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。