螺旋對稱流厭氧反應器流場特性研究

張 劍,柳建設

東華大學環(huán)境科學與工程學院,國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技術中心,上海 201620

中國改革開放以來，經濟增長迅速，隨著經濟的快速增長，能源消費量也有了顯著的增長：2015年我國能源消費總量為362000萬t標準煤，較上年增長134萬t標準煤[1]。同時中國對外部能源依賴進一步增加：1993年，中國首次成為石油的凈進口國；2006年，中國首次成為天然氣的凈進口國；2009年，中國首次成為煤炭的凈進口國[2]。中國國內能源資源的短缺，特別是石油的短缺，已經成為嚴重制約國民經濟發(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用于民用和工業(yè)中；作為化工原料，可以用來生產甲醇、乙炔、合成氨等[4]；厭氧發(fā)酵產甲烷化技術，能夠減少二氧化碳氣體的排放，轉化過程具有一定的經濟和生態(tài)優(yōu)勢，應用日漸廣泛[5]。

鑒于此，本課題組研發(fā)的螺旋對稱流厭氧反應器（Spiral Symmetry Stream Anaerobic Bioreactor，SSSABR）具有產生能源與治理污染的雙重功效。而反應器的流場特性關系到泥水混合、污染基質擴散傳質等方面，進而對反應器的高效運行產生影響[6-8]。因此，本文通過示蹤試驗，對SSSABR在內構件縱向分隔作用下的混合模型、靈敏度、死區(qū)率、空速等方面進行了研究。

1 材料和方法

1.1 試驗系統(tǒng)

所采用的實驗系統(tǒng)如圖1所示，整個SSSABR呈圓柱狀，總有效容積為6.0 L。反應器由布水區(qū)、螺旋反應區(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。在螺旋反應區(qū)內以半橢圓形內構件導流擋板進行分割，厭氧反應過程中產生的氣體可由內構件擋板下面的分散集氣管分別進行收集導出，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根據反應器運行負荷按需提供。接種顆粒污泥取自無錫某印染污水處理廠的IC厭氧反應器，在SSSABR中采用模擬廢水培養(yǎng)馴化1個月。通過改變水力停留時間(HRT)調整反應器容積水力負荷，容積水力負荷L控制在2.00～6.00 L·L-1·d-1。由于生物厭氧消化產氣速率有限，當產氣量較大時，由氣泵輔助產氣，容積產氣速率G為17～41 L·L-1·d-1。

圖1 SSSABR結構示意圖Fig.1 Schematic structure of SSSABR

1.2 試驗過程

1.2.1 示蹤劑的確定 本試驗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養(yǎng)物質．氟離子的濃度用氟離子電極測定。試驗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 試驗控制不同的水力停留時間（HRT）以模擬不同的容積水力負荷，采用脈沖刺激響應技術，瞬時注入一定量的氟離子作為示蹤劑以形成脈沖信號，定期取樣測定出水中的氟離子濃度，測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)計函數(shù) 根據測得的不同時間t的示蹤劑氟離子濃度c(t)，利用公式（1）、（2）、（3）分別計算出停留時間分布密度函數(shù)E(t)、平均停留時間和停留時間分布的散度

1.3.2 多釜串聯(lián)模型 一般來說，實際反應器介于理想平推流和全混流之間，可以將其簡化為由N個CSTR反應器相串聯(lián)而成，其中，N個反應器均為全混流流態(tài)，反應器之間無返混存在，各反應器體積相同，進出料體積流量相等。反應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代表整個系統(tǒng)的平均HRT。

2 結果與分析

2.1 混合模型

如表1所示，本文針對分散集氣管道是否通暢及運行負荷，共進行了8組（其水力負荷與產氣速率值均在目前運行的SSSABR的范圍內）脈沖示蹤試驗。8組試驗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。根據式(2)、(3)、(4)、 (8)，可算得平均停留時間、停留時間分布的散度采用無量綱時間表征散度串聯(lián)釜數(shù)N等參數(shù)。

表1 氟離子示蹤試驗條件與結果Table1 The conditions and results of fluorine ion tracer tests

結果表明，低負荷（工況1、工況2）、中負荷（工況3、工況4）、高負荷（工況5、工況6）、超高負荷（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，說明水流的推流狀態(tài)在減弱，混流狀態(tài)在增強。根據Chen和Fogler的觀點[9,10]，當N＞3.00時，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荷工況下運行的返混程度較小，趨于平推流；分散集氣管堵塞時的中、高和超高負荷工況下返混程度較大，趨于全混流。

1.2.2 時間因素：疾病從開始到進展惡化或緩解是一個動態(tài)的過程，每一階段有不同的表現(xiàn)。而醫(yī)務人員可能在疾病的某個階段接觸患者，因此并沒有機會了解疾病的全過程。在某個時間節(jié)點，有些重要的有診斷意義的證據可能尚未出現(xiàn)或已經消失。例如哮喘的病情有明顯的可逆性和可變性，1例青年學生患哮喘，急性發(fā)作時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“神經官能癥”。

2.2 方程回歸與靈敏度

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

對式（10）、（11）分別進行回歸顯著性檢驗（F檢驗）式中，n為統(tǒng)計樣本數(shù)，本試驗n=4；m為自變量個數(shù)，本試驗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荷L和容積產氣速率G。為確定參數(shù)對串聯(lián)釜數(shù)的影響，可按式（12）計算各參數(shù)靈敏度比[11]。

其中，SR為靈敏度比，Ei為不同工藝參數(shù)的效率指標值，Eb為基本指標值，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。經計算得，串聯(lián)釜數(shù)N與水力負荷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。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致，水力死區(qū)則通常是由于反應器內部結構（如反應器的內構件等折角部位）所產生的[12]。在本試驗中，加入顆粒污泥的濕體積為200 mL，反應器總有效容積為6 L，因此反應器內生物死區(qū)所占的體積百分比為3.3%。根據式（9），可推求出SSSABR的總死區(qū)率在HRT為720、540、360、240 min時分別為（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 空速為進料體積流量與反應器體積的比值，表示單位體積的反應器在單位時間內的所處理的物料量，空速越大，表明該反應器的處理效率越高。假設SSSABR內進行一級反應，由于各釜體積與操作條件相同，底物轉化率η存在如下關系式：

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

根據式（15），取N=1.2，2，3，4，繪制η-ν1/νN曲線，如圖2。由圖2可見，隨著串聯(lián)釜數(shù)N的增加，ν1/νN值逐漸減小。這說明平推流的增強有助于提高反應器的空速。假設預期的底物轉化率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，說明空速增加的幅度越來越小。

圖2 η-ν1/νN曲線Fig.2 The curve ofη-ν1/νN

3 討論

與相關文獻比較，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]。

根據式（12）的計算結果，產氣速率G對流態(tài)的影響大于水力負荷L的影響。這與Tomlinson，Chen等人的研究結果一致[17,9]。集氣管堵塞時的靈敏度比大于集氣管通暢時的敏度比。究其原因，通過分段集氣可以有效遏制氣體在反應器內上升擾動所造成的流態(tài)變化，降低反應器流態(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SSSABR運行時流態(tài)的穩(wěn)定性。

串聯(lián)釜數(shù)N的取值對實現(xiàn)反應器的高效運行至關重要。一方面，N值的增加有利于增加反應器內反應物的相對濃度，有利于反應向正方向的進行，有利于反應器空速的提高；另一方面，N值的增加限制了物料與顆粒污泥充分接觸，不利于強化泥水傳質，不利于對抗進口來水沖擊負荷。根據上文分析，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荷工況下運行的返混程度較?。∟＞3.00），趨于平推流；分散集氣管堵塞時的中、高和超高負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與容積水力負荷L和容積產氣速率G的關系式：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），且產氣速率G對流態(tài)的影響大于水力負荷L的影響，集氣管堵塞時的靈敏度比大于集氣管通暢時的敏度比；

（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。

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