超高效螺旋式厌氧反应器三相流动特性的研究
【摘要】:水环境污染和能源紧缺是我国面临的两大难题。将厌氧消化技术用于污水处理,可实现污染治理和能源回收的双重功效。研发超高效螺旋式厌氧反应器(Super-high-rate Spiral Anaerobic Bioreactor, SSAB),有助于提升我国厌氧消化技术水平,推动治污工程发展。本论文采用试验模拟和数学模拟相结合的方法,系统研究了SSAB的能量耗散、床层膨胀、污泥运动和污水流态等三相流动特性,以优化该类反应器的设计和操作,加速该类反应器的工程化应用。主要成果如下:
(1)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:分离单元的能耗模型为ΔE3-5=2.79×10-9ul3;反应单元的能耗模型为:ΔEu2-3=1.1216×10-7ul2Vp+0.02798×10-7ul3Vp (固定态),流化床状态ΔEf2-3=0.5096×10-7ulVp(流化态);布水单元的能耗模型为ΔE1-2=3.06×10-4ul-3。各单元和整体能耗模型的模拟值与实测值吻合较好,可用于指导同类型厌氧反应器能耗状况的优化。
②分析了SSAB能耗特征:反应单元在气液固三相时的能耗大于液固两相时的能耗。在低表观液速下,反应单元的能耗大于布水单元;而在高表观液速下,反应单元的能耗小于布水单元。SSAB处于固定床状态、液固两相流化床状态、气液固三相流化床状态以及颗粒结团状态时的反应单元的能耗最大值分别为1.13×10-4W、4.54×10-4W、12.00×10-4 W和91.75×10-4W,布水单元能耗的最大值为18.81×10-4 W,反应器整体能耗的最大值为110.56×10-4 W,其中反应单元占83.0%,布水单元占17.0%,分离单元可忽略不计。反应器整体能耗对各参数的敏感性大小依次为颗粒污泥密度(ρp)、表观液速(ul)、污泥量(Vp)、表观气速(ug)和颗粒污泥直径(dp)。能耗的最大值可作为反应器功率匹配的参考依据;参数灵敏度可作为反应器操作的参考依据。
(2)研究揭示了SSAB的床层膨胀特性。
①建立了SSAB床层膨胀模型:max=(380-186.74ul-0.98ug0.7)/ul(固定态);E=(0.435ul0.29-0.38)/(1-0.435ul0.29)×100%(流化态);床层最大污泥量Vpmax=7850εs;起始流化速度umf=ε03dp2(ρp-ρ1)g/150μ(1-ε0);起始输送速度ust=(1-εs)ut。所建模型模拟值与实测值吻合良好,可用于指导同类型厌氧反应器的设计和操作优化。
②分析了SSAB的床层膨胀特征:固定态时,ul≤0.45 mm·s-1,E为0,Vpmax为4867 mL(床层有效体积为7850 mL),τmax逐渐逼近860 s(HRT最大值为2222 s);流化态时,0.45 mm·s-1ul≤6.88 mm·s-1,E、Vpmax和τmax分别为5.28%-255.69%、1368-4559 mL和104-732 s(HRT范围为145-2222 s);输送态时,ul6.88 mm·s-1,颗粒污泥洗出床层。床层处于流化态时,床层E与ul和ug呈正相关,Vpmax和τmax与ul和ug呈负相关,且ul越大,E、Vpmax和τmax越趋于一致,其值分别逼近160%、1860 mL和104 s。E和Vpmax对ul和ug的敏感性较为接近,但τmax对ul的敏感性大于ug。
(3)研究揭示了SSAB的污泥运动特性。
①建立了SSAB污泥运动物理和数学模型。污泥运动可理解为浮升尾流携带颗粒污泥向上转运,返混流携带颗粒污泥向下转运所致的床层各区段的污泥浓度变化。床层上部-中部(ΔV3-ΔV2)和中部-下部(ΔV2-ΔV1)的污泥转运效率比(kt,n/kt,n-1)分别为0.8259和0.7511,污泥转运效率(kt,n-1)分别为0.102-0.315 m3/m3和0.085-0.253 m3/m3。
②分析了SSAB污泥运动模型参数的灵敏度。超高效螺旋式厌氧反应器螺旋区浮升尾流的污泥转运效率对工艺和结构参数的灵敏性依次为螺旋升角(a),螺旋区域外管直径(R),污泥的沉降速率(vs)和基质的升流速度(vl),它与这些参数呈正相关。通过减小α和R可以优化反应器构型;通过缩短HRT可以提升容积效能。
(4)研究揭示了SSAB的污水流态特性。
①SSAB的污水流态为:低负荷下的返混程度较小(D/uL0.2,N→∞),污水流态趋于平推流;中、高负荷下的返混程度介于平推流和全混流之间(0.35D/uL0.467,1.82≤N≤2.71);超高负荷下的返混程度较大(D/uL≥0.2,N→1),污水流态趋于全混流。
②SSAB的流态特征为:反应器总死区平均值为27.99%,其中生物死区平均值为6.98%,水力死区平均值为21.01%。水力死区Vh与水力负荷L和产气速率G之间满足关系式Vh=0.7603L+0.1627G—4.0620(相关系数R2=0.968),容积水力负荷对水力死区的影响大于容积产气速率。
③SSAB的适宜流态为:N≤3.01,即其流态的等容多釜串联级数不宜超过3.01。为兼顾反应器传质效果和容积效能,反应器设计或操作中,可通过优化反应器构型或优化操作参数来调控N值。
|
|
|
|
1 |
张亚范,李如群;厌氧反应器处理工业废水的动力学模型与应用[J];电站系统工程;2005年02期 |
2 |
邵希豪,喻俊,范国东,施浩川,姬巧玲;内循环厌氧反应器(IC)探讨[J];中国沼气;2001年01期 |
3 |
李锡英,丁建南,邵希豪;处理酒精废醪的厌氧反应器类型[J];中国沼气;1997年03期 |
4 |
党朝华
,戚恺;岳阳纸业用IC~内循环厌氧反应器处理APMP高浓度废水[J];造纸信息;2002年06期 |
5 |
董玲玲
,吴锦华,吴海珍,吴超飞,韦朝海;硝基苯厌氧降解过程中Fe~0的促进作用[J];环境化学;2005年06期 |
6 |
宋碧玉,郭银松,刘勇;淹没填料厌氧反应器(SMAR)生物处理锅炉柠檬酸洗废液可行性探索[J];工业水处理;1996年02期 |
7 |
李克勋,徐智华,张振家;水力作用对颗粒污泥形成的影响[J];中国沼气;2003年01期 |
8 |
吴静,陆正禹,胡纪萃,顾夏声;新型高效内循环(IC)厌氧反应器[J];中国给水排水;2001年01期 |
9 |
陈芳;;制浆造纸废水处理中常见厌氧反应器[J];中国造纸;2006年08期 |
10 |
王卫京;左秀锦;朱波;;UASB厌氧反应器内流场数值模拟[J];大连大学学报;2007年03期 |
11 |
郭永福;;DIC厌氧反应器启动过程中污泥性能的研究[J];工业水处理;2008年12期 |
12 |
朱金英;杨金国;;UASB反应器的运行管理[J];甘肃科技;2010年18期 |
13 |
王冰;韩洪军;刘硕;马文成;;颗粒活性炭加速厌氧反应器污泥颗粒化的研究[J];中国给水排水;2011年11期 |
14 |
孙哲,齐文明,冯志坚;高浓度乙酰螺旋霉素废水处理技术的研究[J];哈尔滨建筑大学学报;1999年03期 |
15 |
童昶,沈耀良,赵丹,王承武;厌氧反应器技术的发展及ABR反应器的工艺特点[J];江苏环境科技;2001年04期 |
16 |
迟文涛,赵雪娜,江翰,李伟涛,王凯军;厌氧反应器的发展历程与应用现状[J];城市管理与科技;2004年01期 |
17 |
王松林;苏雅玲;何义亮;张三林;;低动力生活污水处理系统的中试研究[J];水处理技术;2005年11期 |
18 |
钱小青;何成达;季俊杰;谈玲;赵由才;;降流式厌氧悬浮填料床特性分析与试验研究[J];云南环境科学;2006年04期 |
19 |
解清杰;王秀萍;罗凡;付四立;;IC多功能污水厌氧实验装置的研制[J];实验技术与管理;2006年10期 |
20 |
胡勇;尚连生;刘永红;郁翠华;;厌氧颗粒污泥床反应器污泥的流失与对策[J];工业用水与废水;2007年04期 |
|