竖向进水管布置对ABR液相流态影响的PIV试验研究

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(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)

竖向进水管布置对ABR液相流态影响的PIV试验研究

曾涛，董亮，刘少北，张长练，王勇，何雨

(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)

在折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor，ABR)不同进水管悬空高度和不同进水流量组合的工况下，利用激光粒子图像测速技术(particle image velocimetry，PIV)对ABR的第一格室液相流态进行了研究，测得反应器内降流区和升流区关键截面的流场数据，获得了液相速度和涡量强度与悬空高度的关系曲线；同时研究了相关流场特征，包括流线图谱和涡量场。结果表明：对于ABR的第一格室，合理的进水管悬空高度可以保证良好的进水流态，促使ABR涡量面积分布均匀，有效防止局部沟流和液相死区，确保ABR高效稳定运行。根据试验分析结果，提出了设计时可供参考的进水管悬空高度的取值范围：流量在0.018～0.270 m3/h时，悬空高度的取值范围为230～530 mm；流量在0.558～0.846 m3/h时，悬空高度的取值为530 mm。

折流式厌氧反应器；液相流态；粒子图像测速技术；竖向进水管布置；悬空高度

1 研究背景

折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor，ABR)的水力流态的研究成为近年来的热点[1-2]，进水管悬空高度是影响进水池流态和水力性能的重要因素[3]。ABR的第一格室承受远大于平均负荷的局部负荷，以拥有5格反应室的ABR为例，其第一格室的局部负荷为其系统平均负荷的5倍[4],国内外学者在优化和改变ABR第一格室的结构进而改变液相流态特性等方面展开了大量研究，并提出了很好的措施和技术[5-9]。这些研究大多是运用脉冲响应法示踪剂研究或使用Fluent软件模拟研究，研究成果较好地揭示了小试状态下ABR反应器的水力流态特性,但试验时大多未投加污泥颗粒, 使得液相没有穿过污泥床层形成较为真实的流态；且针对进水管悬空高度对ABR流态的影响，研究也不多。近几十年，粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)被广泛应用在两相流流场测量中[10-13]。国内外将PIV技术应用于ABR内流场的相关研究较少，杨小林等[14]利用PIV技术研究了折板絮凝池流场特性，结果表明，90°异波折板与90°同波折板组合的浊度去除率达97.7%。本文基于PIV试验技术对ABR竖向进水管悬空高度对降流区和升流区关键截面的液相流态特性的影响进行了测试，并对反应器流态特性进行了分析，为设计和选择ABR进水管布置提供了参考。

2 试验装置系统和方法

2.1 试验系统介绍

ABR试验测试系统的流程如图1所示，试验测试系统主要由ABR、进出水系统、激光系统、CCD摄像系统和图像处理系统等部分组成。

图1 ABR试验测试系统流程Fig.1 Flow chart of ABR test system

ABR由5个结构完全相同的格室串联而成，把第一格室单独制作为透明玻璃体，模型与原型尺寸比例为1∶1，结构尺寸为0.48 m×0.40 m×0.46 m，总容积88 L；第1个格室由降流区和升流区组成，且体积比约为1∶3，通往升流区的折流板带有55°拐角，折缝高度为0.018 m，以便将水导入、实现均匀布水。试验中PIV系统使用丹麦Dantec Dynamics A/S公司生产的PIV系统；示踪剂选用罗丹明B荧光聚合物颗粒，粒径为20～50 μm；罗丹明B水悬浮液呈红色，该粒子密度与去离子水密度较接近，且粒径较小，说明该粒子具有对流场良好的跟随性[15-16]，试验浓度控制在100 mg/L，示踪粒子对液相速度和黏度的影响可忽略。

2.2 试验用水水质和污泥

试验用水采用去离子水，污水的物理性质(密度、黏度等)接近于去离子水[17]，模拟介质假定为去离子水，两者之间的流态特性差别可以忽略；颗粒污泥采用强碱性苯乙烯阴离子交换树脂模拟。ABR中的颗粒污泥是椭圆形的，而树脂是球形的，实际颗粒污泥的直径可以通过采用树脂的等体积当量直径代替。树脂的湿真密度(1.05×103～1.10×103kg/m3)与颗粒污泥密度(1.025×103～1.080×103kg/m3)非常接近，且树脂的粒径0.3～1.2 mm与文献[18-19]报道的颗粒污泥粒径0.5～3 mm，相差不大，所以选用该树脂替代颗粒污泥具有较强的相似性。试验质量浓度控制在27 g/L，填充平均高度为35 mm。

图2 ABR试验测试系统拍摄分区情况及悬空高度Fig.2 Partitions and suspension height when taking photos by ABR test system

2.3 试验方案

悬空高度是指进水管喇叭口断面至ABR池底的距离，试验在悬空高度分别为80，230，380，530 mm和进水流量分别为0.846，0.558，0.270，0.018 m3/h组合的工况下进行，如图2所示。试验中PIV激光光源从反应器的左侧进入，如图1所示，CCD相机放置在反应器的正面，垂直于激光片光源方向。反应器试验总容积83 L，即有效水深0.44 m。ABR折流板内外侧区域的流态影响整个反应室的底物转化效率和处理效率，因此实际拍摄区域选择为折流板内外侧关键截面的降流区A(124 mm×123 mm)和升流区B(330 mm×275 mm)，如图2所示，且拍摄断面在反应器宽度中心轴线上。试验中依次对降流区和升流区的关键截面进行拍摄，每组试验采集70对PIV图像。

3 试验结果分析

3.1 ABR降流区关键截面的流动特征

图3为反应器在不同悬空高度和进水流量组合工况下，降流区(A区)液体径向、轴向平均速度和平均涡量随悬空高度变化的规律;图4为不同悬空高度和流量组合工况下的流线和涡量(轴向为y轴方向，径向为x轴方向)。

图3 降流区不同流量下的液体径向、轴向平均速度和平均涡量随悬空高度变化的曲线Fig.3 Variations of mean flow velocity in the radial and axial directions and mean vortex with suspension height of inlet pipe in downward flow area under different flow Fates

由图3可以看出：

(1) 当进水流量为0.846 m3/h时，液体轴向、径向平均速度变化较小；液体平均涡量随悬空高度的上升呈先下降后上升的趋势，在悬空高度为80 mm时，平均涡量到达所有工况的峰值1.511 9 s-1。此时液相混合程度良好，良好的混合流态有助于减少死区，提高反应器容积和处理效率。

(2) 当进水流量为 0.558 m3/h时，液体径向平均速度和平均涡量随悬空高度的上升均呈逐渐下降趋势，在悬空高度为80 mm时到平均涡量达峰值1.413 8 s-1；轴向平均速度随悬空高度上升呈逐渐上升趋势，在悬空高度为530 mm时，达到所有工况的峰值0.159 4 m/s，说明此时液相回流程度最强。

(3) 当进水流量为0.270 m3/h时，液相径向平均速度随悬空高度的上升呈先下降后上升的趋势；轴向平均速度随悬空高度的上升呈逐渐上升的趋势；平均涡量随悬空高度的上升呈先下降后上升再下降的趋势。

(4) 当进水流量为0.018 m3/h时，液体径向、轴向平均速度随悬空高度的上升呈先下降后上升趋势；平均涡量随悬空高度的上升呈先上升后下降的趋势。

图4 降流区不同悬空高度和流量组合工况下的流线和涡量Fig.4 Streamlines and vorticity in different combined working conditions of suspension height and flow rate in downward flow area

由图3分析可见，降流区液相径向、轴向平均速度和平均涡量在不同的进水流量时随悬空高度的变化呈较大的差别。分析其原因看，当流量较大，悬空高度过小时，进水头部快速到达反应器底部，一部分液体形成反射流(指液体快速撞击池底后的反弹)，并冲起底部污泥；污泥悬浮与沉降的扰流、反射流、进水和沿折流板的回流交织在一起，四者形成较复杂的流态；一部分液体快速穿过折流板底缝和污泥的堵塞区；随着悬空高度的上升，进水在下降的过程中动能逐渐减弱，反射流随之减弱，进水对堵塞区冲击减弱，四者形成的复杂流态减弱。当流量较小，悬空高度过小时，进水头部很快接触到堵塞区域，较小的流速对堵塞区冲击较弱，小部分液体穿过污泥层，大部分液体沿折流板后壁上升形成回流，回流液体与降流区下降内侧部分液流形成两股方向相反的液流切应力，使液相处于旋流状态，且对液相的扰流加剧，但过小的流量无法冲起底部的污泥且回流速度较小，此时的液相流态特性主要受折流板角度和堵塞强度(指污泥的浓度和高度)的影响；随着悬空高度的上升，进水下降过程中动能逐渐减弱，进水对阻塞区的冲击持续减弱，流态呈涡旋结构，但流速较慢。

流量为0.846 m3/h的流动特征如图4(a)—图4(d)所示，可见：该工况下，随着悬空高度的下降，涡量分布面积更均匀且涡量值增强，说明液相混合程度良好。悬空高度在80～380 mm范围时，涡量分布面积差别较小；悬空高度在530 mm时，截面中心形成较大的涡旋结构，且涡量集中在涡旋结构区域。流量0.558 m3/h的流动特征如图4(e)—图4(h)所示，可见：该工况下，流动特征与流量为0.846 m3/h的流动特征差别较小。

流量为0.270 m3/h的流动特征如图4(i)—图4(l)所示，可见：该工况下，涡量分布面积在悬空高度380 mm时分布最大，在悬空高度530 mm时上部区域形成较大的涡旋结构。流量为0.018 m3/h的流动特征如图4(m)—图4(p)所示，可见：该工况下，4个悬空高度均形成了涡旋结构，随着悬空高度的下降,涡量分布面积呈先减少后增加的趋势。

由图4分析可见，随着悬空高度的下降，降流区涡量分布面积均匀，但涡量随进水流量的变化而不同，说明悬空高度的选取范围随进水量的变化而变化。降流区流态受进水流量、悬空高度、折流板结构(即折流板角度和折流板底部折缝高度)及堵塞强度(污泥浓度和高度)的共同作用，流场特性为四者作用的叠加；当折流板结构及堵塞强度不变时，以进水流量和悬空高度变化特性为主；四者的叠加作用产生的扰流对反应器降流区流场流动的影响主要体现在流场中产生回流和漩涡等非沿主流流向的流动特征。

3.2 ABR升流区关键截面的流动特征

图5为反应器在不同悬空高度和进水流量组合的工况下，升流区(B区)液体径向、轴向平均速度和平均涡量强度随悬空高度变化的规律。由图4可以看出，进水流量为0.846 m3/h时，液体径向、轴向平均速度和平均涡量变化较小。进水流量为0.558 m3/h时，液体径向、轴向平均速度和平均涡量强度均随悬空高度的上升呈先上升后下降趋势，三值均在悬空高度为380 mm到达峰值0.078 0 ,0.045 5m/s和0.310 2 s-1，说明此时液相流态良好。进水流量为0.270 m3/h时，液体径向、轴向平均速度和平均涡量均随悬空高度的上升呈先下降后上升再下降的趋势。进水流量为0.018 m3/h时，液体径向平均速度随悬空高度的上升呈逐渐下降区域；轴向平均速度随悬空高度的上升呈先下降后上升趋势；平均涡量随悬空高度的上升呈逐渐下降的趋势。

图5 升流区不同流量下的液体径向、轴向平均速度和平均涡量随进水管悬空高度变化曲线Fig.5 Variations of mean flow velocity in the radial and axial directions and mean vortex with suspension height of inlet pipe in upward flow area under different flow rates

由图5分析可见，升流区液相径向、轴向平均速度和平均涡量在不同的进水流量时,随悬空高度的变化也呈较大的差别。分析其原因看，当堵塞强度不变时，进水穿过折流板低缝和污泥床层堵塞区的速度和穿越堵塞区的液体流量与进水流量呈正比，与悬空高度呈反比，升流区随着不同进水流量形成不同的流态，因此，升流区的流态与降流区的流态存在因果关系。

流量为0.846 m3/h的流动特征如图6(a)—图6(d)所示，可见：该工况下，随着悬空高度的下降，涡量分布面积集中右边壁区域，中心区域形成较大的涡旋结构，且右边局部沟流面积逐渐加宽。悬空高度在230～380 mm范围时，涡量分布面积与强度值差别较小。流量0.558 m3/h的流动特征如图6(e)—图6(h)所示，可见：该工况下，流动特征与流量为0.846 m3/h的流动特征类似。可见进水流量较大时，过小的悬空高度使穿过堵塞区的进水沿导流板快速上升，并形成局部沟流，大量进水通过局部沟流区域快速进入下一格室，将会导致大量污泥流失，此时流态较差；随着悬空高度的上升(临界高度为530 mm)，局部沟流减弱，污泥流失将减少，涡量分布面积均匀，液相混合程度良好，有利于减少液相死区，提高反应器容积效率和处理效率，此时流态良好。

流量0.270 m3/h的流动特征如图6(i)—图6(l)所示，可见：该工况下，随着悬空高度的下降，涡旋结构向左逐渐偏移，局部沟流逐渐加宽和加强。流量0.018 m3/h的流动特征如图6(m)—图6(p)所示，可见：该工况下，随着悬空高度的下降，涡量分布面积减少，涡旋结构逐渐变大。

由图6分析可见，随着悬空高度的下降，升流区涡量分布面积减少，局部沟流加强，说明悬空高度的选取范围随进水量的变化而变化。升流区B区域流场受到流量变化、折流板结构(即折流板角度和折流板底部折缝的高度)、堵塞强度、导流板角度和悬空高度的共同作用，流场特性为五者作用的叠加；当折流板结构、堵塞强度和导流板角度固定时，以悬空高度和进水流量变化特性为主。五者的叠加作用产生的扰流对反应器升流区流场流动的影响主要体现在流场中产生沟流、漩涡和回流等非沿主流流向的流动特征；当进水流量固定时，ABR流场以悬空高度变化特性为主。

综上，悬空高度、进水流量和升流区的流态对ABR反应器至关重要。ABR结构的设计中，底部设有斜板，使得下降的液体流速在斜板断面骤然流速加大，对反应器底部的污泥床层形成冲击，使其污泥浮动并达到使水流均匀通过污泥层的目的。因此，斜板的存在导致ABR升流区和降流区的流态特性形成一定的因果关系，且前者对后者的影响较大；在折流板角度和底缝结构固定的情况下，ABR升流区和降流区的流态特性存在较大的差异，通过调节进水流量和进水管悬空高度可改变降流区的流态，进而改变升流区的流态，最终防止沟流的形成。当流量为0.018～0.270 m3/h和悬空高度在230～530 mm范围取值时，涡量分布面积均匀，局部沟流较弱。当流量为0.558～0.846 m3/h和当悬空高度小于530 mm时，将会造成升流区流态恶化，局部沟流致使大量污泥流失，反应器容积和处理效率下降，结合试验分析结果并考虑污水处理效率的要求，推荐悬空高度为530 mm。

4 结 论

试验采用PIV技术对ABR在不同进水流量和不同悬空高度组合工况下的液相流态特性规律进行了研究,分析得出以下结论：

(1) 悬空高度、进水流量和升流区的流态对ABR反应器至关重要，悬空高度在不同的进水流量下对降流区和升流区的液相速度、涡量和液相流态的影响呈不同特性；当流量固定时，反应器的流场以悬空高度变化特性为主；悬空高度的取值范围根据流量的变化而不同。

(2) 试验分析表明，当流量为0.018～0.270 m3/h、悬空高度在230～530 mm范围取值时，ABR的整体流态特性较为理想；当流量为0.558～0.846 m3/h、悬空高度在530 mm时，ABR的整体流态特性较为理想。

(3) 基于本文的分析成果，建议ABR结构设计时需考虑其他因素如沼气、流动阻力、进水中夹带的固体杂物等可能造成的堵塞等。本试验针对结构固定(绝对量分析)的ABR，对于具体反应条件下的ABR流态情况最好进行实际测定，必要时需要对各指标数值进行无量刚化处理。

[1] 周冬卉，吴时强，祝 龙，等．折流式厌氧反应器水力特性分析[J]．水利水运工程学报，2015，37(4)：37-42.

[2] 许 明，冯 骞，刘伟京，等．ABR反应器的结构参数对流动及混合特性的影响[J]．环境科学研究，2014，27(7)：758-762.

[3] 徐存东，杨 柯，肖 璐，等．竖向进水管布置对泵站进水流态的影响模拟[J]．灌溉机械工程学报，2012，30(1)：40-45.

[4] 张寿通，郭海燕，费庆志，等．斜板式ABR水力特性及生活污水的处理[J]．环境化学，2009，28(4)：492-496.

[5] VAN LIER J B,VAN DER ZEE F P, TAN N C G ,etal．Advances in High-rate Anaerobic Treatment Staging of Reactor Sysytems[J]．Water Scienceand Technology，2001，44(8)：15-25.

[6] HOLT C J，MATTHEW R G S，TERZIS E．A Comparative Study Using the Anaerobic Baffled Reactor to Treat a Phenolic Wastewater[C]∥Proceedings of the 8thIAWQ International Conference on Anaerobic Digestion．Sendai，Japan，May 25-29,1997，8(2)：40-47.

[7] ALETTE A M．Treatment of Dilute Wastes Using an Anaerobic Baffled Reactor：Effect of Low Temperate[J]．Water Reasearch，2000，34(15)：3867-3875.

[8] 耿亚鸽，张 翔，张浩勤，等．ABR反应器工程设计的技术探讨[J]．水处理技术，2009，35(2)：103-107.

[9] 马玲珑，唐艳葵，张寒冰．折流式厌氧反应器的设计[J]．广西大学学报(自然科学版)，2008，33(6)：378-380.

[10] MONTANTE G，PAGLIANTIMAGELLI A，MAGELLI F．Experimen-Talanalysis and Computational Modeling of Gas-Liq-Uidstirred Vvessels[J]．Chemical Engineering Research and Design，2007，85(5)：647-653.

[11] SAITO T，SAKAKIBARA K，MIYANMOTO Y，etal．A Study of Surfactant Effects on the Liquid-Phase Motion Aro-und a Zigzagging-Ascent Bubble Using a Recursive Cross-Correlation PIV[J]．Chemical Engineering Journal，2010，158(1)：39-50.

[12] CHENG Wen， MURAI Y, ISHIKAWA M,etal．An Algorithm for Estimating Liquid Flow Field from PTV Measurement Data of Bubble Motion[J]．Transactions of the Visualization Society of Japan，2004，23(11)：107-114.

[13] UNADKAT H，RIDLLY C D，HARGRAVE G K，etal．Application of Fluorescent PIV and Digital Image Analysis to Measure Turbulence Properties of Solid-Liquid Stirred Suspensions[J]．Chemical Engineering Research and Design，2009，87(4)：573-586.

[14] 杨小林，杨开明，张秉斌，等．折板絮凝池流场的粒子图像测速试验研究[J]．环境污染与防治，2008，30(12)：47-49.

[15] AJAY K P．Particle Image Velocimetry[J]．Current Science，2000，79(1)：51-60.

[16] 阮 驰，孙传东，白永林，等．水流场PIV测试系统示踪粒子特性研究[J]．试验流体力学，2006，20(2)：72-77.

[17] 王菊红，郭亚兵，胡钰贤．氧化沟弯道流场的模拟与改进[J]．能源与环境，2009，(6)：10-12.

[18] PEVERE A，GUIBAUD G，VAN HULLEBUSCH E D，etal．Effect of Na+and Ca2+on the Aggregation Properties of Sieved Anaerobic Granular Sludge[J]．Colloids and Surfaces，2007，306(1/2/3)：142-149.

[19] PIRES E C，HANISCH W S，ANDRADE M A N．An Original Procedure for Physical Simulation of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors [J]．Bioprocess and Biosystems Engineering，2000，23(4)：389-395.

(编辑:刘运飞)

Experimental Research on Effects of Layout of Vertical Inlet Pipe on Flow Pattern of Fluid Phase in Anaerobic Baffled Reactorby Particle Image Velocimetry

ZENG Tao，DONG Liang，LIU Shao-bei，ZHANG Chang-lian，WANG Yong，HE Yu

(Key Laboratory of Process Equipment and Control Engineering in Sichuan Colleges， Sichuan University of Science and Engineering, Zigong 643000，China)

The flow pattern of liquid phase in the first cell of anaerobic baffled reactor(ABR) was studied in association with laser particle image velocimetry(PIV) under the combined conditions of different inlet flow rates and suspension heights of inlet pipe of the ABR．Flow field data at key section in downward flow area and upward flow area of the reactor were obtained, and the curves of velocity of liquid phase and vorticity intensity vs. suspension height were acquired. Meanwhile, characteristics of relevant flow fields were obtained, including streamline pattern and vorticity field. Results revealed that reasonable suspension height of water inlet pipe was important for the first cell of ABR, for it could ensure good flow pattern, uniform distribution of ABR vortex area, effective prevention of local channel flow and dead zone at liquid phase and stable operation of ABR. According to the experimental results, we suggest the range of suspension height of inlet pipe between 230-530 mm when flow rate is in the range of0.018-0.270 m3/h , and 530 mm when flow rate is in the range of0.558-0.846 m3/h.

anaerobic baffled reactor；flow pattern of fluid phase；particle image velocimetry；layout of vertical inlet pipe；suspension height

2016-07-14；修回时期2016-09-11

四川省科技支撑计划项目(2014GZ0132)；自贡市科技局重点项目(2013X12)；四川理工学院创新基金项目(Y2016011)

曾 涛(1967-)，女，四川自贡人，教授，博士，主要从事多相流技术及应用方面的研究，(电话)13890085255(电子信箱)396109721@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160718 2017,34(11):54-60

X703.3

A

1001-5485(2017)11-0054-07