好氧顆粒污泥的水力特性模擬

潘 金 鋒

(合肥市市政設計院有限公司，安徽 合肥 230041)

好氧顆粒污泥的水力特性模擬

潘 金 鋒

(合肥市市政設計院有限公司，安徽 合肥 230041)

在不同雷諾數(shù)和多種顆粒基本粒徑的條件下，對單個的好氧顆粒污泥進行水力特性的數(shù)值模擬，對比分析顆粒周圍以及內(nèi)部的流速場和剪切速率場分布。運用CFX軟件得到了速度分布和剪切速率分布的云圖，模擬出了顆粒內(nèi)部的傳輸速度隨著雷諾數(shù)以及孔隙率的增大而增大，而剪切速率的大小只與雷諾數(shù)有關，與孔隙率大小無關。

好氧顆粒污泥，雷諾數(shù)，剪切速率

好氧顆粒污泥的水動力學行為對顆粒氧氣及其基質(zhì)的傳質(zhì)有著深遠的影響。但由于其多孔的特性及反應器復雜的水動力學行為，關于好氧顆粒污泥的水動力學行為的研究還遠遠不夠，且大部分的研究都停留在宏觀層面即反應器，對于其微觀層面還有待深入。然而，隨著計算機和計算流體力學的不斷發(fā)展與進步，使得直接利用流體的控制方程進行數(shù)值研究成為可能。本章利用CFX14.0軟件模擬并分析了單個顆粒在不同雷諾數(shù)(Re)，以及滲透系數(shù)下周圍以及內(nèi)部流體的速度場分布、顆粒剪切速率分布情況，為更好地控制反應器的操作條件以及進行好氧顆粒污泥的規(guī)模化應用提供科學依據(jù)和理論指導。

1 模型的建立

1.1 模型假設

某一直徑d的好氧顆粒污泥以一恒定速度u∞穿過足夠大的靜止牛頓流體，在CFD模擬中假設好氧顆粒污泥固定在一足夠大的圓柱形水流中，水流以恒定u流過顆粒。好氧顆粒污泥的直徑取為3 mm，模型模擬的區(qū)域是一個直徑為22 mm，長度為22 mm的圓柱形區(qū)域。根據(jù)以上假設，得到模型見圖1，箭頭方向表示水流方向。

1.2 控制方程[1，2]

顆粒周圍的流場的控制方程如下：

(1)

此外，顆粒內(nèi)部流體的控制方程遵循Darcy-Brinkman方程：

(2)

(3)

γ=(1-ε)1/3

(4)

其中，dp為組成微生物顆粒基本粒子的粒徑。本文取dp為1 μm，20 μm[3]。顆粒孔隙率的計算公式為[4]：

(5)

其中，ε為顆粒的孔隙率；f為顆粒濕重與干重比例；ρg為顆粒密度，本研究取1 057 kg/m3[5]；d為顆粒粒徑；D為分形維數(shù)，本研究取2.65[4]；B為常數(shù)，本研究取0.01[4]。

根據(jù)分形理論，顆粒干重和顆粒直徑的關系可以描述為：

Wd=BdD

(6)

Li和Yuan[6]通過使用新鮮的E.coli細胞估計顆粒干重與濕重的比值(f)。經(jīng)過10次重復測量，發(fā)現(xiàn)f值在2.84～4.26之間變化，并最終取平均值3.45作為顆粒的干重與濕重的比值。本研究采用f=3.45。

顆粒的剪切速率根據(jù)應變張量的向量2范數(shù)定義如下：

(7)

其中，S為剪切速率。

1.3 邊界條件

(8)

其中，rg為顆粒的半徑。從式中可以看出，無窮遠處的流場并不受顆粒的影響，此外，球體表面的流速梯度是連續(xù)的。簡單而言，顆粒內(nèi)外的流體粘度是一樣的。

2 結果與討論

本章利用軟件FLUENT14.0對上述的控制方程以及相關邊界條件進行數(shù)值模擬，此外，本研究選用了兩種不同數(shù)量級的雷諾數(shù)進行模擬分別是10，100，模擬結果如圖2，圖3所示。

2.1 速度場分析

如圖2所示，顯示了在雷諾數(shù)(Re)分別為10，100以及微生物顆粒基本粒子粒徑(dp)為1 μm，20 μm條件下，單個顆粒周圍速度場的分布云圖。圖中不同的速度大小用不同的顏色表示區(qū)分，顆粒周圍有明顯的速度梯度。因為顆粒具有相當大的空隙，考慮其滲透性，所以顆粒內(nèi)部也會有流體流入和流出。從圖中可以看出，Re大小的不同主要影響的是顆粒周圍環(huán)境的速度場的變化，而dp大小的不同主要影響了顆粒內(nèi)部速度場的變化。對比Re的變化，從圖2a),圖2c)或圖2b),圖2d)兩幅圖中可以看出，當dp相同時，顆粒外部的速度場隨著Re的增大而增大，并且顆粒后部尾跡隨著Re的增大影響范圍變小，速度層之間變密，速度梯度變大。對比dp的變化，從圖2a),圖2b)或圖2c),圖2d)兩幅圖中可以看出，當Re相同時，圖中速度最小點在顆粒內(nèi)部，對比速度標簽可以發(fā)現(xiàn)顆粒內(nèi)部的速度場隨著Re的增大而增大。另外，在圖2b)中可以看出在Re較小時通過增大dp可以使得顆粒內(nèi)部的速度達到圖2c)中的速度量級，由此可以判斷dp對顆粒孔隙以及滲透性的大小有著重要影響。這說明顆粒內(nèi)部流體的流速與顆粒的滲透性有很大的關系，滲透性的增加在一定程度上也有利于好氧顆粒污泥內(nèi)部對流的增強，從而加速好氧顆粒污泥的氧氣以及基質(zhì)的傳質(zhì)效率。

2.2 剪切速率分析

水力剪切作用對顆粒污泥的形成，穩(wěn)定性以及結構都有著密切關系，圖3顯示了在雷諾數(shù)(Re)分別為10，100以及微生物顆粒基本粒子粒徑(dp)為1 μm，20 μm條件下，單個顆粒周圍剪切速率場的分布云圖。從圖中看出，顆粒的剪切速率主要分布在迎水面和側(cè)面，背水面的剪切速率很小。對比圖3a),圖3c)可知，當dp為1 μm，Re從10增加到100時，顆粒受到的最大剪切速率增加了一個量級，而當Re保持不變，dp增加時，顆粒受到的最大剪切速率基本保持不變，這說明剪切速率的大小主要受到流體流速的影響，而顆粒滲透性對其的影響微乎其微，甚至可以忽略。

3 結語

本研究通過利用CFX，采用數(shù)值模擬的辦法研究了單個顆粒污泥在不同雷諾數(shù)(Re)以及微生物顆粒基本粒子粒徑(dp)下，周圍以及內(nèi)部流體的速度場分布、顆粒剪切速率分布情況。通過模擬結果可知，顆粒周圍流體流速的增加有利于增強顆粒內(nèi)部對流，從而促進好氧顆粒污泥內(nèi)部與外界物質(zhì)的傳輸；此外，通過對比不同情況下剪切速率的分布，可以發(fā)現(xiàn)顆粒周圍流體流速的增加與顆粒受到剪切速率的大小有著密切聯(lián)系，而剪切速率對顆粒本身滲透性敏感程度不高。

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Simulation on hydraulic characteristics of aerobic granular sludge

Pan Jinfeng

(HefeiMunicipalDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230041,China)

Under the condition of different reynolds number and basic particle size, the paper carries out hydraulic characteristic numerical simulation of single granular sludge, and comparatively analyzes particles surrounding and internal velocity field and shearing rate distribution, obtains speed distribution and shearing rate distribution nephogram by applying CFX software, and finds out that: the internal particle transmission speed increases with reynolds number and porosity; while shearing rate just depends on reynolds number rather than porosity.

aerobic granular sludge， reynolds number， shearing rate

2015-04-08

潘金鋒(1976- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)17-0096-02

X703.1

A