螺旋对称流厌氧反应器流场特性研究

张 剑,柳建设

东华大学环境科学与工程学院,国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心,上海 201620

中国改革开放以来，经济增长迅速，随着经济的快速增长，能源消费量也有了显著的增长：2015年我国能源消费总量为362000万t标准煤，较上年增长134万t标准煤[1]。同时中国对外部能源依赖进一步增加：1993年，中国首次成为石油的净进口国；2006年，中国首次成为天然气的净进口国；2009年，中国首次成为煤炭的净进口国[2]。中国国内能源资源的短缺，特别是石油的短缺，已经成为严重制约国民经济发展的“瓶颈”[3]。在诸多的新型替代能源中，甲烷作为燃料广泛应用于民用和工业中；作为化工原料，可以用来生产甲醇、乙炔、合成氨等[4]；厌氧发酵产甲烷化技术，能够减少二氧化碳气体的排放，转化过程具有一定的经济和生态优势，应用日渐广泛[5]。

鉴于此，本课题组研发的螺旋对称流厌氧反应器（Spiral Symmetry Stream Anaerobic Bioreactor，SSSABR）具有产生能源与治理污染的双重功效。而反应器的流场特性关系到泥水混合、污染基质扩散传质等方面，进而对反应器的高效运行产生影响[6-8]。因此，本文通过示踪试验，对SSSABR在内构件纵向分隔作用下的混合模型、灵敏度、死区率、空速等方面进行了研究。

1 材料和方法

1.1 试验系统

所采用的实验系统如图1所示，整个SSSABR呈圆柱状，总有效容积为6.0 L。反应器由布水区、螺旋反应区和三相分离区组成，其中，布水区有效容积为0.5 L，螺旋反应区有效容积为4.5 L，三相分离区的有效容积均为1.0 L。在螺旋反应区内以半椭圆形内构件导流挡板进行分割，厌氧反应过程中产生的气体可由内构件挡板下面的分散集气管分别进行收集导出，未被分散集气管收集的气体由三相分离区的集气总管集中收集排出。

本研究釆用模拟废水，其组成成份为：蔗糖5346 mg/L，NH4Cl 286 mg/L，CaCl2·2H2O 100.0 mg/L，微量元素浓缩液I和II各1 m/L，营养液（配方：酵母膏0.6 g/L，牛肉膏0.6 g/L，蛋白冻1.8 g/L，MgSO40.22 g/L，KH2PO47.54 g/L）32 ml/L，NaHCO3根据反应器运行负荷按需提供。接种颗粒污泥取自无锡某印染污水处理厂的IC厌氧反应器，在SSSABR中采用模拟废水培养驯化1个月。通过改变水力停留时间(HRT)调整反应器容积水力负荷，容积水力负荷L控制在2.00～6.00 L·L-1·d-1。由于生物厌氧消化产气速率有限，当产气量较大时，由气泵辅助产气，容积产气速率G为17～41 L·L-1·d-1。

图1 SSSABR结构示意图Fig.1 Schematic structure of SSSABR

1.2 试验过程

1.2.1 示踪剂的确定 本试验选用氟化钠作示踪剂，氟离子在废水中背景值极小，微生物也不利用氟作营养物质．氟离子的浓度用氟离子电极测定。试验投加了氟离子浓度为0.1 mol/L氟化钠溶液5 mL，总量为5×10-4mol。

1.2.2 操作方法 试验控制不同的水力停留时间（HRT）以模拟不同的容积水力负荷，采用脉冲刺激响应技术，瞬时注入一定量的氟离子作为示踪剂以形成脉冲信号，定期取样测定出水中的氟离子浓度，测定方法为氟离子选择电极法。

1.3 理论模型

1.3.1 描述流态特性的统计函数 根据测得的不同时间t的示踪剂氟离子浓度c(t)，利用公式（1）、（2）、（3）分别计算出停留时间分布密度函数E(t)、平均停留时间和停留时间分布的散度

1.3.2 多釜串联模型 一般来说，实际反应器介于理想平推流和全混流之间，可以将其简化为由N个CSTR反应器相串联而成，其中，N个反应器均为全混流流态，反应器之间无返混存在，各反应器体积相同，进出料体积流量相等。反应器出水中示踪剂浓度可表示为：

式中sτ为单釜平均HRT，N为串联釜数。

式中τ=Nsτ代表整个系统的平均HRT。

2 结果与分析

2.1 混合模型

如表1所示，本文针对分散集气管道是否通畅及运行负荷，共进行了8组（其水力负荷与产气速率值均在目前运行的SSSABR的范围内）脉冲示踪试验。8组试验中氟离子示踪剂的回收率为96.02%～99.77%，平均回收率为98.55%，示踪剂注入总量与流出总量基本一致。根据式(2)、(3)、(4)、 (8)，可算得平均停留时间、停留时间分布的散度采用无量纲时间表征散度串联釜数N等参数。

表1 氟离子示踪试验条件与结果Table1 The conditions and results of fluorine ion tracer tests

结果表明，低负荷（工况1、工况2）、中负荷（工况3、工况4）、高负荷（工况5、工况6）、超高负荷（工况7、工况8）的N值分别为（4.05、3.21）、（3.83、2.98）、（3.68、2.75）、（3.24、2.07），分散集气管通畅（工况1、工况3、工况5、工况7）与堵塞（工况2、工况4、工况6、工况8）的N值分别为（4.05、3.83、3.68、3.24）与（3.21、2.98、2.75、2.07），呈现逐渐减小的趋势，说明水流的推流状态在减弱，混流状态在增强。根据Chen和Fogler的观点[9,10]，当N＞3.00时，表示返混程度较小，则分散集气管通畅以及分散集气管堵塞低负荷工况下运行的返混程度较小，趋于平推流；分散集气管堵塞时的中、高和超高负荷工况下返混程度较大，趋于全混流。

1.2.2 时间因素：疾病从开始到进展恶化或缓解是一个动态的过程，每一阶段有不同的表现。而医务人员可能在疾病的某个阶段接触患者，因此并没有机会了解疾病的全过程。在某个时间节点，有些重要的有诊断意义的证据可能尚未出现或已经消失。例如哮喘的病情有明显的可逆性和可变性，1例青年学生患哮喘，急性发作时气急明显且有惊恐烦躁等精神症状。在发作后到医院检查，两肺未闻罗音，肺功能检查正常。一度误诊为“神经官能症”。

2.2 方程回归与灵敏度

根据表1数据，以容积水力负荷L（L·L-1·d-1）和容积产气速率G（L·L-1·d-1）为自变量，以串联釜数N为因变量，进行二元线性回归分析，可建立如下方程：

对式（10）、（11）分别进行回归显著性检验（F检验）式中，n为统计样本数，本试验n=4；m为自变量个数，本试验m=2；在给定置信水平(1-α)=0.95下，得到F1-α(m,n-m-1)=F0.95(2,1)=18.51。本试验式（10）、（11）的F值分别为27.28、35.21，均大于F0.95(2,1)，故式（10）、（11）回归效果显著。

由以上回归方程可知，影响串联釜数N的主要因素包括容积水力负荷L和容积产气速率G。为确定参数对串联釜数的影响，可按式（12）计算各参数灵敏度比[11]。

其中，SR为灵敏度比，Ei为不同工艺参数的效率指标值，Eb为基本指标值，Xi为工艺参数值，Xb为基本参数值。选用的基本参数Xb值为：L=2.67 L·L-1·d-1，G=20.00 L·L-1·d-1。经计算得，串联釜数N与水力负荷L的灵敏度比SR为0.126～0.153（分散集气管通畅）与0.184～0.250（分散集气管堵塞），串联釜数N与容积产气速率G的灵敏度比SR为0.151～0.255（分散集气管通畅）与0.297～0.308（分散集气管堵塞）。

2.3 反应器效率

2.3.1 死区率 一般死区可分为生物死区和水力死区两类。生物死区主要由厌氧污泥和污泥表面附着水层，以及由于污泥存在影响水流混合而造成的有效容积的损失所导致，水力死区则通常是由于反应器内部结构（如反应器的内构件等折角部位）所产生的[12]。在本试验中，加入颗粒污泥的湿体积为200 mL，反应器总有效容积为6 L，因此反应器内生物死区所占的体积百分比为3.3%。根据式（9），可推求出SSSABR的总死区率在HRT为720、540、360、240 min时分别为（7.5%、12.8%，平均为10.2%）、（6.9%、13.3%，平均为10.1%）、（7.5%、15.6%，平均为11.6%）、（10.4%、22.5%，平均为16.5%）。进而求得四种HRT下的水力死区率分别为（4.2%、9.5%，平均为6.9%）、（3.6%、10.0%，平均为6.8%）、（4.2%、12.3%，平均为8.3%）、（7.1%、19.2%，平均为13.2%）。

2.3.2 空速 空速为进料体积流量与反应器体积的比值，表示单位体积的反应器在单位时间内的所处理的物料量，空速越大，表明该反应器的处理效率越高。假设SSSABR内进行一级反应，由于各釜体积与操作条件相同，底物转化率η存在如下关系式：

式中，k表示反应速率常数；τs表示物料在每釜中的停留时间；N表示多釜串联釜数，Q表示进料体积流量，V表示反应器的总体积。

根据式（15），取N=1.2，2，3，4，绘制η-ν1/νN曲线，如图2。由图2可见，随着串联釜数N的增加，ν1/νN值逐渐减小。这说明平推流的增强有助于提高反应器的空速。假设预期的底物转化率η=0.9，ν1/νN的值分别为0.76（N=1.2）、0.47（N=2）、0.37（N=3）、0.34（N=4），其间差值逐渐减小，说明空速增加的幅度越来越小。

图2 η-ν1/νN曲线Fig.2 The curve ofη-ν1/νN

3 讨论

与相关文献比较，在相似HRT工况下，SSSABR水力死区率低于SAB（7.9%，HRT=780 min）[8]、EGSB（10.8%，HRT=720 min）[13]、UASB（26.5%，HRT=636 min）[14]、CAR（21.4%，HRT=360 min）[15]及活性污泥处理厂（25.1%，HRT=229～315 min）[16]。

根据式（12）的计算结果，产气速率G对流态的影响大于水力负荷L的影响。这与Tomlinson，Chen等人的研究结果一致[17,9]。集气管堵塞时的灵敏度比大于集气管通畅时的敏度比。究其原因，通过分段集气可以有效遏制气体在反应器内上升扰动所造成的流态变化，降低反应器流态受操作条件的影响。因此，保持分散集气管通畅有利于增强SSSABR运行时流态的稳定性。

串联釜数N的取值对实现反应器的高效运行至关重要。一方面，N值的增加有利于增加反应器内反应物的相对浓度，有利于反应向正方向的进行，有利于反应器空速的提高；另一方面，N值的增加限制了物料与颗粒污泥充分接触，不利于强化泥水传质，不利于对抗进口来水冲击负荷。根据上文分析，将N值控制在3～4可以兼顾较高的空速与一定的返混。

4 结论

（1）SSSABR混合模型特性：分散集气管通畅以及分散集气管堵塞低负荷工况下运行的返混程度较小（N＞3.00），趋于平推流；分散集气管堵塞时的中、高和超高负荷工况下返混程度较大（N＜3.00），趋于全混流；

（2）串联釜数N与容积水力负荷L和容积产气速率G的关系式：N=-0.312L+0.020G+4.322（分散集气管通畅）与N=-0.027L-0.041G+3.942（分散集气管堵塞），且产气速率G对流态的影响大于水力负荷L的影响，集气管堵塞时的灵敏度比大于集气管通畅时的敏度比；

（3）SSSABR的效率特性：总死区率在HRT为720、540、360、240 min时平均为10.2%、10.1%、11.6%、16.5%，其中，水力死区率分别为6.9%、6.8%、8.3%、13.2%。反应器空速随串联釜数N的增加逐渐增大，但幅度逐渐减小。

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