一種用于處理豬場污水的新型生物轉(zhuǎn)盤的CFD模擬

楊 鑫,唐雪蓮,陳春林,張 千,劉向陽,趙天濤

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 400054)

當(dāng)前,我國養(yǎng)豬場規(guī)?；目焖侔l(fā)展為居民生活水平和國民生產(chǎn)總值提高做出了貢獻(xiàn)。然而,由于大多數(shù)養(yǎng)豬場沒有污水處理系統(tǒng),亂排放污染了環(huán)境。這些未經(jīng)處理達(dá)標(biāo)的污水會浸入地下水系統(tǒng)、流入河流,一定程度污染人們的生活用水[1-3],因此處理養(yǎng)豬場廢水使其達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)成為一項(xiàng)急迫的任務(wù)。

近年來,養(yǎng)豬場廢水主要采用厭氧折流板反應(yīng)器(anaerobic baffled reactor,ABR)[4],生物膜反應(yīng)器(membrane bio-reactor,MBR)[5]等設(shè)備處理。生物轉(zhuǎn)盤(rotating biological contactor,RBC)因具有良好的凈化效果和低能耗特點(diǎn),已成為處理養(yǎng)豬場廢水的一種主要反應(yīng)器。生物轉(zhuǎn)盤是一種好氧生物膜處理裝置,被廣泛應(yīng)用于有機(jī)物脫氮、脫磷。它由轉(zhuǎn)軸、圓盤、接觸反應(yīng)槽和驅(qū)動裝置等組成[6-7]。接觸反應(yīng)槽中裝有要處理的廢水,驅(qū)動裝置以一定的轉(zhuǎn)速帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),嵌在轉(zhuǎn)軸上的盤片隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,盤片的一部分浸沒在接觸反應(yīng)槽中,另一部分暴露在空氣中。轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動過程中交替和空氣以及污水接觸,一段時間后,在轉(zhuǎn)盤盤片表面附著一層帶有大量微生物的生物膜,生物膜中的微生物吸附和降解廢水中的有機(jī)污染物,從而實(shí)現(xiàn)凈化污水的功能[8],因此生物膜在RBC處理廢水中起到最為關(guān)鍵的作用。因?yàn)樯锬さ纳L緩慢,采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法對生物膜進(jìn)行研究的整個實(shí)驗(yàn)周期較長,同時流體的流動特性也會影響生物膜的生長以及新老更替,因此對生物轉(zhuǎn)盤流體的流動特性的研究很有必要。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)在污水處理領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛[9-10],因此可通過CFD模擬生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)部流場流動,研究流體的流動特性。該方法具有模擬仿真實(shí)驗(yàn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對生物轉(zhuǎn)盤的研究中,針對傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)盤啟動慢、掛膜性能差等缺點(diǎn),馮迪等[11]、唐云鷺等[12]采用新型生物轉(zhuǎn)盤輔以生物接觸氧化技術(shù)處理有機(jī)污水,發(fā)現(xiàn)新型生物轉(zhuǎn)盤具有抗沖擊能力強(qiáng)、掛膜效率高、微生物量大等優(yōu)點(diǎn),在最佳條件下處理城市生活污水時能夠達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。 為了克服RBC堵塞和壓降問題,Ravi等[13]對RBC進(jìn)行了改性處理,改性后的RBC無堵塞,無壓降,適用于有機(jī)化合物的處理。上述研究為改進(jìn)生物轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)提供了一定的指導(dǎo)意見,然而目前關(guān)于生物轉(zhuǎn)盤的氣液兩相流的研究較少。為此,鄧斌等[14]、喻江等[15]對盤面開窗類型的生物轉(zhuǎn)盤表面液膜更新和流動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)圓盤表面液膜加速區(qū)液膜更新頻率最快,開窗形成的自由膜速率大,更新頻率快,不同厚度轉(zhuǎn)盤的液膜隨轉(zhuǎn)盤厚度的增加而增加。

劉向陽等[1]提出了一種新型生物膜反應(yīng)器處理養(yǎng)豬場廢水。該反應(yīng)器的主要裝置為轉(zhuǎn)盤,在旋轉(zhuǎn)盤片的面上開很多方孔,以異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌為生物強(qiáng)化劑,以聚丙烯腈基活性炭纖維作為填料的生物接觸氧化池(biological contact oxidation,BCO)為生物膜反應(yīng)器,對養(yǎng)豬場廢水處理效果明顯,但未對反應(yīng)器中的新型生物轉(zhuǎn)盤流場的流動特性進(jìn)行CFD模擬和研究。為了解該新型生物膜反應(yīng)器的流動特性,利用CFD數(shù)值模擬對其流場進(jìn)行研究,重點(diǎn)探究所用生物轉(zhuǎn)盤的速度云圖和速度矢量圖、不同操作轉(zhuǎn)速下的速度圖和速度矢量圖,研究該生物轉(zhuǎn)盤的流動特性,為該新型生物轉(zhuǎn)盤操作參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬物理模型

物理模型來源于文獻(xiàn)[1]采用的養(yǎng)豬場污水處理生物膜反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置。相對于傳統(tǒng)的實(shí)心生物轉(zhuǎn)盤盤片,該新型生物轉(zhuǎn)盤的盤片表面有很多方孔,如圖1所示。此生物轉(zhuǎn)盤由4個盤片構(gòu)成1個生物轉(zhuǎn)盤組,生物轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示,其三維物理模型如圖2所示。對該裝置在間歇操作狀態(tài)下的污水處理進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖1 生物轉(zhuǎn)盤盤片示意圖

表1 生物轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 生物轉(zhuǎn)盤三維物理模型結(jié)構(gòu)示意圖

流場計算開始之前,對生物轉(zhuǎn)盤進(jìn)行網(wǎng)格劃分以對計算區(qū)域進(jìn)行離散。采用mesh進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分,如圖3所示。當(dāng)模型網(wǎng)格個數(shù)分別為4 013 325、4 076 442、4 355 029,以轉(zhuǎn)速為6 r/min時為例,生物轉(zhuǎn)盤的網(wǎng)格劃分和速度的模擬效果如圖4所示,速度值隨位置的變化基本一致,得到的結(jié)果相差不到5%。因此,網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果成立。

圖4 網(wǎng)格數(shù)對速度的影響曲線

1.2 數(shù)值模擬條件

基于盤片表面上連續(xù)更新的液膜,生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)部流場實(shí)際上是氣-液兩相傳質(zhì)。因需要得到盤片自由表面流動的情況,所以采用Hirt等[16]提出的流體體積(volume of fluid,VOF)模型進(jìn)行計算。VOF模型是固定在歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法,通過求解單個動量方程和處理通過該區(qū)域的每種流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬2種或3種不能混合的流體。在VOF模型中,不同的流體組分共用一套動量方程,通過引進(jìn)相體積分?jǐn)?shù)這一變量,實(shí)現(xiàn)對每個計算單元相界面的追蹤。跟蹤相之間的界面是通過求解一相或者多相的容積比率的連續(xù)方程來完成的。對第q相有:

(1)

其中:Sα為質(zhì)量源項(xiàng),在默認(rèn)情形下方程(1)右端源項(xiàng)為零,但當(dāng)給每一項(xiàng)指定常數(shù)或用戶定義的質(zhì)量源,則右端不為零。

采用ANSYS FLUENT對新型生物轉(zhuǎn)盤進(jìn)行數(shù)值模擬計算?；趬毫Φ乃矐B(tài)求解器,采用實(shí)驗(yàn)室的養(yǎng)豬場污水和空氣作為模擬介質(zhì),空氣為連續(xù)相,污水為第二相(污水參數(shù)見表2),采用間歇操作,水位保持在7 cm深度,即轉(zhuǎn)盤盤片浸沒在水中一半。

表2 空氣和污水的物性參數(shù)

計算流場采用的是多重參考系法(multiple reference frame,MRF),將計算區(qū)域劃分為圓盤區(qū)域和其他區(qū)域,前者放入動參考系中,后者放入靜止參考系中進(jìn)行模擬計算。使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模式來模擬仿真湍流狀態(tài)下生物轉(zhuǎn)盤的流體流動。

2 計算結(jié)果與討論

轉(zhuǎn)盤表面液膜更新與轉(zhuǎn)盤速度分布密切相關(guān)[14,17],為了探討空氣與廢水在新型生物轉(zhuǎn)盤中的流動情況,分別采用2種轉(zhuǎn)速對該生物轉(zhuǎn)盤的流動情況進(jìn)行模擬分析。

2.1 轉(zhuǎn)速為3 r/min下的模擬結(jié)果

在轉(zhuǎn)速為3 r/min,即線速度為2.35 m/min時,最后得到的混合相的速度云圖如圖5,速度矢量圖如圖6。由于新型生物轉(zhuǎn)盤呈順時針方向旋轉(zhuǎn),上方為空氣,下方為污水。

圖5 盤片表面速度云圖(z=40 mm)

圖6 盤片表面速度矢量圖 (z=40 mm)

從圖5與圖6中可發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速為3 r/min時,空氣的流動速度遠(yuǎn)大于下方污水的速度,其原因是空氣的黏度和密度遠(yuǎn)小于污水的黏度和密度。上方空氣和下方污水會形成2個不同區(qū)域的循環(huán),空氣和污水沒有充分接觸,氣液兩相傳質(zhì)不很明顯。在轉(zhuǎn)速為3 r/min時方孔內(nèi)沒有明顯觀察到氣液兩相傳質(zhì)效果。

2.2 轉(zhuǎn)速為6 r/min下模擬的結(jié)果

為改變轉(zhuǎn)速為3 r/min時氣液兩相傳質(zhì)不明顯的問題,將轉(zhuǎn)速提高為6 r/min,即線速度為4.71 m/min。得到混合相的速度云圖如圖7,盤片表面方孔局部放大云圖如圖8,速度矢量圖如圖9,盤片表面局部放大矢量圖如圖10。

通過圖7與圖9可發(fā)現(xiàn),盤片周圍以及盤片上方附近流速變大。在生物轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中,盤片的轉(zhuǎn)動會加快盤片周圍的水和空氣的流動,氣液兩相不斷接觸混合。快速流動的空氣能使生物膜中的微生物吸收更多的氧氣用于氧化作用分解水中的有機(jī)物。

圖7 盤片表面速度云圖(z=40 mm)

圖8 盤片表面方孔局部放大云圖(z=40 mm)

圖9 盤片表面速度矢量圖(z=40 mm)

圖10 盤片表面圓孔局部放大矢量圖(z=40 mm)

2.3 盤片表面y方向分布

因該生物轉(zhuǎn)盤的形狀以及尺寸大小,在轉(zhuǎn)速為6 r/min,即線速度為4.71 m/min時,在y=0面所截取的速度云圖如圖11,速度矢量圖如圖12。

圖11 盤片表面速度云圖(y=0 mm)

圖12 盤片表面速度矢量圖(y=0 mm)

圖11與圖12分別為y=0 mm位置處盤片表面速度云圖和速度矢量圖。這2個圖體現(xiàn)了y方向所看到的生物膜的分布情況以及氣液兩相的流動情況。相較于傳統(tǒng)的實(shí)心轉(zhuǎn)盤中氣液兩相只有徑向流動而無軸向流動,本文所研究的新型生物轉(zhuǎn)盤盤片因?yàn)榉娇椎拇嬖谑怯休S向流動,這更加有利于氣液兩相傳質(zhì)過程,利于生物膜的新老更替,生物轉(zhuǎn)盤能更有效地凈化污水。

根據(jù)以上結(jié)果及分析,新型生物轉(zhuǎn)盤的操作轉(zhuǎn)速不同,所得到的流場結(jié)果也不同。本文對比6 r/min和3 r/min時轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速為6 r/min時,空氣和污水會在一起形成一個循壞,空氣和污水都會進(jìn)入方孔,兩相之間有所接觸。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)盤的快速轉(zhuǎn)動會帶動上方的空氣進(jìn)入槽中水體,轉(zhuǎn)盤上升時會有少量夾帶的液體污水,因此氣-液兩相接觸面增大,氣液傳質(zhì)效果更好。

分析圖5—9發(fā)現(xiàn),無論是在何種轉(zhuǎn)速,所用方槽的左右下角均存在死區(qū),所以后續(xù)需要對實(shí)驗(yàn)用方槽進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

1) 該新型生物轉(zhuǎn)盤能夠增大轉(zhuǎn)盤盤片表面生物膜的分布區(qū)域,使生物膜分布表面變大,而不是只分布在一個方向上。

2) 該新型生物轉(zhuǎn)盤改進(jìn)了生物轉(zhuǎn)盤對污水的凈化區(qū)域,提高了生物轉(zhuǎn)盤的利用率,能達(dá)到更好的污水凈化作用。

3) 為避免死區(qū)出現(xiàn),污水水槽可改進(jìn)為梯形槽。相比于轉(zhuǎn)速為3 r/min時,轉(zhuǎn)速為6 r/min時能夠增加氣-液兩相的接觸面,達(dá)到更好的傳質(zhì)效果,可為生物轉(zhuǎn)盤的操作參數(shù)優(yōu)化提供參考。