不同污泥高度下ABR液相流場特性試驗研究

王榮麟，李開世，黃文權，董亮

四川理工學院，過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000

不同污泥高度下ABR液相流場特性試驗研究

王榮麟，李開世*，黃文權，董亮

四川理工學院，過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川 自貢 643000

在厭氧折流板反應器(ABR)不同進水流量(150～500 L/h)和不同污泥高度(0～45 mm)的組合工況下，利用激光粒子圖像測速技術(PIV)研究了ABR第一隔室內部的液相流場特性，獲得了反應器關鍵截面的液相流場數據。結果表明：在污泥高度為0 mm時，ABR降流區徑向平均速度隨進水流量的增加呈先下降后增加再下降趨勢；污泥高度為15 mm時，軸向平均速度隨進水流量的增加呈先下降后增長趨勢；平均渦量隨進水流量的增加呈逐漸增加趨勢。升流區徑向和軸向平均速度隨進水流量呈波動趨勢。降流區的返混程度隨污泥高度的增加而增大，矢量速度高速區集中在降流區距進水口180～250 mm處。升流區渦核數量隨污泥高度增加而增加，矢量速度高速區集中在下部0～20 mm處。

粒子圖像測速技術(PIV)；ABR；污泥高度；液相流場

近年來,厭氧折流板反應器(ABR)在高濃度、難降解有機廢水處理中得到應用開發,在反應器中設置豎向導流板,將反應器分隔成多個隔室,污水沿反應器內的折流板上下折流前進,污泥則在各隔室內做沉降運動。大量厭氧污泥被截留在反應器中,使ABR具有耐沖擊負荷強、水力停留時間(HRT)短和處理效率高等優點[1-3]。其內部的流體動力學特性控制著反應器內的物質傳輸，決定著目標污染物與反應器中微生物的接觸程度，從而影響整個反應器的處理效果，因此水力特性是反映其性能的一個重要指標[4]。周冬卉等[4]研究了HRT對ABR水力特性的影響，發現反應器內污泥顆粒的分布范圍受HRT影響顯著，HRT過短或過長均不利于提高反應器的處理效率。徐金蘭等[5]研究了不同進水COD下ABR的水力特性，發現進水COD不同時反應器的RTD(停留時間分布)曲線相似，表明進水COD不是影響ABR水力特性的主要因素。Young等[6]研究了HRT對反應器水力特性的影響，發現水力死區隨雷諾數的增加而增加，系統內部推流影響的加強與介質的比表面積有關。但是,國內外學者對不同污泥高度下ABR的液相流場特性研究較少。

激光粒子圖像測速技術(PIV)是20世紀70年代發展起來的一種測試流體力學的方法，該技術不僅能夠提供瞬時流場的定量信息，而且能顯示流場流動的物理形態，使流動可視化的研究飛速發展，是現今流體力學試驗發展的一個里程碑[7-10]。Kosiwczuk等[11]應用熒光圖像法同時測量液滴和氣相的速度場，通過超聲波噴嘴產生的30～40 μm直徑的液滴注射到氣體流中獲得了初步試驗結果，證明了該方法的潛力。萬甜等[12]運用粒子圖像測速方法對曝氣池內氣液兩相流場做了較為系統的研究，結果表明，當氣液兩相流處于浮射流時，氣泡在裝置中具有最長的停留時間和較大的速度紊動強度，氧轉移速率和效率大大提高。李春麗等[13]基于PIV技術對膜生物反應器流場動力特性進行了試驗研究，結果表明，曝氣強度對液相流場和渦量場的影響較大，在一定范圍內增加曝氣強度可使液相速度和渦量增加。董亮等[14]基于PIV下HABR(復合式厭氧折流板反應器)填料對液相流態的影響進行了試驗研究，結果表明，合理的填料類型可以保證良好的進水流態，反應器填充懸浮球填料時，其整體流態最佳。但是，國內外學者將PIV技術應用于ABR對不同污泥高度下的液相流場特性研究較少。筆者基于PIV技術對ABR在不同污泥高度下的液相流場特性進行了測試與分析，通過合理控制反應器內部污泥高度，以期為ABR的優化設計提供試驗依據。

1 裝置和方法

1.1試驗系統

試驗所用的ABR測試系統主要由進出水系統、ABR、激光系統、CCD攝像系統和圖像處理系統等組成〔圖1(a)〕。ABR由5個結構完全相同的隔室串聯而成。本文研究了ABR的第一隔室內部的液相流場特性，隔室尺寸為0.455m×0.39m×0.52m。在進水通往升流區底部設有一個45°的折流板，底隙為12mm。在升流區下部設有一個30°倒角的導流板，尺寸為0.15m×0.39m×0.12m。反應器的單個隔室有效容積為85L，ABR總有效容積為425L。

圖1 試驗測試系統流程和拍攝區域Fig.1 Flow chart of experimental testing system and capture region

進水采用自來水。沼氣用外加空氣的方式來模擬,試驗前將進水箱不斷曝氣使空氣在液體中過飽和，因沼氣和空氣都難溶于水，且有很好的相似性，故以收集空氣的體積作為產沼氣的量[15]。在本試驗中使用陰離子交換樹脂來模擬ABR內液相流場中的實際污泥，反應器內真實顆粒污泥粒徑(0.5～3.0mm)與樹脂粒徑(0.3～1.2mm)接近，顆粒污泥濕真密度(1.025×103～1.080×103kg/m3)與樹脂濕真密度(1.06×103～1.10×103kg/m3)也非常接近，二者具有較強的相似性，故采用樹脂的等體積當量直徑來代替反應器內實際顆粒污泥的直徑[16-18]。反應器內部的污泥高度采取0(無污泥)、15、30和45mm4個工況。預試驗發現，污泥高度過大時，進水的沖擊作用使污泥大量懸浮，將會阻礙相機拍攝和激光照射，為了保證PIV系統有較好的照明和拍攝條件，本試驗僅選取最高污泥高度為45mm。

1.2PIV試驗測試系統

試驗采用丹麥Dantec公司生產的PIV系統，其中包括2個激光發射器。激光束波長為532nm，能量為200mJ/脈沖，脈寬為6～8ns；同步器實現外部脈沖信號對系統的同步觸發；CCD相機采樣速率為16幀/s，分辨率像素為2048×2048。示蹤劑選用羅丹明B，該顆粒粒徑較小，粒子密度與水密度接近，且具有對流場良好的跟隨性[19-20]，示蹤粒子對液相速度和黏度的影響可忽略不計。

1.3試驗方案

試驗在進水流量分別為150、200、250、300、350、400、450、500L/h，污泥高度分別為0、15、30、45mm組合的32種工況下進行。反應器正面設置一個CCD相機拍攝液相流場，PIV激光光源從反應器左側進入，如圖1(a)所示。拍攝區域長455mm，高70～320mm，如圖1(b)所示，拍攝斷面取距拍攝正面100mm處，應用DynamicStudio軟件進行后處理，采用自適應互相關算法分析關鍵截面的液相流場特性。

2 結果與分析

2.1ABR降流區液相流場特性

圖2給出了ABR在不同進水流量和污泥高度組合的工況下，降流區不同污泥高度下的液體徑向、軸向平均速度和平均渦量隨進水流量的變化。

圖2 不同污泥高度下降流區液體徑向、軸向平均速度和渦量隨進水流量的變化Fig.2 The curves of radial and axial mean velocity and vorticity change with inflow rate in down-flow zone at different sludge heights

由圖2(a)可以看出，無污泥時，降流區徑向平均速度隨進水流量的增加呈先下降后增加再下降的趨勢，進水流量為350L/h時，徑向平均速度達到最大值。分析其原因可知，進水從降流區下降通過折流板流至升流區，液體流態主要受ABR結構(如進水噴嘴、導流板長度和角度、底縫高度和折流板角度等)的影響，部分液體沒有通過折流板則回流與進水混合形成返混，降低降流區徑向速度。

由圖2(b)可見，污泥高度為15mm時軸向平均速度隨進水流量的增加呈先下降后增長的趨勢。在反應器內部污泥高度為30mm時其增長過程比污泥高度為15mm時更加明顯。進水流量相同時，污泥高度為30mm時的軸向平均速度比其他工況更大。分析其原因，反應器內部污泥堵塞使大部分液體不能流進升流區，返混現象隨著進水流量的增大而加強，與圖2(a)結果吻合。

由圖2(c)可以看出，污泥高度為15mm時，平均渦量隨進水流量的增加呈逐漸增加趨勢，與污泥高度為30和45mm趨勢相反。污泥高度為0mm時，平均渦量隨進水流量波動且波動幅度較大，在進水流量為350L/h時達到最小值，同時也是所有工況下的最小值，該處液相流場矢量速度方向變化最為明顯，形成渦漩和返混現象。

研究表明[4,21]，降流區的水流速度隨深度分布均勻，HRT的變化對其影響不大，該結論與本試驗存在一定的差異。其原因是模擬只考慮到進水流量對流態的影響，未考慮污泥高度對降流區流態的影響，可見，污泥高度也是影響反應器內部降流區流態特性的重要因素。

2.2ABR升流區液相流場特性

圖3為不同污泥高度下，ABR升流區液體徑向、軸向平均速度和平均渦量隨進水流量的變化。

圖3 不同污泥高度下升流區液體徑向、軸向平均速度和平均渦量隨進水流量的變化Fig.3 The curves of radial and axial mean velocity and vorticity change with inflow rate in up-flow zone at different sludge heights

由圖3(a)和(b)可以看出，升流區徑向和軸向平均速度隨進水流量的增加呈波動趨勢。由圖3(c)可以看出，反應器內部污泥高度為45mm時平均渦量隨進水流量的增加呈波動趨勢，相比其他工況，該工況下平均渦量變化最明顯，在進水流量相同時，升流區的渦核更容易形成。分析其原因，進水在降流區下降，部分隨著折流板返混出現了回流和返混現象；另一部分穿過污泥床層，污泥的懸浮使升流區流態極其復雜，出現了渦漩現象。

研究表明[4,6]，HRT和填料是升流區流態的主要影響因素，而污泥床層作為降流區和升流區的過渡區域，有較強的堵塞作用，影響降流區流態的同時也直接影響升流區的流態。

2.3關鍵截面的液相流場特性

由2.1節可見，進水流量為350 L/h時液相流場矢量速度方向變化最為明顯。限于篇幅，本文只在該進水流量下對不同污泥高度下截面的液相流場特性做微觀分析，結果如圖4所示。

圖4 反應器在不同污泥高度下的矢量速度、流線和渦量Fig.4 The vector velocity diagram, streamline diagram and vorticity diagram of the reactor at different sludge heights

污泥高度為0 mm時,該截面的液相流場特性如圖4(a)～(c)所示。由圖4(a)可見，在該工況下液相高速區主要集中在降流區左邊壁區域，低速區集中在降流區右邊壁和整個升流區，該工況下液體流線圖紊亂。由圖4(c)可見，在降流區中部、下部和升流區中上部均有幾處渦核(藍色點狀即為渦核)。分析其原因為液體沿折流板穿過污泥床后，沿導流板快速上升，此時沒有污泥堵塞，整個升流區為自由流動區，液相流態主要受ABR結構(進水噴嘴、污泥高度、導流板長度和角度、底縫高度和折流板角度等)的影響，回流和返混使降流區成為液相高速區并生成渦核。

反應器內部污泥高度為15 mm時，該截面的液相流場特性如圖4(d)～(f)所示。由圖4(d)可見，在該工況下液相高速區主要是集中在降流區左邊壁區域進水口處，降流區中部、下部和升流區流速皆處于低速區，由圖4(e)可見，入水口處呈明顯返混影響，隨著污泥高度的增加，降流區的返混現象也有所增強。由圖4(f)可見，在降流區下部有幾處渦核，升流區內無渦核。分析其原因，反應器內部污泥高度和底隙高度相差不大時，污泥會堵塞液相流動，進水在流經折流板時被污泥堵塞使大部分液體不能流進升流區而形成回流和返混現象，并與降流區的進水混合形成漩渦。

反應器內部污泥高度為30 mm時該截面的液相流場特性如圖4(g) ～(i)所示。由圖4(g)可見，該工況與污泥高度為15 mm工況相差不大，矢量速度高速區主要集中在降流區左邊壁區域進水口處，圖4(i)顯示除了降流區有渦核外，升流區中下部有幾處明顯渦核。其原因是污泥的增多間接地改變升流區液相流場，降流區部分液體回流，另一部分液體沿折流板穿過污泥層流至升流區，這與反應器內部結構和污泥高度線性相關。

反應器內部污泥高度為45 mm時該截面的液相流場特性如圖4(j)～(l)所示。由圖4(j)可見，該工況下矢量速度高速區分布在降流區距進水口180～250 mm處，同時升流區下部皆是水流動高速區，矢量速度高速區分布在下部0～20 mm處。由圖4(k)可見，升流區下部形成了高速區。由圖4(l)可見，該工況下降流區和升流區中上部均形成渦核。其原因是未通過折流板的液體迅速回流使降流區底部形成水流高速區，并與進水返混形成局部漩渦；另一部分液體穿過污泥層流向升流區，使升流區下部變為高速區，污泥的懸浮使得升流區流態極其復雜，中上部出現渦漩現象。

ABR動力學研究方法主要有示蹤劑法[22-23]、CFD模擬和PIV試驗法等。示蹤劑法大多研究ABR的水力死區，并認為流體呈推流狀態，該方法具有較大的局限性；CFD模擬在未考慮污泥和沼氣的工況下較好地反映了ABR的流態特性；PIV試驗法則能彌補示蹤劑法和CFD模擬的缺陷，能更真實地模擬ABR內部的流態特性。影響ABR流態的因素主要有HRT、反應器結構(長/寬/高之比、升流區和降流區之比)、進水管布置、導流板結構(長度和角度)、底縫高度、折流板結構(角度和高度)和污泥高度等。通過PIV試驗法研究不同污泥高度下反應器內部的流態特性，在其他因素不變的情況下，污泥高度的變化對流態的影響較為顯著，表明控制好污泥高度有助于開發新型高效的厭氧反應器。

3 結論

(1)ABR降流區在污泥高度為0mm時，徑向平均速度隨進水流量的增加呈先下降后增加再下降趨勢。污泥高度為15mm時軸向平均速度隨進水流量的增加呈先下降后增長趨勢。污泥高度為0mm時，平均渦量隨進水流量的增加呈波動趨勢且波動幅度較大，進水流量為350L/h時達到最小值。污泥高度為15mm時平均渦量隨進水流量的增加呈逐漸增加趨勢。

(2)ABR升流區徑向和軸向平均速度隨進水流量的增加呈波動趨勢。反應器內部污泥高度為45mm時平均渦量隨進水流量的增加波動趨勢較其他工況更為明顯且波動幅度較大，在進水流量相同時，升流區渦核更容易形成。

(3)ABR內部的流態特性與進水流量和污泥高度的變化有重要的聯系，不同污泥高度和不同進水流量對反應器內部的液相速度、平均渦量和液相流場的影響不同：當進水流量相同時，反應器內部的流態特性隨污泥高度變化；降流區的返混程度隨污泥高度的增加而增大，矢量速度高速區集中在降流區距進水口180～250mm處；升流區渦核數量隨污泥高度增高而增加，矢量速度高速區集中在下部0～20mm處。

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ExperimentalresearchonliquidflowfieldcharacteristicsofABRatdifferentsludgeheight

WANG Ronglin, LI Kaishi, HUANG Wenquan, DONG Liang

Sichuan Key Laboratory of Process Equipments and Control Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China

Different influent flow rates of 150-500 L/h and different sludge heights of 0-45 mm were combined in anaerobic baffled reactor (ABR).The liquid phase flow characteristics in the first compartment of ABR were investigated by laser particle image velocimetry (PIV), and the liquid phase flow field of the critical section of the reactor obtained. The results showed that when the sludge height was 0 mm, the radial mean velocity of the ABR down-flow zone decreased first, then increased and finally decreased with the increase of inflow rate; when the sludge height was 15 mm, the axial mean velocity decreased first and then increased with the increase of inflow. The vorticity intensity increased gradually with the water inflow, and the radial and axial mean velocities fluctuated upward and downward with the increase of inflow. With the increase of sludge, the degree of back flow in the down-flow zone became larger. The high vector velocity area was concentrated on the 180-250 mm away from the inlet of the down-flow zone. The number of vortex cores increased with the increase of sludge height, and the high vector velocity area was concentrated on the lower part of 0-20 mm.

particle image velocimetry (PIV); ABR; sludge height; liquid flow field

王榮麟，李開世，黃文權,等.不同污泥高度下ABR液相流場特性試驗研究[J].環境工程技術學報,2017,7(6):726-732.

WANG R L，LI K S，HUANG W Q, et al.Experimental research on liquid flow field characteristics of ABR at different sludge height[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):726-732.

2017-04-21

自貢市重點科技計劃項目(2016SF02)；四川理工學院創新基金項目(Y2016011)

王榮麟(1994—)，男，碩士研究生，主要從事環保機械產品優化設計與分析，851583485@qq.com

*責任作者：李開世(1956—)，男，教授，博士，主要從事機械設計方面的研究，hwqsc@163.com

X143

1674-991X(2017)06-0726-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.100