超高效螺旋式厭氧反應器三相流動特性的研究.pdf

1、水環(huán)境污染和能源緊缺是我國面臨的兩大難題。將厭氧消化技術用于污水處理，可實現(xiàn)污染治理和能源回收的雙重功效。研發(fā)超高效螺旋式厭氧反應器(Super-high-rate Spiral Anaerobic Bioreactor，SSAB)，有助于提升我國厭氧消化技術水平，推動治污工程發(fā)展。本文采用試驗模擬和數(shù)學模擬相結合的方法，系統(tǒng)研究了SSAB的能量耗散、床層膨脹、污泥運動和污水流態(tài)等三相流動特性，以優(yōu)化該類反應器的設計和操作，加速該類反應

2、器的工程化應用。主要成果如下：
　　 ㈠研究揭示了SSAB的能量耗散特性：①建立了SSAB能量耗散(能耗)模型：分離單元的能耗模型為△E3-5=2.79×10-9u31；反應單元的能耗模型為：△E2-3u=1.1216×10-7u21Vp+0.02798×10-7u31Vp(固定態(tài))，流化床狀態(tài)△E2-3f=0.5096×10-7u1Vp(流化態(tài))：布水單元的能耗模型為△E1-2=3.06×10-4u31。各單元和整體能耗模型的

3、模擬值與實測值吻合較好，可用于指導同類型厭氧反應器能耗狀況的優(yōu)化。②分析了SSAB能耗特征：反應單元在氣液固三相時的能耗大于液固兩相時的能耗。在低表觀液速下，反應單元的能耗大于布水單元；而在高表觀液速下，反應單元的能耗小于布水單元。SSAB處于固定床狀態(tài)、液固兩相流化床狀態(tài)、氣液固三相流化床狀態(tài)以及顆粒結團狀態(tài)時的反應單元的能耗最大值分別為1.13×10-4 W、4.54×10-4 W、12.00×10-4 W和91.75×10-4 W

4、，布水單元能耗的最大值為18.81×10-4 W，反應器整體能耗的最大值為110.56×10-4 W，其中反應單元占83.0％，布水單元占17.0％，分離單元可忽略不計。反應器整體能耗對各參數(shù)的敏感性大小依次為顆粒污泥密度(ρp)、表觀液速(ut、)、污泥量(Vp)、表觀氣速(ug)和顆粒污泥直徑(dp)。能耗的最大值可作為反應器功率匹配的參考依據(jù)；參數(shù)靈敏度可作為反應器操作的參考依據(jù)。
　　 ㈡研究揭示了SSAB的床層膨脹特性

5、：①建立了SSAB床層膨脹模型τmax=(380-186.74u1-0.98u0.7g)/u1(固定態(tài))；E=(0.435u0.291-0.38)/(1-0.435u0.291)×100％(流化態(tài))；床層最大污泥量Vpmax=7850εs；起始流化速度umf=ε30d2p(ρp-ρ1)g/150μ(1-ε0)；起始輸送速度ust=(1-εs)ut。所建模型模擬值與實測值吻合良好，可用于指導同類型厭氧反應器的設計和操作優(yōu)化。②分析了SSA

6、B的床層膨脹特征：固定態(tài)時，u1≤0.45 mm·s-1，E為0，Vpmax為4867 mL(床層有效體積為7850 mL)，τmax漸逼近860 s(HRT最大值為2222 s)；流化態(tài)時，0.45 mm·s-16.88 mm·s-1，顆粒污泥洗出床

7、層。床層處于流化態(tài)時，床層E與u1和ug呈正相關，Vpmax和τmax與u1和ug呈負相關，且u1越大，E、Vpmax和τmax越趨于一致，其值分別逼近160％、1860 mL和104 s。E和Vpmax對u1和ug的敏感性較為接近，但τmax對u1的敏感性大于ug。
　　 ㈢研究揭示了SSAB的污泥運動特性：①建立了SSAB污泥運動物理和數(shù)學模型。污泥運動可理解為浮升尾流攜帶顆粒污泥向上轉運，返混流攜帶顆粒污泥向下轉運所致的床

8、層各區(qū)段的污泥濃度變化。床層上部-中部(△V3-△V2)和中部-下部(△V2-△V1)的污泥轉運效率比(Kt，n/Kt，n-1)分別為0.8259和0.7511，污泥轉運效率(Kt，n-1)分別為0.102-0.315 m3/m3和0.085-0.253 m3/m3。②分析了SSAB污泥運動模型參數(shù)的靈敏度。超高效螺旋式厭氧反應器螺旋區(qū)浮升尾流的污泥轉運效率對工藝和結構參數(shù)的靈敏性依次為螺旋升角(α)，螺旋區(qū)域外管直徑(R)，污泥的沉降

9、速率(vs)和基質的升流速度(v1)，它與這些參數(shù)呈正相關。通過減小，α和R可以優(yōu)化反應器構型；通過縮短HRT可以提升容積效能。
　　 ㈣研究揭示了SSAB的污水流態(tài)特性：①SSAB的污水流態(tài)為：低負荷下的返混程度較小(D/uL<0.2，N→∞)，污水流態(tài)趨于平推流：中、高負荷下的返混程度介于平推流和全混流之間(0.35≤D/uL≤0.467，1.82≤N≤2.71)；超高負荷下的返混程度較大(D/uL≥0.2，N→1)，污水流

10、態(tài)趨于全混流。②SSAB的流態(tài)特征為：反應器總死區(qū)平均值為27.99％，其中生物死區(qū)平均值為6.98％，水力死區(qū)平均值為21.01％。水力死區(qū)Vh與水力負荷L和產氣速率G之間滿足關系式Vh=0.7603L+0.1627G-4.0620(相關系數(shù)R2=0.968)，容積水力負荷對水力死區(qū)的影響大于容積產氣速率。③SSAB的適宜流態(tài)為：N≤3.01，即其流態(tài)的等容多釜串聯(lián)級數(shù)不宜超過3.01。為兼顧反應器傳質效果和容積效能，反應器設計或操作