螺旋對(duì)稱(chēng)流厭氧反應(yīng)器流場(chǎng)特性研究

張 劍,柳建設(shè)

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國(guó)家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心,上海 201620

中國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，能源消費(fèi)量也有了顯著的增長(zhǎng)：2015年我國(guó)能源消費(fèi)總量為362000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，較上年增長(zhǎng)134萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。同時(shí)中國(guó)對(duì)外部能源依賴(lài)進(jìn)一步增加：1993年，中國(guó)首次成為石油的凈進(jìn)口國(guó)；2006年，中國(guó)首次成為天然氣的凈進(jìn)口國(guó)；2009年，中國(guó)首次成為煤炭的凈進(jìn)口國(guó)[2]。中國(guó)國(guó)內(nèi)能源資源的短缺，特別是石油的短缺，已經(jīng)成為嚴(yán)重制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”[3]。在諸多的新型替代能源中，甲烷作為燃料廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)中；作為化工原料，可以用來(lái)生產(chǎn)甲醇、乙炔、合成氨等[4]；厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷化技術(shù)，能夠減少二氧化碳?xì)怏w的排放，轉(zhuǎn)化過(guò)程具有一定的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用日漸廣泛[5]。

鑒于此，本課題組研發(fā)的螺旋對(duì)稱(chēng)流厭氧反應(yīng)器（Spiral Symmetry Stream Anaerobic Bioreactor，SSSABR）具有產(chǎn)生能源與治理污染的雙重功效。而反應(yīng)器的流場(chǎng)特性關(guān)系到泥水混合、污染基質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)等方面，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)器的高效運(yùn)行產(chǎn)生影響[6-8]。因此，本文通過(guò)示蹤試驗(yàn)，對(duì)SSSABR在內(nèi)構(gòu)件縱向分隔作用下的混合模型、靈敏度、死區(qū)率、空速等方面進(jìn)行了研究。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)SSSABR呈圓柱狀，總有效容積為6.0 L。反應(yīng)器由布水區(qū)、螺旋反應(yīng)區(qū)和三相分離區(qū)組成，其中，布水區(qū)有效容積為0.5 L，螺旋反應(yīng)區(qū)有效容積為4.5 L，三相分離區(qū)的有效容積均為1.0 L。在螺旋反應(yīng)區(qū)內(nèi)以半橢圓形內(nèi)構(gòu)件導(dǎo)流擋板進(jìn)行分割，厭氧反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體可由內(nèi)構(gòu)件擋板下面的分散集氣管分別進(jìn)行收集導(dǎo)出，未被分散集氣管收集的氣體由三相分離區(qū)的集氣總管集中收集排出。

本研究釆用模擬廢水，其組成成份為：蔗糖5346 mg/L，NH4Cl 286 mg/L，CaCl2·2H2O 100.0 mg/L，微量元素濃縮液I和II各1 m/L，營(yíng)養(yǎng)液（配方：酵母膏0.6 g/L，牛肉膏0.6 g/L，蛋白凍1.8 g/L，MgSO40.22 g/L，KH2PO47.54 g/L）32 ml/L，NaHCO3根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷按需提供。接種顆粒污泥取自無(wú)錫某印染污水處理廠的IC厭氧反應(yīng)器，在SSSABR中采用模擬廢水培養(yǎng)馴化1個(gè)月。通過(guò)改變水力停留時(shí)間(HRT)調(diào)整反應(yīng)器容積水力負(fù)荷，容積水力負(fù)荷L控制在2.00～6.00 L·L-1·d-1。由于生物厭氧消化產(chǎn)氣速率有限，當(dāng)產(chǎn)氣量較大時(shí)，由氣泵輔助產(chǎn)氣，容積產(chǎn)氣速率G為17～41 L·L-1·d-1。

圖1 SSSABR結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of SSSABR

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 示蹤劑的確定 本試驗(yàn)選用氟化鈉作示蹤劑，氟離子在廢水中背景值極小，微生物也不利用氟作營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)．氟離子的濃度用氟離子電極測(cè)定。試驗(yàn)投加了氟離子濃度為0.1 mol/L氟化鈉溶液5 mL，總量為5×10-4mol。

1.2.2 操作方法 試驗(yàn)控制不同的水力停留時(shí)間（HRT）以模擬不同的容積水力負(fù)荷，采用脈沖刺激響應(yīng)技術(shù)，瞬時(shí)注入一定量的氟離子作為示蹤劑以形成脈沖信號(hào)，定期取樣測(cè)定出水中的氟離子濃度，測(cè)定方法為氟離子選擇電極法。

1.3 理論模型

1.3.1 描述流態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)函數(shù) 根據(jù)測(cè)得的不同時(shí)間t的示蹤劑氟離子濃度c(t)，利用公式（1）、（2）、（3）分別計(jì)算出停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)、平均停留時(shí)間和停留時(shí)間分布的散度

1.3.2 多釜串聯(lián)模型 一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際反應(yīng)器介于理想平推流和全混流之間，可以將其簡(jiǎn)化為由N個(gè)CSTR反應(yīng)器相串聯(lián)而成，其中，N個(gè)反應(yīng)器均為全混流流態(tài)，反應(yīng)器之間無(wú)返混存在，各反應(yīng)器體積相同，進(jìn)出料體積流量相等。反應(yīng)器出水中示蹤劑濃度可表示為：

式中sτ為單釜平均HRT，N為串聯(lián)釜數(shù)。

式中τ=Nsτ代表整個(gè)系統(tǒng)的平均HRT。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合模型

如表1所示，本文針對(duì)分散集氣管道是否通暢及運(yùn)行負(fù)荷，共進(jìn)行了8組（其水力負(fù)荷與產(chǎn)氣速率值均在目前運(yùn)行的SSSABR的范圍內(nèi)）脈沖示蹤試驗(yàn)。8組試驗(yàn)中氟離子示蹤劑的回收率為96.02%～99.77%，平均回收率為98.55%，示蹤劑注入總量與流出總量基本一致。根據(jù)式(2)、(3)、(4)、 (8)，可算得平均停留時(shí)間、停留時(shí)間分布的散度采用無(wú)量綱時(shí)間表征散度串聯(lián)釜數(shù)N等參數(shù)。

表1 氟離子示蹤試驗(yàn)條件與結(jié)果Table1 The conditions and results of fluorine ion tracer tests

結(jié)果表明，低負(fù)荷（工況1、工況2）、中負(fù)荷（工況3、工況4）、高負(fù)荷（工況5、工況6）、超高負(fù)荷（工況7、工況8）的N值分別為（4.05、3.21）、（3.83、2.98）、（3.68、2.75）、（3.24、2.07），分散集氣管通暢（工況1、工況3、工況5、工況7）與堵塞（工況2、工況4、工況6、工況8）的N值分別為（4.05、3.83、3.68、3.24）與（3.21、2.98、2.75、2.07），呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，說(shuō)明水流的推流狀態(tài)在減弱，混流狀態(tài)在增強(qiáng)。根據(jù)Chen和Fogler的觀點(diǎn)[9,10]，當(dāng)N＞3.00時(shí)，表示返混程度較小，則分散集氣管通暢以及分散集氣管堵塞低負(fù)荷工況下運(yùn)行的返混程度較小，趨于平推流；分散集氣管堵塞時(shí)的中、高和超高負(fù)荷工況下返混程度較大，趨于全混流。

1.2.2 時(shí)間因素：疾病從開(kāi)始到進(jìn)展惡化或緩解是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，每一階段有不同的表現(xiàn)。而醫(yī)務(wù)人員可能在疾病的某個(gè)階段接觸患者，因此并沒(méi)有機(jī)會(huì)了解疾病的全過(guò)程。在某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，有些重要的有診斷意義的證據(jù)可能尚未出現(xiàn)或已經(jīng)消失。例如哮喘的病情有明顯的可逆性和可變性，1例青年學(xué)生患哮喘，急性發(fā)作時(shí)氣急明顯且有驚恐煩躁等精神癥狀。在發(fā)作后到醫(yī)院檢查，兩肺未聞羅音，肺功能檢查正常。一度誤診為“神經(jīng)官能癥”。

2.2 方程回歸與靈敏度

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，以容積水力負(fù)荷L（L·L-1·d-1）和容積產(chǎn)氣速率G（L·L-1·d-1）為自變量，以串聯(lián)釜數(shù)N為因變量，進(jìn)行二元線性回歸分析，可建立如下方程：

對(duì)式（10）、（11）分別進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn)（F檢驗(yàn)）式中，n為統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)，本試驗(yàn)n=4；m為自變量個(gè)數(shù)，本試驗(yàn)m=2；在給定置信水平(1-α)=0.95下，得到F1-α(m,n-m-1)=F0.95(2,1)=18.51。本試驗(yàn)式（10）、（11）的F值分別為27.28、35.21，均大于F0.95(2,1)，故式（10）、（11）回歸效果顯著。

由以上回歸方程可知，影響串聯(lián)釜數(shù)N的主要因素包括容積水力負(fù)荷L和容積產(chǎn)氣速率G。為確定參數(shù)對(duì)串聯(lián)釜數(shù)的影響，可按式（12）計(jì)算各參數(shù)靈敏度比[11]。

其中，SR為靈敏度比，Ei為不同工藝參數(shù)的效率指標(biāo)值，Eb為基本指標(biāo)值，Xi為工藝參數(shù)值，Xb為基本參數(shù)值。選用的基本參數(shù)Xb值為：L=2.67 L·L-1·d-1，G=20.00 L·L-1·d-1。經(jīng)計(jì)算得，串聯(lián)釜數(shù)N與水力負(fù)荷L的靈敏度比SR為0.126～0.153（分散集氣管通暢）與0.184～0.250（分散集氣管堵塞），串聯(lián)釜數(shù)N與容積產(chǎn)氣速率G的靈敏度比SR為0.151～0.255（分散集氣管通暢）與0.297～0.308（分散集氣管堵塞）。

2.3 反應(yīng)器效率

2.3.1 死區(qū)率 一般死區(qū)可分為生物死區(qū)和水力死區(qū)兩類(lèi)。生物死區(qū)主要由厭氧污泥和污泥表面附著水層，以及由于污泥存在影響水流混合而造成的有效容積的損失所導(dǎo)致，水力死區(qū)則通常是由于反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如反應(yīng)器的內(nèi)構(gòu)件等折角部位）所產(chǎn)生的[12]。在本試驗(yàn)中，加入顆粒污泥的濕體積為200 mL，反應(yīng)器總有效容積為6 L，因此反應(yīng)器內(nèi)生物死區(qū)所占的體積百分比為3.3%。根據(jù)式（9），可推求出SSSABR的總死區(qū)率在HRT為720、540、360、240 min時(shí)分別為（7.5%、12.8%，平均為10.2%）、（6.9%、13.3%，平均為10.1%）、（7.5%、15.6%，平均為11.6%）、（10.4%、22.5%，平均為16.5%）。進(jìn)而求得四種HRT下的水力死區(qū)率分別為（4.2%、9.5%，平均為6.9%）、（3.6%、10.0%，平均為6.8%）、（4.2%、12.3%，平均為8.3%）、（7.1%、19.2%，平均為13.2%）。

2.3.2 空速 空速為進(jìn)料體積流量與反應(yīng)器體積的比值，表示單位體積的反應(yīng)器在單位時(shí)間內(nèi)的所處理的物料量，空速越大，表明該反應(yīng)器的處理效率越高。假設(shè)SSSABR內(nèi)進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)，由于各釜體積與操作條件相同，底物轉(zhuǎn)化率η存在如下關(guān)系式：

式中，k表示反應(yīng)速率常數(shù)；τs表示物料在每釜中的停留時(shí)間；N表示多釜串聯(lián)釜數(shù)，Q表示進(jìn)料體積流量，V表示反應(yīng)器的總體積。

根據(jù)式（15），取N=1.2，2，3，4，繪制η-ν1/νN曲線，如圖2。由圖2可見(jiàn)，隨著串聯(lián)釜數(shù)N的增加，ν1/νN值逐漸減小。這說(shuō)明平推流的增強(qiáng)有助于提高反應(yīng)器的空速。假設(shè)預(yù)期的底物轉(zhuǎn)化率η=0.9，ν1/νN的值分別為0.76（N=1.2）、0.47（N=2）、0.37（N=3）、0.34（N=4），其間差值逐漸減小，說(shuō)明空速增加的幅度越來(lái)越小。

圖2 η-ν1/νN曲線Fig.2 The curve ofη-ν1/νN

3 討論

與相關(guān)文獻(xiàn)比較，在相似HRT工況下，SSSABR水力死區(qū)率低于SAB（7.9%，HRT=780 min）[8]、EGSB（10.8%，HRT=720 min）[13]、UASB（26.5%，HRT=636 min）[14]、CAR（21.4%，HRT=360 min）[15]及活性污泥處理廠（25.1%，HRT=229～315 min）[16]。

根據(jù)式（12）的計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)氣速率G對(duì)流態(tài)的影響大于水力負(fù)荷L的影響。這與Tomlinson，Chen等人的研究結(jié)果一致[17,9]。集氣管堵塞時(shí)的靈敏度比大于集氣管通暢時(shí)的敏度比。究其原因，通過(guò)分段集氣可以有效遏制氣體在反應(yīng)器內(nèi)上升擾動(dòng)所造成的流態(tài)變化，降低反應(yīng)器流態(tài)受操作條件的影響。因此，保持分散集氣管通暢有利于增強(qiáng)SSSABR運(yùn)行時(shí)流態(tài)的穩(wěn)定性。

串聯(lián)釜數(shù)N的取值對(duì)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的高效運(yùn)行至關(guān)重要。一方面，N值的增加有利于增加反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的相對(duì)濃度，有利于反應(yīng)向正方向的進(jìn)行，有利于反應(yīng)器空速的提高；另一方面，N值的增加限制了物料與顆粒污泥充分接觸，不利于強(qiáng)化泥水傳質(zhì)，不利于對(duì)抗進(jìn)口來(lái)水沖擊負(fù)荷。根據(jù)上文分析，將N值控制在3～4可以兼顧較高的空速與一定的返混。

4 結(jié)論

（1）SSSABR混合模型特性：分散集氣管通暢以及分散集氣管堵塞低負(fù)荷工況下運(yùn)行的返混程度較?。∟＞3.00），趨于平推流；分散集氣管堵塞時(shí)的中、高和超高負(fù)荷工況下返混程度較大（N＜3.00），趨于全混流；

（2）串聯(lián)釜數(shù)N與容積水力負(fù)荷L和容積產(chǎn)氣速率G的關(guān)系式：N=-0.312L+0.020G+4.322（分散集氣管通暢）與N=-0.027L-0.041G+3.942（分散集氣管堵塞），且產(chǎn)氣速率G對(duì)流態(tài)的影響大于水力負(fù)荷L的影響，集氣管堵塞時(shí)的靈敏度比大于集氣管通暢時(shí)的敏度比；

（3）SSSABR的效率特性：總死區(qū)率在HRT為720、540、360、240 min時(shí)平均為10.2%、10.1%、11.6%、16.5%，其中，水力死區(qū)率分別為6.9%、6.8%、8.3%、13.2%。反應(yīng)器空速隨串聯(lián)釜數(shù)N的增加逐漸增大，但幅度逐漸減小。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2016

[2]任金鑫.中國(guó)能源貿(mào)易與環(huán)境保護(hù)研究[J].特區(qū)經(jīng)濟(jì),2016(8)：123-124

[3]張海龍.中國(guó)新能源發(fā)展研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2014

[4]Xing XH,Wu H,Luo MF,etal.Effects of organic chemicals growth of methylosinus trichosporium OB3b[J]. Biochemical Engineering Journal,2006,31(2)：113-117

[5]李清連.沼氣的綜合利用技術(shù)[J].農(nóng)技服務(wù),2011,28(2)：185-188

[6]金仁村.自養(yǎng)型脫氮反應(yīng)器性能的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2007

[7]盧 剛,鄭 平.內(nèi)循環(huán)顆粒污泥床硝化反應(yīng)器流動(dòng)模型研究[J].生物工程學(xué)報(bào),2003,19(6)：754-757

[8]陳小光.超高效螺旋式厭氧反應(yīng)器三相流動(dòng)特性的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2011

[9]Chen XG,Zheng P,Guo YJ,etal.Flow patterns of super-high-rate spiral anaerobic bioreaetor[J].Bioresource Technology,2010,101(20)：7731-7735

[10]Fogler HS.Elementsof Chemical Reaction Engineering,3rdedition[M].New Jersey：Prentice-Hall International,Inc.,2009

[11]鄭 平,馮孝善.廢物生物處理[M].北京：高等教育出版社,2006

[12]丁來(lái)寶.三級(jí)厭氧反應(yīng)器（3S-AR）設(shè)計(jì)與處理?xiàng)钅綪-RCAPMP廢水工藝研究[D].北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2009

[13]Bhattacharyya D,Singh KS.Understanding the mixing pattern in an anaerobic expanded granular sludge bed reactor：effect of liquid recirculation[J].Journal of Environmental Engineering,2010,136(6)：576-584

[14]Pena MR,Mara DD,Avella GP.Dispersion and treatment performance analysis of an UASB reactor under different hydraulic loading rates[J].Water Research,2006,40(3)：445-452

[15]季軍遠(yuǎn).分段組合式厭氧生物反應(yīng)器工作性能的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2013

[16]Burrows LJ,Stokos AJ,West JR,etal.Evaluation of different analytical methods for tracer studies in aeration lanes of activated sludge plants[J].Water Research,1999,33(2)：367-374

[17]Tomlinson EJ,Chambers B.The Effect of Longitudinal Mixing on the Settle ability of Activated Sludge：Technical Report TR 122[M].England：Water Research Center,Stevenage,1979