好氧顆粒污泥彈性模型研究★

潘　凱

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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好氧顆粒污泥彈性模型研究★

潘凱

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：通過實(shí)驗(yàn)，測得了好氧顆粒污泥彈性階段受力與變形關(guān)系，并建立了好氧顆粒污泥的彈性模型，研究了其彈性性能，經(jīng)對比，數(shù)值模擬與實(shí)測值相符，為提高顆粒的穩(wěn)定性提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：好氧顆粒污泥，彈性模量，幾何模型，變形

0引言

污泥顆粒化是指在一系列的物理作用、生化反應(yīng)和外部環(huán)境條件的作用下，微生物不必外加任何載體而自身固定的一種特殊形式。在20世紀(jì)90年代后期，Morgenroth等人首次用SBR反應(yīng)器培養(yǎng)出好氧顆粒污泥，并應(yīng)用于處理含有機(jī)物的廢水。顆粒化使得反應(yīng)器生物保有量大大增加，同時(shí)因顆?；瘞淼某两敌阅軠p少了污泥外排量。因而，好氧顆粒污泥技術(shù)被看作是應(yīng)用前景最好的廢水處理技術(shù)。

但在長期的運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)好氧顆粒污泥失穩(wěn)解體的現(xiàn)象，這也是其大規(guī)模運(yùn)用于實(shí)際的最大阻礙[2-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始對好氧顆粒的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。但這些研究大多停留在定性描述，對其機(jī)理仍缺乏全面的深入研究，更未能進(jìn)行定量描述。另一方面，迄今為止有關(guān)影響好氧顆粒穩(wěn)定性的因素研究，主要集中在反應(yīng)器的運(yùn)行條件和顆粒特性方面，如接種污泥種類、有機(jī)負(fù)荷率、水力停留時(shí)間、胞外聚合物等，但很少報(bào)道有從受力分析的角度來研究對其穩(wěn)定性的影響。好氧顆粒的受力在其顆?；^程中起到了關(guān)鍵的作用，顆粒污泥的形成過程、顆粒的結(jié)構(gòu)以及其物化特性都與受力有著密不可分的關(guān)系。文章將從力學(xué)的角度，建立好氧顆粒污泥的彈性模型，對顆粒的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1原理與假設(shè)

好氧顆粒污泥彈性力學(xué)問題的建立是基于彈性力學(xué)的三個(gè)基本方程，即平衡微分方程，幾何方程和物理方程。考慮彈性力學(xué)中的基本假定，根據(jù)此次彈性模型的模擬研究，對好氧顆粒污泥做出以下假設(shè)：

1)好氧顆粒污泥為完全彈性材料；2)顆粒污泥本身為各向同性；3)顆粒污泥具有確定的彈性模量和泊松比；4)忽略外界溫度對顆粒污泥力學(xué)性能的影響；5)顆粒污泥應(yīng)力和應(yīng)變不隨時(shí)間變化；6)顆粒污泥的位移和變形是微小的。

2好氧顆粒污泥的選取

本次實(shí)驗(yàn)所采用的接種污泥取自于合肥市王小郢污水處理廠的氧化溝，其污泥體積指數(shù)(Sludge Volume Index，SVI)約為125 mL/g。在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行好氧顆粒污泥的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。該反應(yīng)器為圓柱形，柱身材料為有機(jī)玻璃，反應(yīng)器高為0.65 m，內(nèi)徑0.1 m，在柱身不同高度設(shè)置出水口，各出水口之間的高差為0.1 m，其有效高度為0.55 m，有效體積為4.3 L，反應(yīng)器周期包括：10 min的進(jìn)水，240 min的曝氣，20 min的沉淀以及5 min的出水。本次實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水采用人工合成廢水，碳源由蔗糖唯一提供，氮源和磷源由NH4Cl和NaH2PO4提供，所添加的量以C∶N∶P為100∶5∶1來計(jì)算，并提供微生物生長所必需的常量元素和微量元素。本次彈性模量實(shí)驗(yàn)從SBR反應(yīng)器中選取較為圓潤，光滑的成熟好氧顆粒若干，如圖1所示。

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3實(shí)驗(yàn)步驟

1)從SBR反應(yīng)器中選取圓整度較好的顆粒污泥，且直徑控制在2 mm～3 mm左右。將選取好的顆粒污泥放置在培養(yǎng)皿中，并加少量清水，一是保證顯微鏡下成像清晰，排除其他絮體污泥的干擾；二是防止顆粒污泥因長時(shí)間暴露于空氣中而缺水萎縮干裂。2)將開機(jī)后的數(shù)碼相機(jī)鏡頭倒扣進(jìn)體視顯微鏡的鏡筒內(nèi)并擰緊，然后把放有好氧顆粒污泥的培養(yǎng)皿放置在體視顯微鏡的載物臺(tái)上，使好氧顆粒位于鏡頭的中心，調(diào)整數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)變焦，使得放大倍數(shù)為8x，待圖像清晰后拍照保存。3)顆粒污泥照片導(dǎo)入到圖像分析軟件Motic Images Advanced 進(jìn)行處理，去除噪點(diǎn)影響后，計(jì)算并記錄好氧顆粒污泥的直徑及圓形度。4)測完顆粒污泥的直徑以后，采用單軸受壓裝置對顆粒進(jìn)行受壓實(shí)驗(yàn)，并記錄顆粒受力與變形結(jié)果。

4模型建立

由于好氧顆粒污泥彈性模量的測定中，所涉及的好氧顆粒均處于彈性變形階段，未進(jìn)入塑性變形。此時(shí)應(yīng)采用線性靜力結(jié)構(gòu)分析方法對顆粒污泥的變形進(jìn)行分析，且應(yīng)為空間彈性問題。因此，采用空間問題的方法，考慮靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)三方面條件與對應(yīng)的三套平衡方程，建立彈性模量的三維靜力分析模型。

4.1幾何模型的建立

基于顆粒污泥應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系測定實(shí)驗(yàn)裝置，將三維幾何模型簡化，建立幾何模型。如圖2a)所示，幾何模型由中間夾著球形顆粒的兩塊平板組成。下平板模擬裝置底座，其下表面固定；上平板模擬測桿頂端，可沿Z軸負(fù)方向向下移動(dòng)，外部荷載直接施加在上平板的上表面。兩塊平板的尺寸均為12 mm×12 mm×3 mm。在模型中，兩塊平板均為剛體，不發(fā)生變形，中間的球形顆粒為彈性體，取好氧顆粒的泊松比為0.42。

4.2彈性求解

將建立的幾何模型導(dǎo)入到靜力分析軟件中。本次網(wǎng)格劃分方式分為兩種，上下兩塊平板均采用掃掠型方式生成六面體網(wǎng)格，中間球形顆粒采用多域掃掠型方法生成網(wǎng)格。上下兩塊平板只提供支撐和施加荷載，所以網(wǎng)格較球形顆粒網(wǎng)格稀疏。平板采用的網(wǎng)格大小為3 mm，球體采用的網(wǎng)格大小為0.2 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2b)所示。

本文采用線性模擬及求解。靜力結(jié)構(gòu)分析問題的求解步驟如下：1)幾何模型的建立或者導(dǎo)入。2)定義和分配部件的材料特性。在線性靜力結(jié)構(gòu)分析中，材料屬性僅需要定義楊氏模量和泊松比。3)定義裝配體間的接觸副。當(dāng)導(dǎo)入裝配體時(shí)，程序會(huì)在兩個(gè)實(shí)體之間自動(dòng)生成接觸副。同時(shí)，可以根據(jù)具體分析需要，在其提供的四種接觸類型中進(jìn)行選擇修改。4)施加荷載和約束。5)選擇需要查看的結(jié)果。6)求解計(jì)算。7)查看后處理結(jié)果。

5結(jié)果與討論

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖3所示。在彈性范圍內(nèi)，顆粒的變形與受力呈正相關(guān)關(guān)系，隨著受力的增加，好氧顆粒污泥的變形量也在增加。對比實(shí)驗(yàn)值與模擬值可以看出，兩者均有相同的上升趨勢，實(shí)驗(yàn)值略大于模擬值，但在合理范圍之內(nèi)。由于顆粒污泥形狀為近似球體，與標(biāo)準(zhǔn)試件有較大差距，所以采用標(biāo)準(zhǔn)試件的算法會(huì)造成計(jì)算誤差。本次模擬采用最原始的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即通過測定力與位移，保證了中間無換算誤差，因此更加準(zhǔn)確。

6結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)測得好氧顆粒污泥彈性階段受力與變形的關(guān)系，并建立了好氧顆粒污泥的彈性模型，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬很好的符合了實(shí)驗(yàn)值。通過實(shí)驗(yàn)與模擬相對比的方法，研究了好氧顆粒污泥彈性階段的性能，為好氧顆粒污泥的受力和穩(wěn)定性研究提供了理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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Study on elastic model of aerobic granule sludge★

Pan Kai

(SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009，China)

Abstract: Through experimental measurement, the paper measures the relationship of stress and deformation of aerobic granular sludge at elastic phase, establishes elastic model of aerobic granular sludge, studies its elastic performance, and finds out that: the numerical simulation value is in accordance with actual measuring value through comparison, which has provided some guidance for improving the stability of aerobic granular.

Key words: aerobic granular sludge, elastic model, geometrical model, deformation

The application research on ground source heat pump system in Huainan and Huaibei mining areas★

Guo ChaoHu LiujunWang DahaiChen Long

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Key words:ground source heat pump, Huainan and Huaibei areas, ground temperature, rock thermal property

Abstract:From the climate, ground temperature distribution and rock thermal property three aspects in Huainan and Huaibei area, this paper comprehensive analyzed the applicability of ground source heat pump technology in the region, and researched the economic and environmental benefits of ground source heat pump in the area, provided theoretical basis for the application of ground source heat pump system in Huainan and Huaibei mining area, at the same time provided theoretical basis for future thermal response test in the region.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0111-02

收稿日期：2016-03-08★：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：51378165)

作者簡介：潘凱(1991- )，男，在讀碩士

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A