于興峰， 劉永紅， 蔡會(huì)勇， 郭莉萍

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

?

基于Fluent的UASB反應(yīng)器流態(tài)模擬研究

于興峰， 劉永紅， 蔡會(huì)勇， 郭莉萍

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

文章利用Fluent軟件對(duì)15.4 L的升式厭流氧污泥床反應(yīng)器內(nèi)氣液流動(dòng)狀況進(jìn)行了研究?？疾炝嗽诓煌M(jìn)水流量下該反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的變化情況和三相分離器角度變化對(duì)反應(yīng)器水力混合狀況的影響。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)： 1)在三相分離器角度為50o的情況下，當(dāng)進(jìn)水流量(0.0171，0.0213，0.0257，0.03 m3·d-1)為0.0213 ～ 0.0257 m3·d-1時(shí)，該反應(yīng)器內(nèi)水力混合狀況最佳； 2)在進(jìn)水流量為0.0213 m3·d-1情況下，當(dāng)三相分離器角度(45°，50°，55°，60°)為50o時(shí)，該反應(yīng)器內(nèi)水力混合狀況最佳。

UASB反應(yīng)器； 氣液兩相流； 數(shù)值模擬； 三相分離器

升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(upflow anaerobic sludge blanket reactor，簡(jiǎn)稱UASB)是由Lettinga教授于1970年開(kāi)發(fā)的第二代厭氧生物反應(yīng)器，目前在廢水處理領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用[1]。然而由于該反應(yīng)器內(nèi)部氣固液三相流動(dòng)的復(fù)雜性，工業(yè)UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本依靠一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，其操作條件的控制也存在相當(dāng)?shù)拿つ啃訹2-3]。近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)開(kāi)始應(yīng)用于厭氧反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的研究，通過(guò)數(shù)值模擬為厭氧反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定幫助。例如，全麗君[4]利用Fluent考察了三相分離器角度變化對(duì)厭氧顆粒污泥和廢水分離效果的影響；蔡會(huì)勇[5]考察了提升管直徑和反應(yīng)器容積負(fù)荷變化對(duì)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)量的影響。

傳統(tǒng)經(jīng)典三傳過(guò)程理論認(rèn)為，反應(yīng)器內(nèi)部水力混合效果良好將有利于固液之間的傳質(zhì)，同時(shí)也是反應(yīng)器高效運(yùn)行的必要條件[6]。

因此，本文將使用Fluent軟件對(duì)UASB反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)狀況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，主要考察進(jìn)水流量的變化和三相分離器角度的變化對(duì)該反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)狀況的影響，以期為UASB反應(yīng)器操作條件的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒。

1 模型建立

1.1 Fluent模擬對(duì)象與初始條件的確定

模擬對(duì)象為15.4 L的UASB反應(yīng)器(高834 mm，直徑180 mm)，初始液位608 mm[7]。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。參考相關(guān)研究[5]，假定反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度為4000 mg·L-1，去除率為90%，運(yùn)行溫度為35 ℃。

1.廢水； 2.污泥床區(qū)； 3.懸浮層區(qū)； 4.三相分離器； 5.沼氣圖1 UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 多相流模型

參考相關(guān)研究[8-9]，模擬過(guò)程中將氣固液三相流簡(jiǎn)化為氣液兩相流，運(yùn)用歐拉數(shù)學(xué)模型描述氣液兩相流，同時(shí)以空氣模擬沼氣，清水模擬廢水。此外假設(shè)水為連續(xù)相，空氣為離散相，水和空氣是相互滲透的擬流體，不考慮溫度和傳熱的影響。

此時(shí)多相流控制方程如下[10]：

動(dòng)量守恒方程：

▽·τs+μspsg+T

(1)

式中：μ為體積分?jǐn)?shù)，為密度，kg·m-3；p為流體速度，m/s；ls為壓力應(yīng)變張量，p為p第相，s為s第相，T為相間作用力，N。

質(zhì)量方程：

(2)

(3)

相間動(dòng)量轉(zhuǎn)換方程：

(4)

式中：ksp為s相和p相之間動(dòng)量交換系數(shù)，f為曳力系數(shù)，τ為粒子松弛時(shí)間，s。參考相關(guān)研究[11]，該文只考慮相間拽力，其它作用力較小，忽略不計(jì)。拽力系數(shù)采用SchillerandNaumann對(duì)稱模型[12]。

1.3 模擬參數(shù)的設(shè)置與確定

邊界條件：氣相入口采用速度入口Velocity-inlet，氣相出口采用Pressure-outlet。反應(yīng)器固壁均設(shè)為wall，采用無(wú)滑移壁面條件。

初始條件：水為主相，空氣為次要相。patch液體高度為608mm，液面以上氣相體積分?jǐn)?shù)為1。

用gambit6.3進(jìn)行幾何模型建立和網(wǎng)格的劃分。當(dāng)劃分網(wǎng)格數(shù)為21414時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加該反應(yīng)器上端出口氣相速度達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)滿足精度要求[12]。

文章采用非耦合求解。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s，計(jì)算至殘差收斂且該反應(yīng)器上端出口氣相速度達(dá)到穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)束。離散方法均采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方法采用SIMPLE。近壁處理方法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[12]。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同進(jìn)水流量對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的影響

在4個(gè)不同進(jìn)水流量(0.0171,0.0213,0.0257,0.03m3·d-1)下，運(yùn)用Fluent對(duì)15.4L的UASB反應(yīng)器(三相分離器角度為50o)的流動(dòng)狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)該反應(yīng)器底部液相速度矢量分布如圖2～圖5所示。其中顏色的深淺表示不同的液相速度，顏色較深表示較高液相速度，顏色較淺表示較低液相速度，液相速度單位為m·s-1。

圖2 水流量為0.0171 m3·d-1反應(yīng)器底部液相速度

圖3 水流量為0.0213 m3·d-1反應(yīng)器底部液相速度

圖4 水流量為0.0257 m3·d-1反應(yīng)器底部液相速度

圖5 水流量為0. 03 m3·d-1反應(yīng)器底部液相速度

由圖2可知，當(dāng)進(jìn)水流量為0.0171 m3·d-1時(shí)，該反應(yīng)器底部沒(méi)有出現(xiàn)明顯的旋渦。這是由于液體表面上升流速較小，液體對(duì)該反應(yīng)器底部擾動(dòng)作用較小，此時(shí)反應(yīng)器的膨脹率較低，不利于顆粒污泥和廢水之間的混合。當(dāng)進(jìn)水流量分別增加到0.0213，0.0257，0.03 m3·d-1時(shí)，該反應(yīng)器底部水力攪拌作用加強(qiáng)，形成明顯的旋渦。液體表面上升流速較高，使反應(yīng)器的膨脹率控制在一定范圍內(nèi)，極大強(qiáng)化了反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程[13]。

此時(shí)在不同進(jìn)水流量下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)該反應(yīng)器三相分離器附近液相速度矢量分布如圖6～圖9所示。

由圖可知，圖6和圖9三相分離器下部液相速度(0.0318 ～0.0787 m·s-1)較圖7和圖8大，并且形成了明顯的旋渦。說(shuō)明圖6和圖9三相分離器下部水力攪拌作用較強(qiáng)烈，這樣非常不利于顆粒污泥沉淀到污泥床區(qū)。

圖6 水流量為0.0171 m3·d-1三相分離器附近液相速度

圖7 水流量為0.0213 m3·d-1三相分離器附近液相速度

圖8 水流量為0.0257 m3·d-1三相分離器附近液相速度

圖9 水流量為0.03 m3·d-1，三相分離器附近液相速度

綜上所述，在三相分離器的角度取50°時(shí)，進(jìn)水流量為0.0213 ～ 0.0257 m3·d-1(此時(shí)對(duì)應(yīng)容積負(fù)荷為5 ～ 6 kgCOD·m-3d-1)時(shí)，該反應(yīng)器內(nèi)水力混合效果較好且三相分離器的分離效果較好。

2.2 三相分離器角度變化對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的影響

三相分離器是UASB反應(yīng)器的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞決定著反應(yīng)器處理效果[14]。在該反應(yīng)器進(jìn)水流量為0.0213 m3·d-1，筆者將通過(guò)改變?nèi)喾蛛x器的角度(45°，50°，55°，60°)[15]考察對(duì)該UASB反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)特性的影響。

不同三相分離器角度下該反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度分布如圖10～圖13所示。其中顏色的深淺表示不同的湍流強(qiáng)度，顏色較深表示較高的湍流強(qiáng)度，顏色較淺表示較低的湍流強(qiáng)度。

由圖中可以看出，中軸線附近湍流強(qiáng)度較大，中軸線到器壁湍流強(qiáng)度有所減小。圖11反應(yīng)器污泥床區(qū)的湍流強(qiáng)度比圖10和圖12強(qiáng)，反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥膨脹效果較好，反應(yīng)器的有效空間得到充分利用，這樣提高了廢水的處理效率。圖12三相分離器折射板下部湍流強(qiáng)度較大，不利于顆粒污泥沉淀到污泥床層區(qū)。圖13由于三相分離器角度過(guò)大，中軸線有一段湍流強(qiáng)度大小不連續(xù)，水力混合狀況較差，不利于顆粒污泥和廢水的傳質(zhì)。

綜上所述，在進(jìn)水流量為0.0213 m3·d-1(此時(shí)對(duì)應(yīng)容積負(fù)荷為5 kgCOD·m-3d-1)時(shí)，三相分離器角度為50°時(shí)，該反應(yīng)器內(nèi)水力混合效果較好且三相分離器分離效果較好。

圖10 三相分離器45°反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度分布

圖11 三相分離器50°反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度分布

圖12 三相分離器55°反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度分布

圖13 三相分離器60°，反應(yīng)器內(nèi)湍流強(qiáng)度分布

3 小結(jié)

文章運(yùn)用Fluent軟件對(duì)UASB反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)展開(kāi)數(shù)值模擬研究，考察了在不同進(jìn)水流量下該反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的變化情況和三相分離器角度變化對(duì)該反應(yīng)器水力混合狀況的影響。該軟件在厭氧反應(yīng)器操作條件的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 王凱軍,左劍惡,甘海南,等. UASB工藝的理論與工程實(shí)踐[M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2000:16-20.

[2] 劉永紅,周孝德,賀延齡. 高效厭氧反應(yīng)器流態(tài)與顆粒污泥流體力學(xué)特性研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展,2010,29(1):163-167.

[3] 胡紀(jì)萃. 內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算方法的探討[J]. 中國(guó)沼氣,2011,29(1):3-6.

[4] 全麗君. CFD對(duì)UASB反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)的模擬研究[D]. 湖南大學(xué),2012:34-38.

[5] 蔡會(huì)勇,劉永紅,李 婷,等. 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器Fluent數(shù)值模擬與優(yōu)化[J]. 化工進(jìn)展,2014,33(12):3210-3214.

[6] Nicolella C, van Loosdrecht M.C M, Heijnen J S, et al. Particle-based biofilm reactor technology[J]. Trends in Biotechnology, 2000, 18(7): 312-320.

[7] 葉群峰. 升流式厭氧污泥床(UASB)數(shù)值模擬及流態(tài)分析[D]. 鄭州:鄭州大學(xué),2002:67-71.

[8] 李 敏,王光謙,占樹(shù)華,等. 內(nèi)循環(huán)生物流化床反應(yīng)器流體力學(xué)特性的數(shù)值模擬[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(3):400-404.

[9] Simcik M, Mota A, Ruzicka M C, et al. CFD simulation and experimental measurement of gas holdup and liquid interstitial velocity in internal loop airlift reactor[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(7): 3268-3279.

[10] 江 帆,黃 鵬. Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2008:149-156.

[11] Sanyal J, VaHsguez S, Roy S. Numerical simulation of gas-liquid dynamics in cylindrical bubble column reactors[J]. Chemical Engineering Science, 1999, 54: 5071-5083.

[12] 朱家亮,陳祥佳,張 濤,等. 基于CFD的內(nèi)構(gòu)件強(qiáng)化內(nèi)循環(huán)流化床流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(6):1212-1219.

[13] Liu Y, Xu H L, Show K Y, et al. anaerobic granulation technology for wastewater treatment[J]. World J Microbiol Biotechnol, 2002, 18(2): 99-113.

[14] 王凱軍. 厭氧工藝的發(fā)展和新型厭氧反應(yīng)器[J]. 環(huán)境科學(xué),1998,9(1):94-96.

[15] 胡紀(jì)萃. UASB反應(yīng)器三相分離器的設(shè)計(jì)方法[J]. 中國(guó)沼氣,1992,10(3):5-9.

Simulation Analysis of Upflow Anaerobic Sludge Blanket by Fluent Method /

YU Xing-Feng, LIU Yong-hong, CAI Hui-yong, GUO Li-ping /

(College of Environmental & Chemical Enginering，Xi'an Polytechnic University，Xian 710048，China)

The process of gas-liquid two-phase flow in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor (15.4 L) was simulated by Fluent software. The influence of different influent flow rate on flow field, and different three-phase separator folding angle on hydraulic mixing characteristics in the reactor, were investigated. The comparison and analysis of the simulation results showed that: 1. When the three-phase separator folding angle was 50°, the influent flow rate of 0.0213～0.0257 m3·d-1obtained the best hydraulic mixing in reactor; 2. When the influent flow rate was 0.0213 m3·d-1, and three-phase separator folding angle of 50°, the system had the best hydraulic mixing characteristics.

UASB reactor; gas-liquid flow; numerical simulation; three-phase separator

2015-06-13

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21176197)； 國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07212-002-002)； 陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTZB03-03-01)； 陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2008k07-14)

于興峰(1990-)，男，安徽省阜陽(yáng)市人，碩士，主要從事厭氧反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作，E-mail:yuxingfeng257@139.com

劉永紅，E-mail: liuyhxa@hotmail.com

X703.3

B

1000-1166(2016)04-0041-04