高效螺旋厌氧反应器的液体流动特性

唐崇俭 ，郑平，闵小波 ，柴立元

(1. 中南大学 冶金与环境学院环境工程研究所，湖南 长沙，410083；2. 浙江大学 环境工程系，浙江 杭州，310058；3. 国家重金属污染防治工程技术研究中心，湖南 长沙，410083)

自从20世纪70年代爆发全球性石油危机之后，厌氧消化技术(厌氧生物处理技术)以能耗低、负荷高、污泥产量少、可回收沼气等优点而受到青睐，并在有机废水处理中得到广泛应用[1−3]。厌氧反应器是厌氧消化技术的核心载体，厌氧消化技术的发展与厌氧反应器的研制密切相关。自20世纪80年代Lettinga 等[4−5]应用三相分离技术成功研发上流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket, UASB) 反应器后，陆续涌现出以外循环颗粒污泥膨胀床反应器(expanded granular sludge bed, EGSB)和内循环(internal circulation, IC)反应器为代表的一批高效厌氧生物反应器[6−8]，并得到广泛应用。国内外已相继报道一些高效厌氧生物反应器。Iza等[9]报道实验室UASB反应器的有机容积负荷(organic loading rate, OLR)可达100～150 kg COD/(m3·d)。Thiele 等[10]根据两相厌氧消化理论，提出阴离子交换基质往复工艺(anion-exchange substrate shuttle process, AESS)，获得的OLR高达370 kg COD/(m3·d)。螺旋厌氧反应器是一种新型的厌氧生物反应器[11]。前期运行结果表明：螺旋厌氧反应器的OLR高达306 kg COD/(m3·d)，容积去除率为 240 kg COD/(m3·d)，容积产气率为 131 L/(L·d)，各指标均已达到厌氧消化技术的世界先进水平[11]。流体力学特性是评价生物反应器高效性的一个重要指标，它反映厌氧反应器内混合液的流动状态，直接影响反应器的处理效能[12−13]。多釜串联模型和轴向扩散模型是反应器流态分析最为常见的 2种模型[12]。卢刚等[13]采用多釜串联模型研究内循环颗粒污泥床硝化反应器循环区的流态，得到其串联级数(N)为1.021，接近于全混流反应器(continuous stirred tank reactor, CSTR)；采用轴向扩散模型研究沉淀区的流态，得到其分散系数D/(μL)为 0.00148，接近于平推流反应器(plug flow reactor, PFR)。Ashish等[14]利用轴向扩散模型建立 UASB反应器的流态方程；Kalyuzhnyi等[15]利用多釜串联模型建立UASB反应器的污泥床动态方程。Tomlinson等[16]对多釜串联模型和轴向扩散模型的适用性进行研究，认为多釜串联模型适用于返混较大的反应器，而轴向扩散模型适用于返混较小的反应器。本文作者以 NaCl为示踪剂，通过测定示踪剂在反应器中的停留时间分布，运用轴向扩散模型和多釜串联模型，研究螺旋厌氧反应器的流体流态，以期揭示螺旋厌氧反应器的高效机理，优化其设计和操作。

1 材料和方法

1.1 试验装置

供试螺旋厌氧反应器示意图如图1所示。反应器由有机玻璃制成，其内部结构包括螺旋升流区、沉淀区和循环区(含回流管)3个部分，总体积为18 L，其中螺旋升流区内径为15 cm，容积为8 L，沉淀区内径为30 cm，容积为9.8 L。试验采用微孔气体分布器(孔径约为0.2 mm)模拟高负荷工况下的产气情况。在反应器运行过程中，液体和空气由反应器底部引入，因气液提升而实现液体在反应器内的自循环。

图1 螺旋厌氧反应器示意图Fig. 1 Schematic diagram of spiral bioreactor

1.2 试验过程与测定方法

采用刺激−响应技术研究反应器的液相流动模型[12,17]。以NaCl作为示踪剂，采用电导率来表征水中的 NaCl浓度。在模拟反应器高效运行工况下，由反应器进水口瞬时注入一定量示踪剂，连续监测出水的电导率，试验持续时间约为4倍理论停留时间(ta)。试验中示踪剂回收率高于99%。

1.3 数据处理与计算

反应器理论液相停留时间(ta)由下式计算[8,12]：

式中：Q为液体体积流量；V为反应器体积；εl指液相含率，εl=1−εg，εg为含气率。本试验中，εg保持为0.03～0.06。

由停留时间分布曲线，可得实际平均停留时间te和方差：

式中：ti为试验时间，Ci为时间为ti时反应器出口处示踪剂浓度。

无因次时间(θ)可由下式表示：

一般而言，若te＜ta，即te/ta＜1时，反应器中存在一定的死区，其体积分数(ηVd)可用下式计算[12−13]：

2 结果与讨论

2.1 无产气工况的反应器流体力学特性

在实际运行过程中，螺旋厌氧反应器的水力停留时间可降低至2 h，反应器的运行性能仍能保持高效、稳定[11]。因此，首先对无产气工况下的反应器流态和螺旋区(反应区)流态进行模拟研究。

2.1.1 反应器流态分析

无产气工况下，整体反应器的水力停留时间分布(residence time distribution, RTD)如图2所示。由图2可见：在0～90 min内，没有检测到示踪剂；而90～100 min后，示踪剂浓度急剧攀升至最大值，反应器内流态呈现明显的平推流状态。但之后RTD密度函数有严重的“拖尾”现象，部分流体的停留时间甚至超过4倍平均停留时间，据此可以判断反应器内可能存在死区(滞留区)[8,12−13]。

图2 无产气工况下反应器的水力停留时间分布密度函数Fig. 2 Residence time distribution for reactor without gas production

采用多釜串联模型进行分析时，反应器串连级数(N)可通过下式计算[8,12]：

而采用轴向扩散模型进行分析时，一般用分散系数(D/(μL))或佩克莱数(Pe=μL/D)来衡量实际反应器与平推流反应器(PFR)和全混流反应器(CSTR)的偏差(L为液流方向上反应器的长度)[8,12]。当D/(μL)=0时，反应器流态呈 PFR；当D/(μL)=∞时，反应器流态为CSTR[8,12]。

Pe的计算公式为[8]

试验中，分别测定“回流管通”和“回流管堵”2种工况下反应器的水力停留时间分布，分析结果如表1所示。

表1 无产气工况下反应器流态分析结果Table 1 Results of flow distribution of reactor without gas production

由表1可知：在无产气工况下，回流管的畅通或堵塞对于反应器的流态影响很小，几乎可以忽略。这表明在无产气时，反应器内的液体流态较为稳定，沉淀区与反应区(螺旋区)的相互影响较小。采用多釜串联模型进行分析，可得其串联级数(N)分别为 4.54和3.08；采用轴向扩散模型分析，其分散系数分别为0.126和0.204，均表明反应器流态呈现较好的平推流特性。根据式(6)，可算得此时反应器内死区所占的体积平均为5.5%。

2.1.2 螺旋升流区的流态分析

螺旋升流区为厌氧反应器的核心部分，是有机物转化的主要反应区，其流体力学性能对反应器容积去除效率具有重要影响。在无产气工况下，螺旋升流区的水力停留时间分布如图3所示。

由图3可见螺旋升流区的流态同样呈现2个特点：一是呈现典型的平推流状态；二是RTD密度函数存在拖尾现象，表明螺旋升流区同样存在一定的水力死区。进一步分析表明(表2)，螺旋区的平推流效果显著，其多釜串联模型级数N为4.50。

2.2 模拟产气工况的反应器流态

2.2.1 反应器的流态分析

图3 螺旋升流区停留时间分布密度函数Fig. 3 Residence time distribution for spiral section without gas production

表2 反应器螺旋升流区的流态分析结果Table 2 Results of flow distribution for upflow spiral section without gas production

在反应器实际运行中，反应器进水 COD质量浓度为20 g/L时，反应器的理论水力停留时间可缩短至2 h，COD去除率为75%，沼气产生量(Ug)约为67.5 L/h[11]。基于此，模拟该工况下的产气情况，分析反应器的流态特性，分析结果如表3所示。

表3 模拟产气工况(Ug=67.5 L/h)的反应器流态分析结果Table 3 Results of flow distribution of reactor with gas production (Ug=67.5 L/h)

试验结果表明(表 3)：模拟产气工况下(Ug=67.5 L/h)，回流管畅通或堵塞对反应器流态影响很大；在回流管堵塞的条件下，反应器流态全混合效果相对较弱，采用轴向扩散模型进行分析得到D/(μL)为0.562，计算的死区体积分数为 9%。而在回流管畅通时，反应器流态呈现明显的全混合状态，采用多釜串联模型得N=1.12，采用轴向扩散模型得分散系数D/(μL)为2.778，表明此时反应器的返混现象明显(Tomlinson等[16]证明：当D/(μL)≥0.2时，返混程度较大)，计算得到反应器内的死区体积比例为33%。

表4所示为不同厌氧反应器的死区体积比例。在保持回流管堵塞时，螺旋厌氧反应器的死区体积分数为 9%，与厌氧折流板反应器(典型的平推流反应器)的死区体积比例十分接近；而保持回流管畅通时，螺旋厌氧反应器内死区体积分数达到33%，介于平推流反应器和全混流反应器对应值之间。据此可判定：在模拟产气工况下，由于产气及其气提作用，反应器内的液体实现自循环。

表4 不同厌氧反应器的死区体积分数Table 4 Dead space of different anaerobic reactors

2.2.2 液体自循环量模拟

对比表1和表3，在模拟产气情况下，反应器流态发生明显变化，呈现较为明显的全混合状态，其中最主要的因素是因产气所产生的气提与混合作用[20]，导致液体在反应器内的自循环。鉴于此，本文对螺旋厌氧反应器的液体自循环量进行模拟研究。

在试验中，将回流管堵塞，同时将沉淀池出水回流，分别考察回流比R为2.0与4.0时的水力停留时间分布情况，以前述模拟产气工况(回流管通)的流态作为对照，试验结果如图4所示，流态特性分析结果如表5所示。

由图4可见：在模拟产气工况下，R＝4.0时RTD密度分布函数与对照组的 RTD密度分布函数具有较好的重合性。计算结果表明(表4)：在模拟产气工况下(Ug=67.5 L/h)，螺旋厌氧反应器自循环所产生的回流比略高于4.0。研究结果表明：螺旋厌氧反应器可在反应器内有效实现自循环，从而可起到稀释进水基质浓度和平衡反应器内酸碱度的效果，进而缓解基质抑制作用，这是螺旋厌氧反应器能够承受高进水 COD质量浓度和获得高有机容积负荷的重要原因。

图4 模拟产气条件下不同回流比的水力停留时间分布图Fig. 4 RTD with different circulation ratios with high loading rate

表5 模拟产气(Ug=67.5 L/h)以及回流条件下反应器的流态分析结果Table 5 Results of flow distribution of reactor with gas production (Ug=67.5 L/h) under different circulation ratios

3 结论

(1) 在水力停留时间为2 h的工况下，螺旋厌氧反应器和反应区的流态均呈现较为明显的平推流状态，有利于基质降解。

(2) 在模拟高负荷产气工况下(Ug=67.5 L/h)，螺旋厌氧反应器内的液体实现了自循环，自循环所产生的回流量与进水量之比略高于4.0。螺旋反应器的这一流态特性有助于稀释进水基质浓度，缓解高进水基质浓度的抑制作用，并且起到平衡反应器内酸碱度的效果，这是螺旋厌氧反应器能够承受高进水 COD质量浓度和获得高有机容积负荷的重要原因。

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