高志清，賈　超，馮義武

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250014）

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IC反應(yīng)器流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)分析及新型布水器研發(fā)

高志清1，賈超1，馮義武2

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南250014）

【摘要】IC厭氧反應(yīng)器是新一代污水處理設(shè)備，設(shè)計(jì)關(guān)鍵是如何使罐體內(nèi)形成均勻穩(wěn)定的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，其性能受控于布水器布水結(jié)構(gòu)、布孔方式及進(jìn)水流速等?，F(xiàn)有布水器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工難度大，成本高，同時(shí)還存在鈣化污泥排泥死角及布水孔堵塞等問(wèn)題。為此，本文對(duì)IC厭氧反應(yīng)器布水器進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)研發(fā)，通過(guò)資料分析、工程應(yīng)用及數(shù)值計(jì)算等方式，確定適宜的布水器布孔數(shù)量、布孔角度、布孔孔徑及上升流速等，經(jīng)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)氣-液-固三相流流場(chǎng)數(shù)值分析驗(yàn)證，結(jié)果表明該布水器結(jié)構(gòu)有效可行。

【關(guān)鍵詞】IC厭氧反應(yīng)器；布水器；結(jié)構(gòu)研發(fā)；數(shù)值分析

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱IC厭氧反應(yīng)器），是20世紀(jì)80年代由荷蘭PAQUES公司研發(fā)的一種超高效厭氧反應(yīng)器，其具有高濃度的污泥和良好的傳質(zhì)能力，被認(rèn)為是第三代厭氧生化反應(yīng)器的代表工藝之一。由于技術(shù)擁有者嚴(yán)格保密，直到1988年第一個(gè)生產(chǎn)性IC反應(yīng)器才建立，而我國(guó)于1996年才引進(jìn)該技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中于對(duì)顆粒污泥培養(yǎng)及污水處理效果方面的研究，對(duì)現(xiàn)有反應(yīng)器布水結(jié)構(gòu)排泥困難，加工復(fù)雜等問(wèn)題的研究甚少。本文根據(jù)反應(yīng)器的運(yùn)行特點(diǎn)及布水器的使用性能對(duì)新型布水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)，并通過(guò)數(shù)值分析確定新型布水器結(jié)構(gòu)尺寸。

1　IC厭氧反應(yīng)器工作原理

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器主要由兩級(jí)三相分離器、氣液分離器、提升管、回流管、布水器等組成，其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)為反應(yīng)器的核心部件。廢水及部分回流水經(jīng)過(guò)布水器與反應(yīng)器下部污泥顆粒充分混合傳質(zhì)后，大部分有機(jī)物在第一反應(yīng)室內(nèi)被分解產(chǎn)生氣體，經(jīng)三相分離器后，提升管內(nèi)氣液混合物在氣體作用下上升至反應(yīng)器頂部的氣液分離器，經(jīng)氣液分離后液體通過(guò)回流管返回底部與進(jìn)水混合，形成內(nèi)循環(huán)過(guò)程，與此同時(shí)第一反應(yīng)器的出水進(jìn)入第二反應(yīng)室進(jìn)一步被處理，經(jīng)上述過(guò)程形成內(nèi)循環(huán)。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1示：

圖1　IC厭氧反應(yīng)器構(gòu)造原理圖

2　IC厭氧反應(yīng)器布水器新型結(jié)構(gòu)研發(fā)

2.1現(xiàn)有布水器存在的缺陷及不足

現(xiàn)有布水器由多組扇形葉片錯(cuò)位疊加而成，進(jìn)水口大小及布孔方式通過(guò)縫隙處墊片數(shù)量及位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是布水較均勻，布孔方式靈活，污泥顆粒不易被沖碎，但其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本較高等缺陷。此外，由于反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中部分污泥鈣化，失去活性，在離心力作用下，鈣化污泥將在反應(yīng)器桶壁與布水器之間區(qū)域堆積，形成死角，不易排出，同時(shí)鈣化污泥堆積將對(duì)進(jìn)水口產(chǎn)生堵塞，影響均勻布水，對(duì)反應(yīng)器正常運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。

2.2新型布水器結(jié)構(gòu)形式

針對(duì)現(xiàn)有布水器結(jié)構(gòu)存在的不足之處，本文在保證布水器使用功能的前提下，對(duì)布水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化現(xiàn)有布水器結(jié)構(gòu)，減弱或消除現(xiàn)有布水器所存在的排泥問(wèn)題。布水器結(jié)構(gòu)采用多層布孔方式，布孔數(shù)量、布孔層數(shù)、布孔角度、布孔直徑等均是新型布水器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。新型布水器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2示：

圖2　新型布水器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3新型布水器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

1）新型布水器布孔數(shù)量及層數(shù)。反應(yīng)器各布水孔出水的理想水力分布如圖3示：

圖3　布水孔出水理想水力分布示意圖

根據(jù)反應(yīng)器橫截面上各布水孔出水的理想水力分布可知，在某些區(qū)域會(huì)重疊布水，而有些區(qū)域卻沒(méi)有布水，在理論上要實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)器橫截面上絕對(duì)均勻布水是很難的，根據(jù)已有研究數(shù)據(jù)顯示，布水器布水孔均勻度隨進(jìn)水流速的增大而減小，隨布孔孔數(shù)的增大而增大，為適應(yīng)研究中布水器規(guī)格尺寸要求，提高布水均勻性，本文采用18孔3層布置方式。

2）新型布水器布水孔孔徑。為確定新型布水器布水孔孔徑及布孔角度，現(xiàn)采用數(shù)值分析法進(jìn)行研究，基于整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該研究對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型省略反應(yīng)器頂部結(jié)構(gòu)，以流量等參數(shù)方式反映在提升管及回流管中。數(shù)值分析采用k-ε湍流模型及粒子追蹤模型，其中回流管流量按進(jìn)水流量考慮，污泥顆粒以1.5 mm球形顆粒物代替，幾何模型如圖4示：

圖4　幾何模型

查閱相關(guān)資料及工程應(yīng)用，確定反應(yīng)器上升流速的大致范圍，根據(jù)流量、面積及速度之間的關(guān)系，確定孔徑尺寸范圍，選定某一孔徑，通過(guò)多次改變上升流速，觀察反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行，選定滿足污泥顆粒在第一反應(yīng)室內(nèi)均勻混合條件的上升流速，經(jīng)反演分析，最終確定該新型布水器的布水孔孔徑及上升流速。

3）新型布水器布水孔角度。為使污泥顆粒與廢水充分混合，新型布水器結(jié)構(gòu)采用傾斜布孔方式，使污泥顆粒旋轉(zhuǎn)上升最終達(dá)到懸浮平衡狀態(tài)。若切向速度大徑向速度小將導(dǎo)致混合液在離心力作用下向周邊聚集，形成漩渦狀，而切向速度小徑向速度大又將導(dǎo)致混合液向反應(yīng)器中心堆積。反應(yīng)器同一截面處在不同布水傾角作用下的流場(chǎng)分布效果如圖5示：

圖5　流場(chǎng)分布效果圖

圖5中徑向速度大小為a>c>b。為簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算過(guò)程，以上升為主旋轉(zhuǎn)為輔的原則，首先對(duì)進(jìn)水孔軸線與反應(yīng)器軸線之間的夾角進(jìn)行微調(diào)，經(jīng)數(shù)值分析確定較適宜的豎向夾角25°，然后對(duì)進(jìn)水孔軸線投影與該位置處切線方向的夾角進(jìn)行調(diào)整，為避免污泥顆粒在外環(huán)或內(nèi)部形成堆積，使三相物質(zhì)混合均勻，經(jīng)多次數(shù)值分析觀測(cè)確定布水孔三維角度。

2.4新型布水器使用性能分析

為確定新型布水器規(guī)格尺寸的適宜性，建立了選定布水器規(guī)格尺寸的反應(yīng)器數(shù)值模型，經(jīng)數(shù)值分析觀測(cè)三相物質(zhì)在第一反應(yīng)室的分布情況，并在第一反應(yīng)室頂部設(shè)置取樣截面，通過(guò)顆粒分布觀測(cè)及數(shù)量統(tǒng)計(jì)對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定量分析，驗(yàn)證該新型布水器使用性能。反應(yīng)器流場(chǎng)分析結(jié)果如圖6、圖7所示：

圖6　三相流流場(chǎng)分布

由圖6、圖7可知，反應(yīng)器內(nèi)三相物質(zhì)混合較均勻，且能較好地充滿第一反應(yīng)室。污泥顆粒整體滿足旋轉(zhuǎn)上升并最終達(dá)到平衡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該新型布水器滿足使用要求。

圖7　研究截面污泥顆粒數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線

3　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有布水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，存在排泥死角等缺陷，對(duì)現(xiàn)有布水器進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式改造，并通過(guò)數(shù)值分析確定新型布水器結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)反應(yīng)器氣-液-固三相流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，確定該新型布水器使用性能，經(jīng)驗(yàn)證，該新型布水器能滿足使用要求。

由分析流場(chǎng)分布特點(diǎn)可知，該新型布水器在布水孔位置、傾角及布水器坡度等方面還可以進(jìn)一步調(diào)整改善，以使新型布水器布水更加均勻，反應(yīng)器安裝更加合理。

（責(zé)任編輯趙其芬）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41272325）資助

作者簡(jiǎn)介：高志清（1990—），女，碩士研究生

收稿日期：2015-08-16

【中圖分類號(hào)】X703

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1009-6159（2016）-01-0015-03