IC反應器流場動力學分析及新型布水器研發

2016-03-25 08:40:01高志清馮義武

山東水利 2016年1期

高志清，賈　超，馮義武

（1.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061；2.山東省水利勘測設計院，山東濟南250014）

高志清1，賈超1，馮義武2

（1.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061；2.山東省水利勘測設計院，山東濟南250014）

【摘要】IC厭氧反應器是新一代污水處理設備，設計關鍵是如何使罐體內形成均勻穩定的內循環流動，其性能受控于布水器布水結構、布孔方式及進水流速等。現有布水器結構較復雜，加工難度大，成本高，同時還存在鈣化污泥排泥死角及布水孔堵塞等問題。為此，本文對IC厭氧反應器布水器進行新型結構研發，通過資料分析、工程應用及數值計算等方式，確定適宜的布水器布孔數量、布孔角度、布孔孔徑及上升流速等，經對反應器內氣-液-固三相流流場數值分析驗證，結果表明該布水器結構有效可行。

【關鍵詞】IC厭氧反應器；布水器；結構研發；數值分析

內循環厭氧反應器（簡稱IC厭氧反應器），是20世紀80年代由荷蘭PAQUES公司研發的一種超高效厭氧反應器，其具有高濃度的污泥和良好的傳質能力，被認為是第三代厭氧生化反應器的代表工藝之一。由于技術擁有者嚴格保密，直到1988年第一個生產性IC反應器才建立，而我國于1996年才引進該技術。近年來，國內外學者主要集中于對顆粒污泥培養及污水處理效果方面的研究，對現有反應器布水結構排泥困難，加工復雜等問題的研究甚少。本文根據反應器的運行特點及布水器的使用性能對新型布水器結構進行研發，并通過數值分析確定新型布水器結構尺寸。

1　IC厭氧反應器工作原理

內循環厭氧反應器主要由兩級三相分離器、氣液分離器、提升管、回流管、布水器等組成，其中內循環系統為反應器的核心部件。廢水及部分回流水經過布水器與反應器下部污泥顆粒充分混合傳質后，大部分有機物在第一反應室內被分解產生氣體，經三相分離器后，提升管內氣液混合物在氣體作用下上升至反應器頂部的氣液分離器，經氣液分離后液體通過回流管返回底部與進水混合，形成內循環過程，與此同時第一反應器的出水進入第二反應室進一步被處理，經上述過程形成內循環。反應器結構如圖1示：

圖1　IC厭氧反應器構造原理圖

2　IC厭氧反應器布水器新型結構研發

2.1現有布水器存在的缺陷及不足

現有布水器由多組扇形葉片錯位疊加而成，進水口大小及布孔方式通過縫隙處墊片數量及位置進行調節，其優點是布水較均勻，布孔方式靈活，污泥顆粒不易被沖碎，但其存在結構復雜，加工難度大，成本較高等缺陷。此外，由于反應器運行過程中部分污泥鈣化，失去活性，在離心力作用下，鈣化污泥將在反應器桶壁與布水器之間區域堆積，形成死角，不易排出，同時鈣化污泥堆積將對進水口產生堵塞，影響均勻布水，對反應器正常運行產生重大影響。

2.2新型布水器結構形式

針對現有布水器結構存在的不足之處，本文在保證布水器使用功能的前提下，對布水器結構進行重新設計，以簡化現有布水器結構，減弱或消除現有布水器所存在的排泥問題。布水器結構采用多層布孔方式，布孔數量、布孔層數、布孔角度、布孔直徑等均是新型布水器設計的關鍵。新型布水器結構示意圖如圖2示：

圖2　新型布水器結構示意圖

2.3新型布水器結構參數確定

1）新型布水器布孔數量及層數。反應器各布水孔出水的理想水力分布如圖3示：

圖3　布水孔出水理想水力分布示意圖

根據反應器橫截面上各布水孔出水的理想水力分布可知，在某些區域會重疊布水，而有些區域卻沒有布水，在理論上要實現在反應器橫截面上絕對均勻布水是很難的，根據已有研究數據顯示，布水器布水孔均勻度隨進水流速的增大而減小，隨布孔孔數的增大而增大，為適應研究中布水器規格尺寸要求，提高布水均勻性，本文采用18孔3層布置方式。

2）新型布水器布水孔孔徑。為確定新型布水器布水孔孔徑及布孔角度，現采用數值分析法進行研究，基于整體結構的復雜性，該研究對反應器結構進行簡化，模型省略反應器頂部結構，以流量等參數方式反映在提升管及回流管中。數值分析采用k-ε湍流模型及粒子追蹤模型，其中回流管流量按進水流量考慮，污泥顆粒以1.5 mm球形顆粒物代替，幾何模型如圖4示：

圖4　幾何模型

查閱相關資料及工程應用，確定反應器上升流速的大致范圍，根據流量、面積及速度之間的關系，確定孔徑尺寸范圍，選定某一孔徑，通過多次改變上升流速，觀察反應器運行狀態進行，選定滿足污泥顆粒在第一反應室內均勻混合條件的上升流速，經反演分析，最終確定該新型布水器的布水孔孔徑及上升流速。

3）新型布水器布水孔角度。為使污泥顆粒與廢水充分混合，新型布水器結構采用傾斜布孔方式，使污泥顆粒旋轉上升最終達到懸浮平衡狀態。若切向速度大徑向速度小將導致混合液在離心力作用下向周邊聚集，形成漩渦狀，而切向速度小徑向速度大又將導致混合液向反應器中心堆積。反應器同一截面處在不同布水傾角作用下的流場分布效果如圖5示：

圖5　流場分布效果圖

圖5中徑向速度大小為a>c>b。為簡化數值計算過程，以上升為主旋轉為輔的原則，首先對進水孔軸線與反應器軸線之間的夾角進行微調，經數值分析確定較適宜的豎向夾角25°，然后對進水孔軸線投影與該位置處切線方向的夾角進行調整，為避免污泥顆粒在外環或內部形成堆積，使三相物質混合均勻，經多次數值分析觀測確定布水孔三維角度。

2.4新型布水器使用性能分析

為確定新型布水器規格尺寸的適宜性，建立了選定布水器規格尺寸的反應器數值模型，經數值分析觀測三相物質在第一反應室的分布情況，并在第一反應室頂部設置取樣截面，通過顆粒分布觀測及數量統計對反應器運行狀態進行定量分析，驗證該新型布水器使用性能。反應器流場分析結果如圖6、圖7所示：