基于TMAH废水的厌氧反应器螺旋布水器性能研究

杨 鹿,董连东,王子凡,蒋士龙,董全宇,张伟浩

(中国电子系统工程第二建设有限公司,江苏 无锡 214000)

四甲基氢氧化胺(TMAH)是半导体、液晶面板生产制造过程中的有机物之一。TMAH是一种含氮有机化合物,呈强碱性,具有较强的神经毒性,若不加以处置直接排放会对生态环境及人体健康造成严重影响[1]。电子行业TMAH废液中TMAH质量浓度多在1%～2.38%,属于难降解的含高浓度有机氮废水[2]。TMAH废水处理工艺一般有：①物理法,包括活性炭吸附、氧化石墨烯吸附、超滤膜分离、离子交换等;②化学法,包括光催化氧化、臭氧催化氧化、热催化氧化等;③生物法,包括好氧、缺氧、厌氧等。其中,好氧生物法和厌氧生物法是目前TMAH废水处理常用的工艺[3]。好氧生物法和厌氧生物法是利用好氧生物(污泥)或者厌氧生物(污泥)分解TMAH,从而达到处理TMAH的目的[4]。而布水器作为好氧生物法和厌氧生物法处理TMAH废水反应器内一个关键部件,兼具布水和搅拌功能,决定反应器的进水方式,影响反应器床层流态,涉及反应器床内的相际传质[5-6]。故此,布水器构型的优劣直接关系到反应器的处理效能。而常见布水器在布水过程中较难吹起反应器底部沉降的污泥,反应器底部的流体也较难均匀,因此需要调整布水器的形态;而螺旋布水器具备吹起反应器底部沉降污泥的能力,从而实现加速反应器底部流体的流动,消除流动死区,实现反应器内部布水均匀[7-8]。

本文采用计算流体动力学(CFD)方法,研究应用螺旋布水器的TMAH废水处理厌氧反应器内部的性能,可以有效地避免传统方法的高费用、耗时长等缺点,快速获得布水器和反应器内部的流动特性,分析其结构设计的合理性[9]。

1 计算模型

1.1 分析对象

TMAH废水处理厌氧反应器通常由罐体、布水器、三相分离器等组成,待处理的废水通过水泵等压力输送装置送入布水器,通过布水器均匀布水,形成理想的流体形态,在反应器内部通过微生物的代谢作用,达到处理废水的目的。本文以TMAH废水处理厌氧反应器为依托,通过CFD的方法分析其性能。

1.2 分析设定

1.2.1网格划分

网格划分是数值模拟过程中的重要组成部分,网格的数量和质量关系到数值模拟的时间、精度和收敛性。为了更准确地模拟,在物理梯度变化较大的布水孔及周边等地方适当地对网格进行加密,并且按照网格的无关性验证分析步骤,再平衡计算效率和计算精度,确定采用多面体网格模型,整体网格数量为265万。

1.2.2湍流模型

在流体模拟中,常用的湍流模型根据模型复杂度和迭代计算量排序,从低到高依次为标准k- 模型、重整规划群(RNG)k-模型、可实现的k-模型、标准k-模型、剪切压力传输(SST)k-模型。上述模型均为双方程湍流模型,k表示湍动能,ε表示耗散率,ω表示比耗散率。

标准k-ω模型基于Wilcoxk-ω模型,该模型对低雷诺数效应、可压缩性和剪切流扩展进行了优化。Wilcox模型的弱点之一是对剪切层外部的k和ω值极其敏感(自由流敏感性),因此对自由剪切流的预测不佳。不过经过对标准k-ω模型多年的修改,逐渐提高了预测自由剪切流的准确性。本模拟工作不仅需要精确计算反应器底部近壁区域的流场,还需要保证反应器整体流场的计算精度,该模型不满足后一项要求,因而不使用。

剪切压力传输(SST)k-ω模型由Menter开发,有效地将近壁区域k-ε模型稳健而精确的公式与远场中k-ε模型的自由流无关性进行了融合,将k-ε模型转换为一个k-ω公式用于远离壁面的区域,在近壁区域则依然使用标准k-ω模型。同时,SSTk-ω模型在ω方程中加入了阻尼交叉扩散导数项,并在湍流黏度的定义中考虑了湍流剪切应力的传递,在近壁区域自由流、逆压梯度流动等方面有着更高的精度。可见,该模型可同时满足精确计算反应器底部近壁区域的流场和保证反应器整体流场计算精度的要求,因而使用该湍流模型。

分析设定参数如下：设定反应器内只有待处理的废水,废水的密度1 050 kg/m3,黏度0.001 003 kg/(m·s)。其余分析设定参数如下：时间,稳态;湍流模型,SSTk-ω;边界条件为流量入口5 m3/h,压强出口;压力-速度耦合为耦合;松弛因子为默认。

2 结果与讨论

2.1 布水孔倾角对反应器内整体流场的影响

螺旋布水器的目的是使TMAH废水处理厌氧反应器内部的流态呈现螺旋流态,从而吹起反应器底部沉降污泥,实现污泥的半流化,提升TMAH废水处理厌氧反应器的处理效率,而螺旋布水器的布水孔设计实现螺旋布水的关键。

研究发现,布水孔倾角α为0°时,反应器内大部分流体为垂直向上流动,尤其是反应器上半部分流体。布水孔倾角α增加到7.5°时,与0°时相比,反应器内大部分流体的流动形态是绕反应器中轴线做水平螺旋流动。布水孔倾角α为60°时的流场形态与7.5°时相似,只是流体平均速度更大。由此可知,当布水孔存在倾角时,反应器内流体的流动可能会呈现为水平螺旋流态。

不同布水孔倾角α下的布水孔内流体平均速度,即流体从布水器布水孔喷出时的平均初速度,如表1所示。由表1可看出,布水孔内流体平均速度3.188～3.211 m/s,仅相差0.18%,可忽略不计,可知改变布水孔倾角α不影响流体喷出时的初速度。进一步分析可知,当布水孔存在倾角时,流体从布水孔喷出时就可获得水平方向初速度,流体在其自身

表1 不同布水孔倾角α下的布水孔内流体平均速度

水平初速度和反应器圆柱内壁面的共同作用下形成螺旋流,布水孔倾角α在一定范围内越大,流体的水平初速度越大,流体螺旋流动的速度也越大。

2.2 布水孔倾角对反应器内流体平均流速的影响

TMAH废水处理厌氧反应器内部的流体速度,影响TMAH废水的处理效果。速度过大,厌氧微生物(污泥)对废水处理的效果较差;速度过小,容易引起厌氧微生物(污泥)沉降,达不到高效处理的目的。因此为了更好地分析布水孔倾角对反应器内部流速的影响,需关注靠近布水孔附近的反应器底部横截面以及穿过布水孔纵界面的流速,结合反应器结构,选择反应器底部横截面y=3 mm(靠近布水孔)的横截面和穿过布水孔的纵截面x=155 mm(直于布水器一根支管的轴线,且与该支管的自内向外第三个喷嘴的轴线重合),分析其流动状态。布水孔倾角对流体平均速度的影响见图1。

图1 布水孔倾角对流体平均速度的影响

由图1可知,体积流量Qv=5 m3/h时,不同布水孔倾角α下反应器内流体平均速度v和反应器底部横截面y=3 mm的流体平均速度vy3。反应器内流体平均速度v随布水孔倾角α增大而增大;横截面y=3 mm的流体平均速度随布水孔倾角α的增大先增大后减小,α=52.5°时横截面y=3 mm的平均流速最大;任何布水孔倾角α下,截面y=3 mm的平均流速都大于平均速度。

不同布水孔倾角α下的布水器入口压强pin见表2,全部在7 950～7 952 Pa,仅相差0.03%,可忽略不计,可认为相同体积流量QV下,入口压强pin与

表2 不同布水孔倾角α下的布水孔入口压强

布水孔倾角α无关,由于布水器的进水功率P=QV×pin。可得出结论,在相同的进水流量QV下,改变布水孔倾角α不影响布水器的能耗。因此,选择合适的布水器布水孔倾角α,即可在不提升系统能耗的前提下提升反应器性能。

2.3 布水孔倾角对反应器底部流场的影响

图2为布水孔倾角α为0°、30°、60°、82.5°时纵截面x=155 mm布水孔附近的流体速度云图,该面垂直于布水器一根支管的轴线,且与该支管的自内向外第三个喷嘴的轴线重合。图2中水平黑实线是横截面y=3 mm位置。

图2 面x=155 mm的局部流体速度云图

流体从喷嘴中喷出后会带动周围流体一起高速流动,最终速度降低至与周围流体相近,在此过程中,从喷嘴中喷出流体的动能不断传递给周围流体,这种流动叫做射流,图2d中可以看到一个较为完整的射流区[10]。

布水孔倾角α越小,布水孔轴线(即射流方向)与反应器底面的夹角越大,射流对反应器底面的冲击越猛烈,冲击带来的流体动能损失越大,相同体积流量QV下(相同系统能耗)反应器内流体平均流速v就越小。布水孔倾角α=0°时,射流区与横截面y=3 mm的重合区域位于喷嘴正下方,重合面积仅比喷嘴孔径大一圈,尽管重合区域的流体速度非常大,但射流对横截面y=3 mm其余区域的流速提升极小,因而横截面y=3 mm的流体平均速度最小;随着布水孔倾角α的增大,射流区与面y=3 mm的重合面积增大,vy3增大。当布水孔倾角α增大到60°左右时,vy3最大。继续增大布水孔倾角α,重合区域的流体平均速度降低,导致vy3开始降低。

射流与反应器底面共同作用使反应器底部区域的流体速度大于反应器内流体的平均速度,使布水器能够吹起反应器底部沉积污泥,但污泥上升到一定高度后又会因重力下落,而非从顶部出口离开反应器,从而实现污泥的半流化,既使厌氧反应器底部的污泥充分发挥作用,又减轻了三相分离器的压力。

2.4 不同流量下布水孔倾角对反应器性能的影响

假定一个虚拟的(人造的)流动或者说假定流体是单一一种流体流过所在区域时的速度叫做表观速度(u),不考虑其他的相、颗粒或者是多孔介质,表观速度可以表示为：

其中：QV,单位时间通过所在区域的流量;A,所在区域的横截面积。表观速度在工程学上应用广泛,这是因为它的值往往已知,并且没有歧义。相反,在复杂流系统中流体穿过所在区域的流体平均速度u却因为湍流、涡流、螺旋流等原因较为复杂。由于湍流、涡流、螺旋流等不同流态存在,流体平均速度v通常大于表观速度u,而反应器内流体平均速度v和表观速度u的比值v/u是流体在反应器中平均路径长度的反映。v/u值越大,表明流体在反应器中的平均路径越长,从而提升反应器内的混合和传质效果。

如图3所示,布水孔倾角α为0°、15°、30°、60°时反应器内流体平均速度和表观速度的比值v/u与体积流量QV的关系图。

图3 不同布水孔倾角α下的v/u随Qv的变化趋势

由图3可知,v/u可在QV不同时比较流体在反应器中的平均路径长度。从图3可以看出,与其余三条线相比,α=0°时,即布水孔垂直向下时,随着体积流量QV的增加,v/u几乎没有增加。也就是说,布水孔垂直向下时,提升体积流量QV即系统能耗几乎不带来反应器的混合和传质效果的提升,而斜置布水孔能明显提升混合和传质效果,布水孔倾角α(相同体积流量)越大或体积流量越大(相同布水孔倾角α),能增加废水在高效厌氧反应器内部走过的路径,即能增加废水在反应器内部停留的时间,从而增加废水与微生物(污泥)反应的时间,从而提高TMAH废水处理厌氧反应器的效率。

2.5 布水孔数量对反应器流场的影响

布水孔数量是布水器上开孔的数量,布水孔数量增加,有利于增加布水器的布水均匀性,但开孔过多,影响布水器的强度。如图4所示,布水孔倾角α=60°时,布水孔数量为1、2、4、8、16个时的反应器内流体平均速度(v)和反应器底部横截面y=3 mm的流体平均速度(vy3),可见布水孔数量的改变对v和vy3的数值大小影响不大。

图4 布水孔数量对流体平均速度的影响

不同布水孔数量下的反应器内流体速度和横截面y=3 mm流体速度的分布均匀度如图5所示。从图5可以看出,随着布水孔数量的增加,两者的分布均匀度都得到提升,提升幅度分别为4.7%和16.4%,可见,增加布水孔数量对反应器内流体速度的平均值和分布均匀度的提升有一定帮助,但是布水孔数量超过8个,影响力逐渐下降。

图5 布水孔数量对流体速度分布均匀度的影响

不同布水孔数量的反应器底部横截面y=3 mm的流体速度云图可以明显看出,布水孔数量越多,反应器底部的流体速度分布越均匀。在反应器底部,最内侧布水孔的内侧存在低速区,该区域流体速度大小与反应器内流体平均流速相近。

3 结语

本文以TMAH废水处理厌氧反应器为分析对象,分析反应器内部的流动,针对目前TMAH废水处理厌氧反应器的布水器布水难以吹起底部污泥的痛点,提出了一种螺旋布水器,通过研究得到以下结论：①布水器中布水孔斜置可在高效厌氧反应器内部形成螺旋流场,其对底部的扰流、吹起沉降污泥的性能远高于垂直向下的布水孔;②水孔60°左右斜置时布水器吹起沉降污泥的能力最强;③布水孔与反应器底面的相对位置决定流体形态及布水器吹起沉降污泥的能力;增加布水孔数量n对反应器内流体速度的平均值和分布均匀度的提升有一定帮助,但是布水孔数量超过8个,影响力逐渐下降。