不同污泥高度下ABR液相流场特性试验研究

王荣麟，李开世，黄文权，董亮

四川理工学院，过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000

不同污泥高度下ABR液相流场特性试验研究

王荣麟，李开世*，黄文权，董亮

四川理工学院，过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000

在厌氧折流板反应器(ABR)不同进水流量(150～500 L/h)和不同污泥高度(0～45 mm)的组合工况下，利用激光粒子图像测速技术(PIV)研究了ABR第一隔室内部的液相流场特性，获得了反应器关键截面的液相流场数据。结果表明：在污泥高度为0 mm时，ABR降流区径向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增加再下降趋势；污泥高度为15 mm时，轴向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增长趋势；平均涡量随进水流量的增加呈逐渐增加趋势。升流区径向和轴向平均速度随进水流量呈波动趋势。降流区的返混程度随污泥高度的增加而增大，矢量速度高速区集中在降流区距进水口180～250 mm处。升流区涡核数量随污泥高度增加而增加，矢量速度高速区集中在下部0～20 mm处。

粒子图像测速技术(PIV)；ABR；污泥高度；液相流场

近年来,厌氧折流板反应器(ABR)在高浓度、难降解有机废水处理中得到应用开发,在反应器中设置竖向导流板,将反应器分隔成多个隔室,污水沿反应器内的折流板上下折流前进,污泥则在各隔室内做沉降运动。大量厌氧污泥被截留在反应器中,使ABR具有耐冲击负荷强、水力停留时间(HRT)短和处理效率高等优点[1-3]。其内部的流体动力学特性控制着反应器内的物质传输，决定着目标污染物与反应器中微生物的接触程度，从而影响整个反应器的处理效果，因此水力特性是反映其性能的一个重要指标[4]。周冬卉等[4]研究了HRT对ABR水力特性的影响，发现反应器内污泥颗粒的分布范围受HRT影响显著，HRT过短或过长均不利于提高反应器的处理效率。徐金兰等[5]研究了不同进水COD下ABR的水力特性，发现进水COD不同时反应器的RTD(停留时间分布)曲线相似，表明进水COD不是影响ABR水力特性的主要因素。Young等[6]研究了HRT对反应器水力特性的影响，发现水力死区随雷诺数的增加而增加，系统内部推流影响的加强与介质的比表面积有关。但是,国内外学者对不同污泥高度下ABR的液相流场特性研究较少。

激光粒子图像测速技术(PIV)是20世纪70年代发展起来的一种测试流体力学的方法，该技术不仅能够提供瞬时流场的定量信息，而且能显示流场流动的物理形态，使流动可视化的研究飞速发展，是现今流体力学试验发展的一个里程碑[7-10]。Kosiwczuk等[11]应用荧光图像法同时测量液滴和气相的速度场，通过超声波喷嘴产生的30～40 μm直径的液滴注射到气体流中获得了初步试验结果，证明了该方法的潜力。万甜等[12]运用粒子图像测速方法对曝气池内气液两相流场做了较为系统的研究，结果表明，当气液两相流处于浮射流时，气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度，氧转移速率和效率大大提高。李春丽等[13]基于PIV技术对膜生物反应器流场动力特性进行了试验研究，结果表明，曝气强度对液相流场和涡量场的影响较大，在一定范围内增加曝气强度可使液相速度和涡量增加。董亮等[14]基于PIV下HABR(复合式厌氧折流板反应器)填料对液相流态的影响进行了试验研究，结果表明，合理的填料类型可以保证良好的进水流态，反应器填充悬浮球填料时，其整体流态最佳。但是，国内外学者将PIV技术应用于ABR对不同污泥高度下的液相流场特性研究较少。笔者基于PIV技术对ABR在不同污泥高度下的液相流场特性进行了测试与分析，通过合理控制反应器内部污泥高度，以期为ABR的优化设计提供试验依据。

1 装置和方法

1.1试验系统

试验所用的ABR测试系统主要由进出水系统、ABR、激光系统、CCD摄像系统和图像处理系统等组成〔图1(a)〕。ABR由5个结构完全相同的隔室串联而成。本文研究了ABR的第一隔室内部的液相流场特性，隔室尺寸为0.455m×0.39m×0.52m。在进水通往升流区底部设有一个45°的折流板，底隙为12mm。在升流区下部设有一个30°倒角的导流板，尺寸为0.15m×0.39m×0.12m。反应器的单个隔室有效容积为85L，ABR总有效容积为425L。

图1 试验测试系统流程和拍摄区域Fig.1 Flow chart of experimental testing system and capture region

进水采用自来水。沼气用外加空气的方式来模拟,试验前将进水箱不断曝气使空气在液体中过饱和，因沼气和空气都难溶于水，且有很好的相似性，故以收集空气的体积作为产沼气的量[15]。在本试验中使用阴离子交换树脂来模拟ABR内液相流场中的实际污泥，反应器内真实颗粒污泥粒径(0.5～3.0mm)与树脂粒径(0.3～1.2mm)接近，颗粒污泥湿真密度(1.025×103～1.080×103kg/m3)与树脂湿真密度(1.06×103～1.10×103kg/m3)也非常接近，二者具有较强的相似性，故采用树脂的等体积当量直径来代替反应器内实际颗粒污泥的直径[16-18]。反应器内部的污泥高度采取0(无污泥)、15、30和45mm4个工况。预试验发现，污泥高度过大时，进水的冲击作用使污泥大量悬浮，将会阻碍相机拍摄和激光照射，为了保证PIV系统有较好的照明和拍摄条件，本试验仅选取最高污泥高度为45mm。

1.2PIV试验测试系统

试验采用丹麦Dantec公司生产的PIV系统，其中包括2个激光发射器。激光束波长为532nm，能量为200mJ/脉冲，脉宽为6～8ns；同步器实现外部脉冲信号对系统的同步触发；CCD相机采样速率为16帧/s，分辨率像素为2048×2048。示踪剂选用罗丹明B，该颗粒粒径较小，粒子密度与水密度接近，且具有对流场良好的跟随性[19-20]，示踪粒子对液相速度和黏度的影响可忽略不计。

1.3试验方案

试验在进水流量分别为150、200、250、300、350、400、450、500L/h，污泥高度分别为0、15、30、45mm组合的32种工况下进行。反应器正面设置一个CCD相机拍摄液相流场，PIV激光光源从反应器左侧进入，如图1(a)所示。拍摄区域长455mm，高70～320mm，如图1(b)所示，拍摄断面取距拍摄正面100mm处，应用DynamicStudio软件进行后处理，采用自适应互相关算法分析关键截面的液相流场特性。

2 结果与分析

2.1ABR降流区液相流场特性

图2给出了ABR在不同进水流量和污泥高度组合的工况下，降流区不同污泥高度下的液体径向、轴向平均速度和平均涡量随进水流量的变化。

图2 不同污泥高度下降流区液体径向、轴向平均速度和涡量随进水流量的变化Fig.2 The curves of radial and axial mean velocity and vorticity change with inflow rate in down-flow zone at different sludge heights

由图2(a)可以看出，无污泥时，降流区径向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增加再下降的趋势，进水流量为350L/h时，径向平均速度达到最大值。分析其原因可知，进水从降流区下降通过折流板流至升流区，液体流态主要受ABR结构(如进水喷嘴、导流板长度和角度、底缝高度和折流板角度等)的影响，部分液体没有通过折流板则回流与进水混合形成返混，降低降流区径向速度。

由图2(b)可见，污泥高度为15mm时轴向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增长的趋势。在反应器内部污泥高度为30mm时其增长过程比污泥高度为15mm时更加明显。进水流量相同时，污泥高度为30mm时的轴向平均速度比其他工况更大。分析其原因，反应器内部污泥堵塞使大部分液体不能流进升流区，返混现象随着进水流量的增大而加强，与图2(a)结果吻合。

由图2(c)可以看出，污泥高度为15mm时，平均涡量随进水流量的增加呈逐渐增加趋势，与污泥高度为30和45mm趋势相反。污泥高度为0mm时，平均涡量随进水流量波动且波动幅度较大，在进水流量为350L/h时达到最小值，同时也是所有工况下的最小值，该处液相流场矢量速度方向变化最为明显，形成涡漩和返混现象。

研究表明[4,21]，降流区的水流速度随深度分布均匀，HRT的变化对其影响不大，该结论与本试验存在一定的差异。其原因是模拟只考虑到进水流量对流态的影响，未考虑污泥高度对降流区流态的影响，可见，污泥高度也是影响反应器内部降流区流态特性的重要因素。

2.2ABR升流区液相流场特性

图3为不同污泥高度下，ABR升流区液体径向、轴向平均速度和平均涡量随进水流量的变化。

图3 不同污泥高度下升流区液体径向、轴向平均速度和平均涡量随进水流量的变化Fig.3 The curves of radial and axial mean velocity and vorticity change with inflow rate in up-flow zone at different sludge heights

由图3(a)和(b)可以看出，升流区径向和轴向平均速度随进水流量的增加呈波动趋势。由图3(c)可以看出，反应器内部污泥高度为45mm时平均涡量随进水流量的增加呈波动趋势，相比其他工况，该工况下平均涡量变化最明显，在进水流量相同时，升流区的涡核更容易形成。分析其原因，进水在降流区下降，部分随着折流板返混出现了回流和返混现象；另一部分穿过污泥床层，污泥的悬浮使升流区流态极其复杂，出现了涡漩现象。

研究表明[4,6]，HRT和填料是升流区流态的主要影响因素，而污泥床层作为降流区和升流区的过渡区域，有较强的堵塞作用，影响降流区流态的同时也直接影响升流区的流态。

2.3关键截面的液相流场特性

由2.1节可见，进水流量为350 L/h时液相流场矢量速度方向变化最为明显。限于篇幅，本文只在该进水流量下对不同污泥高度下截面的液相流场特性做微观分析，结果如图4所示。

图4 反应器在不同污泥高度下的矢量速度、流线和涡量Fig.4 The vector velocity diagram, streamline diagram and vorticity diagram of the reactor at different sludge heights

污泥高度为0 mm时,该截面的液相流场特性如图4(a)～(c)所示。由图4(a)可见，在该工况下液相高速区主要集中在降流区左边壁区域，低速区集中在降流区右边壁和整个升流区，该工况下液体流线图紊乱。由图4(c)可见，在降流区中部、下部和升流区中上部均有几处涡核(蓝色点状即为涡核)。分析其原因为液体沿折流板穿过污泥床后，沿导流板快速上升，此时没有污泥堵塞，整个升流区为自由流动区，液相流态主要受ABR结构(进水喷嘴、污泥高度、导流板长度和角度、底缝高度和折流板角度等)的影响，回流和返混使降流区成为液相高速区并生成涡核。

反应器内部污泥高度为15 mm时，该截面的液相流场特性如图4(d)～(f)所示。由图4(d)可见，在该工况下液相高速区主要是集中在降流区左边壁区域进水口处，降流区中部、下部和升流区流速皆处于低速区，由图4(e)可见，入水口处呈明显返混影响，随着污泥高度的增加，降流区的返混现象也有所增强。由图4(f)可见，在降流区下部有几处涡核，升流区内无涡核。分析其原因，反应器内部污泥高度和底隙高度相差不大时，污泥会堵塞液相流动，进水在流经折流板时被污泥堵塞使大部分液体不能流进升流区而形成回流和返混现象，并与降流区的进水混合形成漩涡。

反应器内部污泥高度为30 mm时该截面的液相流场特性如图4(g) ～(i)所示。由图4(g)可见，该工况与污泥高度为15 mm工况相差不大，矢量速度高速区主要集中在降流区左边壁区域进水口处，图4(i)显示除了降流区有涡核外，升流区中下部有几处明显涡核。其原因是污泥的增多间接地改变升流区液相流场，降流区部分液体回流，另一部分液体沿折流板穿过污泥层流至升流区，这与反应器内部结构和污泥高度线性相关。

反应器内部污泥高度为45 mm时该截面的液相流场特性如图4(j)～(l)所示。由图4(j)可见，该工况下矢量速度高速区分布在降流区距进水口180～250 mm处，同时升流区下部皆是水流动高速区，矢量速度高速区分布在下部0～20 mm处。由图4(k)可见，升流区下部形成了高速区。由图4(l)可见，该工况下降流区和升流区中上部均形成涡核。其原因是未通过折流板的液体迅速回流使降流区底部形成水流高速区，并与进水返混形成局部漩涡；另一部分液体穿过污泥层流向升流区，使升流区下部变为高速区，污泥的悬浮使得升流区流态极其复杂，中上部出现涡漩现象。

ABR动力学研究方法主要有示踪剂法[22-23]、CFD模拟和PIV试验法等。示踪剂法大多研究ABR的水力死区，并认为流体呈推流状态，该方法具有较大的局限性；CFD模拟在未考虑污泥和沼气的工况下较好地反映了ABR的流态特性；PIV试验法则能弥补示踪剂法和CFD模拟的缺陷，能更真实地模拟ABR内部的流态特性。影响ABR流态的因素主要有HRT、反应器结构(长/宽/高之比、升流区和降流区之比)、进水管布置、导流板结构(长度和角度)、底缝高度、折流板结构(角度和高度)和污泥高度等。通过PIV试验法研究不同污泥高度下反应器内部的流态特性，在其他因素不变的情况下，污泥高度的变化对流态的影响较为显著，表明控制好污泥高度有助于开发新型高效的厌氧反应器。

3 结论

(1)ABR降流区在污泥高度为0mm时，径向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增加再下降趋势。污泥高度为15mm时轴向平均速度随进水流量的增加呈先下降后增长趋势。污泥高度为0mm时，平均涡量随进水流量的增加呈波动趋势且波动幅度较大，进水流量为350L/h时达到最小值。污泥高度为15mm时平均涡量随进水流量的增加呈逐渐增加趋势。

(2)ABR升流区径向和轴向平均速度随进水流量的增加呈波动趋势。反应器内部污泥高度为45mm时平均涡量随进水流量的增加波动趋势较其他工况更为明显且波动幅度较大，在进水流量相同时，升流区涡核更容易形成。

(3)ABR内部的流态特性与进水流量和污泥高度的变化有重要的联系，不同污泥高度和不同进水流量对反应器内部的液相速度、平均涡量和液相流场的影响不同：当进水流量相同时，反应器内部的流态特性随污泥高度变化；降流区的返混程度随污泥高度的增加而增大，矢量速度高速区集中在降流区距进水口180～250mm处；升流区涡核数量随污泥高度增高而增加，矢量速度高速区集中在下部0～20mm处。

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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

王荣麟，李开世，黄文权,等.不同污泥高度下ABR液相流场特性试验研究[J].环境工程技术学报,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

自贡市重点科技计划项目(2016SF02)；四川理工学院创新基金项目(Y2016011)

王荣麟(1994—)，男，硕士研究生，主要从事环保机械产品优化设计与分析，851583485@qq.com

*责任作者：李开世(1956—)，男，教授，博士，主要从事机械设计方面的研究，hwqsc@163.com

X143

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

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