiàn)象。

ABR動力學(xué)研究方法主要有示蹤劑法[22-23]、CFD模擬和PIV試驗(yàn)法等。示蹤劑法大多研究ABR的水力死區(qū)，并認(rèn)為流體呈推流狀態(tài)，該方法具有較大的局限性；CFD模擬在未考慮污泥和沼氣的工況下較好地反映了ABR的流態(tài)特性；PIV試驗(yàn)法則能彌補(bǔ)示蹤劑法和CFD模擬的缺陷，能更真實(shí)地模擬ABR內(nèi)部的流態(tài)特性。影響ABR流態(tài)的因素主要有HRT、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)(長/寬/高之比、升流區(qū)和降流區(qū)之比)、進(jìn)水管布置、導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)(長度和角度)、底縫高度、折流板結(jié)構(gòu)(角度和高度)和污泥高度等。通過PIV試驗(yàn)法研究不同污泥高度下反應(yīng)器內(nèi)部的流態(tài)特性，在其他因素不變的情況下，污泥高度的變化對流態(tài)的影響較為顯著，表明控制好污泥高度有助于開發(fā)新型高效的厭氧反應(yīng)器。

3 結(jié)論

(1)ABR降流區(qū)在污泥高度為0mm時，徑向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈先下降后增加再下降趨勢。污泥高度為15mm時軸向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈先下降后增長趨勢。污泥高度為0mm時，平均渦量隨進(jìn)水流量的增加呈波動趨勢且波動幅度較大，進(jìn)水流量為350L/h時達(dá)到最小值。污泥高度為15mm時平均渦量隨進(jìn)水流量的增加呈逐漸增加趨勢。

(2)ABR升流區(qū)徑向和軸向平均速度隨進(jìn)水流量的增加呈波動趨勢。反應(yīng)器內(nèi)部污泥高度為45mm時平均渦量隨進(jìn)水流量的增加波動趨勢較其他工況更為明顯且波動幅度較大，在進(jìn)水流量相同時，升流區(qū)渦核更容易形成。

(3)ABR內(nèi)部的流態(tài)特性與進(jìn)水流量和污泥高度的變化有重要的聯(lián)系，不同污泥高度和不同進(jìn)水流量對反應(yīng)器內(nèi)部的液相速度、平均渦量和液相流場的影響不同：當(dāng)進(jìn)水流量相同時，反應(yīng)器內(nèi)部的流態(tài)特性隨污泥高度變化；降流區(qū)的返混程度隨污泥高度的增加而增大，矢量速度高速區(qū)集中在降流區(qū)距進(jìn)水口180～250mm處；升流區(qū)渦核數(shù)量隨污泥高度增高而增加，矢量速度高速區(qū)集中在下部0～20mm處。

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ExperimentalresearchonliquidflowfieldcharacteristicsofABRatdifferentsludgeheight

WANG Ronglin, LI Kaishi, HUANG Wenquan, DONG Liang

Sichuan Key Laboratory of Process Equipments and Control Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China

Different influent flow rates of 150-500 L/h and different sludge heights of 0-45 mm were combined in anaerobic baffled reactor (ABR).The liquid phase flow characteristics in the first compartment of ABR were investigated by laser particle image velocimetry (PIV), and the liquid phase flow field of the critical section of the reactor obtained. The results showed that when the sludge height was 0 mm, the radial mean velocity of the ABR down-flow zone decreased first, then increased and finally decreased with the increase of inflow rate; when the sludge height was 15 mm, the axial mean velocity decreased first and then increased with the increase of inflow. The vorticity intensity increased gradually with the water inflow, and the radial and axial mean velocities fluctuated upward and downward with the increase of inflow. With the increase of sludge, the degree of back flow in the down-flow zone became larger. The high vector velocity area was concentrated on the 180-250 mm away from the inlet of the down-flow zone. The number of vortex cores increased with the increase of sludge height, and the high vector velocity area was concentrated on the lower part of 0-20 mm.

particle image velocimetry (PIV); ABR; sludge height; liquid flow field

王榮麟，李開世，黃文權(quán),等.不同污泥高度下ABR液相流場特性試驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(6):726-732.

WANG R L，LI K S，HUANG W Q, et al.Experimental research on liquid flow field characteristics of ABR at different sludge height[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):726-732.

2017-04-21

自貢市重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016SF02)；四川理工學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(Y2016011)

王榮麟(1994—)，男，碩士研究生，主要從事環(huán)保機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，851583485@qq.com

*責(zé)任作者：李開世(1956—)，男，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究，hwqsc@163.com

X143

1674-991X(2017)06-0726-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.100