好氧颗粒污泥弹性模型研究★

潘　凯

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009)



好氧颗粒污泥弹性模型研究★

潘凯

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：通过实验，测得了好氧颗粒污泥弹性阶段受力与变形关系，并建立了好氧颗粒污泥的弹性模型，研究了其弹性性能，经对比，数值模拟与实测值相符，为提高颗粒的稳定性提供了基础。

关键词：好氧颗粒污泥，弹性模量，几何模型，变形

0引言

污泥颗粒化是指在一系列的物理作用、生化反应和外部环境条件的作用下，微生物不必外加任何载体而自身固定的一种特殊形式。在20世纪90年代后期，Morgenroth等人首次用SBR反应器培养出好氧颗粒污泥，并应用于处理含有机物的废水。颗粒化使得反应器生物保有量大大增加，同时因颗粒化带来的沉降性能减少了污泥外排量。因而，好氧颗粒污泥技术被看作是应用前景最好的废水处理技术。

但在长期的运行过程中经常出现好氧颗粒污泥失稳解体的现象，这也是其大规模运用于实际的最大阻碍[2-4]。目前，国内外学者已经开始对好氧颗粒的稳定性进行实验研究。但这些研究大多停留在定性描述，对其机理仍缺乏全面的深入研究，更未能进行定量描述。另一方面，迄今为止有关影响好氧颗粒稳定性的因素研究，主要集中在反应器的运行条件和颗粒特性方面，如接种污泥种类、有机负荷率、水力停留时间、胞外聚合物等，但很少报道有从受力分析的角度来研究对其稳定性的影响。好氧颗粒的受力在其颗粒化过程中起到了关键的作用，颗粒污泥的形成过程、颗粒的结构以及其物化特性都与受力有着密不可分的关系。文章将从力学的角度，建立好氧颗粒污泥的弹性模型，对颗粒的力学性能进行研究。

1原理与假设

好氧颗粒污泥弹性力学问题的建立是基于弹性力学的三个基本方程，即平衡微分方程，几何方程和物理方程。考虑弹性力学中的基本假定，根据此次弹性模型的模拟研究，对好氧颗粒污泥做出以下假设：

1)好氧颗粒污泥为完全弹性材料；2)颗粒污泥本身为各向同性；3)颗粒污泥具有确定的弹性模量和泊松比；4)忽略外界温度对颗粒污泥力学性能的影响；5)颗粒污泥应力和应变不随时间变化；6)颗粒污泥的位移和变形是微小的。

2好氧颗粒污泥的选取

本次实验所采用的接种污泥取自于合肥市王小郢污水处理厂的氧化沟，其污泥体积指数(Sludge Volume Index，SVI)约为125 mL/g。在SBR反应器中进行好氧颗粒污泥的培养实验。该反应器为圆柱形，柱身材料为有机玻璃，反应器高为0.65 m，内径0.1 m，在柱身不同高度设置出水口，各出水口之间的高差为0.1 m，其有效高度为0.55 m，有效体积为4.3 L，反应器周期包括：10 min的进水，240 min的曝气，20 min的沉淀以及5 min的出水。本次实验的进水采用人工合成废水，碳源由蔗糖唯一提供，氮源和磷源由NH4Cl和NaH2PO4提供，所添加的量以C∶N∶P为100∶5∶1来计算，并提供微生物生长所必需的常量元素和微量元素。本次弹性模量实验从SBR反应器中选取较为圆润，光滑的成熟好氧颗粒若干，如图1所示。

任自强，彭涛，沈书豪，等.淮南煤田现今地温场特点.高校地质学报,2015,21(1):147-154.

王京，杨卫国.地源热泵系统的经济性浅析.科技创新导报,2009,23(8):106-107.

阮强.开封市城区浅层地热能资源评价研究.北京：中国地质大学，2011.

3实验步骤

1)从SBR反应器中选取圆整度较好的颗粒污泥，且直径控制在2 mm～3 mm左右。将选取好的颗粒污泥放置在培养皿中，并加少量清水，一是保证显微镜下成像清晰，排除其他絮体污泥的干扰；二是防止颗粒污泥因长时间暴露于空气中而缺水萎缩干裂。2)将开机后的数码相机镜头倒扣进体视显微镜的镜筒内并拧紧，然后把放有好氧颗粒污泥的培养皿放置在体视显微镜的载物台上，使好氧颗粒位于镜头的中心，调整数码相机的光学变焦，使得放大倍数为8x，待图像清晰后拍照保存。3)颗粒污泥照片导入到图像分析软件Motic Images Advanced 进行处理，去除噪点影响后，计算并记录好氧颗粒污泥的直径及圆形度。4)测完颗粒污泥的直径以后，采用单轴受压装置对颗粒进行受压实验，并记录颗粒受力与变形结果。

4模型建立

由于好氧颗粒污泥弹性模量的测定中，所涉及的好氧颗粒均处于弹性变形阶段，未进入塑性变形。此时应采用线性静力结构分析方法对颗粒污泥的变形进行分析，且应为空间弹性问题。因此，采用空间问题的方法，考虑静力学、几何学和物理学三方面条件与对应的三套平衡方程，建立弹性模量的三维静力分析模型。

4.1几何模型的建立

基于颗粒污泥应力和应变关系测定实验装置，将三维几何模型简化，建立几何模型。如图2a)所示，几何模型由中间夹着球形颗粒的两块平板组成。下平板模拟装置底座，其下表面固定；上平板模拟测杆顶端，可沿Z轴负方向向下移动，外部荷载直接施加在上平板的上表面。两块平板的尺寸均为12 mm×12 mm×3 mm。在模型中，两块平板均为刚体，不发生变形，中间的球形颗粒为弹性体，取好氧颗粒的泊松比为0.42。

4.2弹性求解

将建立的几何模型导入到静力分析软件中。本次网格划分方式分为两种，上下两块平板均采用扫掠型方式生成六面体网格，中间球形颗粒采用多域扫掠型方法生成网格。上下两块平板只提供支撑和施加荷载，所以网格较球形颗粒网格稀疏。平板采用的网格大小为3 mm，球体采用的网格大小为0.2 mm。网格划分结果如图2b)所示。

本文采用线性模拟及求解。静力结构分析问题的求解步骤如下：1)几何模型的建立或者导入。2)定义和分配部件的材料特性。在线性静力结构分析中，材料属性仅需要定义杨氏模量和泊松比。3)定义装配体间的接触副。当导入装配体时，程序会在两个实体之间自动生成接触副。同时，可以根据具体分析需要，在其提供的四种接触类型中进行选择修改。4)施加荷载和约束。5)选择需要查看的结果。6)求解计算。7)查看后处理结果。

5结果与讨论

将实验所得数据与数值模拟的数据进行对比分析，如图3所示。在弹性范围内，颗粒的变形与受力呈正相关关系，随着受力的增加，好氧颗粒污泥的变形量也在增加。对比实验值与模拟值可以看出，两者均有相同的上升趋势，实验值略大于模拟值，但在合理范围之内。由于颗粒污泥形状为近似球体，与标准试件有较大差距，所以采用标准试件的算法会造成计算误差。本次模拟采用最原始的实验数据，即通过测定力与位移，保证了中间无换算误差，因此更加准确。

6结语

本文通过实验测得好氧颗粒污泥弹性阶段受力与变形的关系，并建立了好氧颗粒污泥的弹性模型，通过对比可以发现，数值模拟很好的符合了实验值。通过实验与模拟相对比的方法，研究了好氧颗粒污泥弹性阶段的性能，为好氧颗粒污泥的受力和稳定性研究提供了理论基础和参考价值。

参考文献：

[1]Morgenroth，E.，Sherden T.，Van Loosdrecht M.C.M.，et al.Aerobic granular sludge in a sequencing batch reactor.Water research，1997，31(97)：3191-3194.

[2]Tay J.H.，Liu Q.S.，Liu Y..Microscopic observation of aerobic granulation in sequential aerobic sludge blanket reactor.Journal of Applied Microbiology,2001,91(91):168-175.

[3]Moy B.Y.，Tay J.H.，Toh S.K.，et al.High organic loading influences the physical characteristics of aerobic sludge granules.Letters in Applied Microbiology，2002,34(6):407-412.

[4]Adav S.S.，Lee D.J..Extraction of extracellular polymeric substances from aerobic granule with compact interior structure.Journal of Hazardous Materials,2008,154(1-3):1120-1126.

Study on elastic model of aerobic granule sludge★

Pan Kai

(SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009，China)

Abstract: Through experimental measurement, the paper measures the relationship of stress and deformation of aerobic granular sludge at elastic phase, establishes elastic model of aerobic granular sludge, studies its elastic performance, and finds out that: the numerical simulation value is in accordance with actual measuring value through comparison, which has provided some guidance for improving the stability of aerobic granular.

Key words: aerobic granular sludge, elastic model, geometrical model, deformation

The application research on ground source heat pump system in Huainan and Huaibei mining areas★

Guo ChaoHu LiujunWang DahaiChen Long

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Key words:ground source heat pump, Huainan and Huaibei areas, ground temperature, rock thermal property

Abstract:From the climate, ground temperature distribution and rock thermal property three aspects in Huainan and Huaibei area, this paper comprehensive analyzed the applicability of ground source heat pump technology in the region, and researched the economic and environmental benefits of ground source heat pump in the area, provided theoretical basis for the application of ground source heat pump system in Huainan and Huaibei mining area, at the same time provided theoretical basis for future thermal response test in the region.

文章编号：1009-6825(2016)14-0111-02

收稿日期：2016-03-08★：国家自然科学基金项目(项目编号：51378165)

作者简介：潘凯(1991- )，男，在读硕士

中图分类号：X703

文献标识码：A