鼓泡和鼓泡-攪拌SBR好氧污泥顆?；芎姆治?/h1>
2021-08-09 02:13:46范文雯袁林江馬遠(yuǎn)征西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院陜西西安70077西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教育部西北水資源環(huán)境與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安70055
中國環(huán)境科學(xué) 2021年7期
范文雯,袁林江,馬遠(yuǎn)征,黃 浩 (.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院,陜西 西安 70077；.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部西北水資源環(huán)境與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 70055)
與傳統(tǒng)的活性污泥相比,好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí),表面光滑,具有沉降性能良好,污染物去除效果好等優(yōu)點(diǎn),在廢水處理領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢[1].已報(bào)道的絕大部分好氧顆粒污泥,培養(yǎng)于高徑比較高(H/D>5)的圓柱形鼓泡反應(yīng)器中[2-5].較高的高徑比提供了較長的運(yùn)動(dòng)軌跡和較高的剪切速率,有利于污泥之間的相互碰撞,為好氧污泥顆?；峁┝擞辛l件[6-8].低高徑比中,由于反應(yīng)器內(nèi)水力剪切力較小、污泥的運(yùn)動(dòng)路徑也較短,不利于好氧顆粒污泥的形成.目前,關(guān)于低高徑比反應(yīng)器好氧顆粒污泥的培養(yǎng),多采用厭氧-好氧、預(yù)曝氣-厭氧-好氧交替的方式進(jìn)行,但運(yùn)行條件復(fù)雜,好氧污泥顆?；瘯r(shí)間也較長[10-14].低高徑比反應(yīng)器中加入橫向機(jī)械攪拌,有利于好氧顆粒污泥的形成,縮短污泥顆?；臅r(shí)間[15].然而,高高徑比和低高徑比反應(yīng)器,在好氧污泥顆?；^程中,污泥的特性產(chǎn)生差異的原因、水力剪切速率之間的關(guān)系、能耗差異等問題,仍缺乏研究和分析[15-17].
流體動(dòng)力學(xué)模型(CFD)是一種預(yù)測流體運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)和其他相關(guān)現(xiàn)象的方法,通過求解數(shù)學(xué)方程來描述質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物質(zhì)平衡的過程[18-19].本文分別在高高徑比的鼓泡 SBR和低高徑比的鼓泡-攪拌 SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥,考察好氧污泥顆粒化過程中,污泥粒徑、分形維數(shù)、微生物特性的變化.根據(jù)成熟好氧顆粒污泥的特性,建立 CFD 模型,對(duì)鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器中好氧顆粒污泥形成前后的能耗進(jìn)行對(duì)比分析,從水力學(xué)角度分析2個(gè)反應(yīng)器污泥特性出現(xiàn)差異的原因.
1 材料與方法
1.1 接種污泥及進(jìn)水水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)接種污泥取自陜西西安市第四污泥處理廠(缺氧/厭氧/好氧)的好氧池末端污泥.實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水,以無水乙酸鈉為碳源1200mg/L,氯化銨為氮源 200mg/L,磷酸二氫鉀為磷源 60mg/L,MgSO4·7H2O100mg/L, CaCl260mg/L,并添加微量元素 0.5mL/L.微量元素(g/L),分別為: EDTA10g/L,KI0.18g/L, FeSO4·7H2O1.54g/L, H3BO300.15g/L,CoCl2·6H2O 0.15g/L, CuSO4·5H2O 0.03g/L,ZnSO4·7H2O0.12g/L,MnCl2·4H2O0.12g/L,Na2MoO4·2 H2O 0.06g/L.
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行參數(shù)
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(A、B)所示,2個(gè)反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃.系統(tǒng)采用恒流泵從底部進(jìn)水,曝氣量由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制,通過砂芯曝氣頭和空氣泵由反應(yīng)器底部供氣.反應(yīng)器內(nèi)的 pH值為 7.0±0.2.反應(yīng)器體積交換率 50%.反應(yīng)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程利用時(shí)間控制器進(jìn)行自動(dòng)控制,系統(tǒng)溫度為室溫,在22～25℃ 變化.曝氣量分別設(shè)為:鼓泡反應(yīng)器 200L/h(表觀氣速(SGV)=2.0cm/s);鼓泡攪拌反應(yīng)器 800L/h(SGV=1.05cm/s),攪拌槳轉(zhuǎn)速 N=300r/min.反應(yīng)器尺寸及運(yùn)行參數(shù)如表1所示.
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the SBR
表1 反應(yīng)器尺寸及運(yùn)行條件Table 1 The dimension and operation condition of reactor
1.3 分析指標(biāo)及測定方法
污泥容積指數(shù)SVI和污泥懸浮固體濃度MLSS采用體積質(zhì)量法和重量法[20].好氧顆粒污泥沉降速度的測定采用靜水沉降法[21].采用激光粒度儀(LS230/SVM, Beckman, USA)測定好氧污泥顆?；^程中的均值粒徑及粒徑分布,污泥粒徑測定范圍0～2000μm.好氧污泥顆?；^程中,污泥形態(tài)的變化由電子顯微鏡(Nikon ECLIPSE 50i, Japan)(尼康)和數(shù)碼相機(jī)圖像采集兩部分組成.污泥的密實(shí)度及規(guī)則程度通過其分形維數(shù)定量表征.采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-6510LV)(日本電子)對(duì)顆粒污泥微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析.借助電子顯微鏡及其圖像處理功能對(duì)單個(gè)絮狀污泥和顆粒污泥的投影面積A、周長P和特征長度Lmax進(jìn)行測量,污泥測量的個(gè)數(shù)大于1000[16].流體的表觀黏度(μ)與流體所受的剪切應(yīng)力和剪切速率相關(guān).對(duì)于牛頓流體而言,流體單位面積上的剪切應(yīng)力(τ)與剪切速率(γ)呈線性關(guān)系,即 τ=μγ;對(duì)于擬塑性流體而言,流體所受的剪切應(yīng)力與剪切速率呈非線性關(guān)系,可表示為 τ=Kγn[22].流體在運(yùn)動(dòng)過程中所受的剪切速率和剪切應(yīng)力將發(fā)生變化,為了精準(zhǔn)估算不同條件下各流體的表觀粘度,利用 LVDV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)粘度儀(美國博勒飛)測定不同剪切速率條件下(12.2,14.7,24.5,36.7,61.2,73.4,122s-1)的剪切應(yīng)力,并按牛頓流體和非牛頓流體分別計(jì)算擬合相應(yīng)條件下流體的表觀粘度.
1.4 數(shù)值模擬
1.4.1 物理模型 三維模型的建立與實(shí)際反應(yīng)器尺寸相同.反應(yīng)器尺寸如表 1所示.曝氣頭位于反應(yīng)器底部,反應(yīng)器A中,高3.0cm、直徑2.0cm.反應(yīng)器B中,高4cm、直徑3cm,攪拌槳尺寸與鼓泡-攪拌槳反應(yīng)器保持一致(圖2).
圖2 三維模型示意Fig.2 Three-dimensional computational domain
1.4.2 控制方程 建立三維瞬時(shí) Eulerian-Eulerian模型,模擬不同好氧顆粒污泥條件下,反應(yīng)器A和B內(nèi)氣-液-污泥三相流變化.模型中反應(yīng)器A和B各相的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、曳力方程、升力方程、湍流耗散模型、邊界滑移模型、湍流封閉方程與Fan等[23-24]的模型建立過程一致.
1.4.3 氣泡直徑分布 反應(yīng)器內(nèi)空氣入口的氣泡直徑計(jì)算方法,采用群體平衡模型(PBM)中的多尺寸組(MUSIC)模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過程與范文雯等[25]一致.
鼓泡反應(yīng)器(A)中,將0～16mm的氣泡分為15組,每組的氣泡分別為:0.509, 0.951, 1.299, 1.775, 2.425,3.313, 4.525, 5.349, 6.063, 8.000, 10.556, 11.536,12.125, 13.928, 15.758mm.入口的氣泡直徑為5.91mm,取第 9組氣泡作為入口的氣泡直徑進(jìn)行計(jì)算[23].
鼓泡-攪拌反應(yīng)器(B)中,將檢測到的0～20mm的氣泡分成18組,每組平均直徑分別為:0.3096, 0.5223,0.689, 0.909, 1.200, 1.583, 2.089, 2.756, 3.637, 4.800,6.333, 7.980, 9.854, 11.028, 14.551, 16.018, 17.945,19.200mm.進(jìn)口的氣泡直徑為5.91mm,選取第11組氣泡6.333mm作為入口的氣泡直徑[24].
1.4.4 運(yùn)行條件 液相和氣相均為 25℃時(shí)水和空氣的物理特性.污泥的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為 30%,污泥粒徑、密度、粘度根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定.曝氣量和攪拌槳轉(zhuǎn)速與實(shí)驗(yàn)條件相同.
1.4.5 初始及邊界條件 采用 GAMBIT 2.3.16前處理軟件建立三維模型,生成非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格.采用 FLUENT14.5Eulerian瞬時(shí)計(jì)算模型,壓力-速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法.計(jì)算時(shí)間60s,殘差曲線在<10-4時(shí)收斂.模型計(jì)算初始,反應(yīng)器內(nèi)的液相和氣相停滯,氣含率為 0.速度進(jìn)口設(shè)在曝氣頭表面,出口位于反應(yīng)器頂端.
邊界條件:對(duì)液相和污泥邊界,壁面為無滑移邊界;對(duì)氣相邊界,壁面為滑移邊界.
1.4.6 網(wǎng)格和時(shí)間步長 網(wǎng)格的大小和時(shí)間步長與模型的精確性和計(jì)算時(shí)長有關(guān).網(wǎng)格和時(shí)間步長的獨(dú)立性通過反應(yīng)器內(nèi)的體積平均氣含率驗(yàn)證.不同條件下,網(wǎng)格的大小和時(shí)間步長的獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果如表2和表 3所示.鼓泡反應(yīng)器,網(wǎng)格的大小分別為2(Mesh 1), 3(Mesh 2), 4(Mesh 3)和5mm(Mesh 4),時(shí)間步長分別為0.01, 0.05, 0.10, 0.20, 1.00s.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于522608和時(shí)間步長小于0.10s時(shí),模型計(jì)算的體積平均氣含率與網(wǎng)格和時(shí)間步長的大小無關(guān).根據(jù)CPU的計(jì)算時(shí)間,選取網(wǎng)格2603055和時(shí)間步長 0.10s對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算.鼓泡-攪拌反應(yīng)器,根據(jù)不同的網(wǎng)格大小將網(wǎng)格劃為 4類,且分別采用普通網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格,研究攪拌槳類型對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響.滑移網(wǎng)格為高90mm、直徑104mm的圓柱,時(shí)間步長分別為0.05, 0.10, 0.50, 1.00s.與普通網(wǎng)格相比較,采用滑移網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果更精確,也更符合實(shí)驗(yàn)的檢測結(jié)果,時(shí)間步長選取0.10s.
表2 鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Table 2 The independence of the mesh in bubble SBR and bubble-stirring SBR
表3 鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器時(shí)間步長敏感性分析Table 3 The sensitivity of time step in bubble SBR and bubble-stirring SBR
2 結(jié)果與討論
2.1 好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及性能
2.1.1 污泥形態(tài)及分形維數(shù)變化 鼓泡反應(yīng)器和鼓泡-攪拌反應(yīng)器好氧污泥顆粒化過程中,污泥形態(tài)的變化和分形維數(shù)的變化如圖3和圖4所示.基于分形理論[26],D2表示污泥的密實(shí)程度,其值越接近于 2,表明污泥結(jié)構(gòu)越密實(shí).鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器接種污泥相同,均為棕色活性污泥絮體,結(jié)構(gòu)松散,形狀不規(guī)則,并有少量絲狀菌存在(圖 3a、3b),D2=1.65.隨著時(shí)間的延長,鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)均出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)密實(shí)、表面光滑、邊界清晰的好氧顆粒污泥.相比較而言,鼓泡反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥以桿菌為主,而鼓泡-攪拌反應(yīng)器中絲狀菌不僅分布在好氧顆粒污泥表面,且纏繞貫穿于整個(gè)顆粒污泥中,好氧顆粒污泥內(nèi)部主要由絲狀菌和桿菌構(gòu)成.2個(gè)反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥內(nèi)部均存在孔隙.密實(shí)度D2在2個(gè)反應(yīng)器中均是先增加后減小,25d達(dá)到逐漸穩(wěn)定狀態(tài),鼓泡反應(yīng)器中,密實(shí)度最終維持在D2=1.80±0.02,鼓泡-攪拌反應(yīng)器中維持在 D2=1.75±0.02.相比較而言,鼓泡反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥更加密實(shí).
圖3 顆粒化過程中污泥形態(tài)變化Fig.3 Pictures of sludge during the granulation
圖4 顆?；^程中污泥分形維數(shù)變化Fig.4 Variation of fractal dimension during the granulation
2.1.2 污泥沉降性能及 MLSS變化 污泥容積指數(shù) SVI是表征污泥沉降性能的直觀指標(biāo).好氧污泥顆?；^程中,鼓泡反應(yīng)器 SVI先降低再升高,最后趨于穩(wěn)定.鼓泡-攪拌反應(yīng)器SVI先增加后減小,最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)(圖5).鼓泡反應(yīng)器中,污泥SVI降低是因?yàn)榻臃N污泥活性較低,含有大量無機(jī)物質(zhì),此時(shí)污泥的沉降性能較好.隨后,污泥在強(qiáng)剪切力的作用下,活性快速升高,但沉降性能變差,當(dāng)有初始顆粒形成后,污泥的沉降性能增加.鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,由于反應(yīng)器高徑比較低,盡管存在橫向攪拌的剪切力,但反應(yīng)器內(nèi)仍形成了大量絲狀菌,使 SVI增加至大于200mL/g.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,絲狀菌逐漸在橫向攪拌的作用下纏繞在污泥表面,初始顆粒形成后,污泥的沉降性能提高.25d后,鼓泡反應(yīng)器SVI 36.33mL/g,鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的 SVI 41.33mL/g,均處于好氧顆粒污泥SVI在20～100mL/g的范圍[27-29].
圖5 顆?；^程中SVI和MLSS變化Fig.5 Variation of SVI and MLSS during the granulation
好氧污泥顆?；^程中,2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的MLSS均先因反應(yīng)器內(nèi)水力選擇壓作用而降低,此后隨著好氧顆粒污泥的形成,反應(yīng)器內(nèi)的 MLSS逐漸增加,并逐漸趨于穩(wěn)定.鼓泡反應(yīng)器中的MLSS由初始的4000mg/L,運(yùn)行 9d后達(dá)到最低值 1532mg/L,然后逐漸上升,23d時(shí)達(dá)到 4498mg/L,此后基本維持在4500mg/L左右.而鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,MLSS由初始的4000mg/L,運(yùn)行7d后達(dá)到最低值827mg/L,然后逐漸上升,15d時(shí)達(dá)到 2233mg/L,此后基本維持在3300mg/L左右.鼓泡-攪拌反應(yīng)器中的MLSS減小速率大于鼓泡反應(yīng)器,這與高徑比較低的反應(yīng)器中形成絲狀菌有關(guān).但隨著好氧污泥顆?；?絲狀菌纏繞在顆粒表面和內(nèi)部,污泥的 MLSS逐漸上升,但其值仍小于鼓泡反應(yīng)器中的MLSS.
2.1.3 污泥粒徑變化 污泥粒徑是表征污泥顆?；闹匾獏?shù)之一,由均值粒徑隨運(yùn)行時(shí)間的變化可知(圖 6),鼓泡和鼓泡攪拌反應(yīng)器內(nèi)的污泥均值粒徑隨運(yùn)行時(shí)間逐漸增加.鼓泡反應(yīng)器內(nèi)污泥的均值粒徑在 35d時(shí)為 0.604mm,平均沉降速度為(24±5.8)m/h.鼓泡-攪拌反應(yīng)器,35d時(shí)污泥的最大粒徑可達(dá) 1.123mm,污泥的平均沉降速度為(19.6±5.1)m/h,大于傳統(tǒng)活性污泥6.12～15.12m/h的沉降速度[30].然而與鼓泡反應(yīng)器形成的好氧顆粒污泥相比,當(dāng)顆粒的均值粒徑相接近時(shí),鼓泡-攪拌反應(yīng)器中好氧顆粒的沉降速率較低[31],這與污泥的密實(shí)度有關(guān).
圖6 顆粒污泥均值粒徑Fig.6 Profile of mean diameter of the granular sludge
2.2 能耗分析
CFD模型預(yù)測結(jié)果表明,反應(yīng)器內(nèi)形成大小不一的小尺度螺旋上升旋渦可成功培養(yǎng)好氧顆粒污泥[21].根據(jù)鼓泡反應(yīng)器和鼓泡-攪拌反應(yīng)器水力模型的結(jié)果可知,2個(gè)反應(yīng)器中的水力特性不同[23-24],而根據(jù)好氧顆粒污泥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,2種反應(yīng)器內(nèi)形成好氧顆粒污泥的特性不同(表 4).建立 CFD模型,對(duì)鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器中好氧顆粒污泥形成前后的能耗進(jìn)行對(duì)比分析,并從水力學(xué)角度分析 2個(gè)反應(yīng)器污泥特性出現(xiàn)差異的原因.
表4 SBR中絮體污泥和35d時(shí)好氧顆粒污泥的特性Table 4 The characteristics of convenient activated sludge and aerobic granular sludge at 35d in SBR
模型預(yù)測的湍動(dòng)能(TKE)和水力剪切速率(duz/dx)在不同反應(yīng)器中的軸向分布(X/D,X表示為反應(yīng)器的軸向方向,D則為反應(yīng)器的直徑)如圖 7和圖8所示.好氧顆粒污泥培養(yǎng)初期,鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的湍動(dòng)能遠(yuǎn)大于鼓泡反應(yīng)器,約為 100倍左右(圖7a、b).好氧顆粒污泥形成前后,鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的湍動(dòng)能大小幾乎不變,只是最大湍動(dòng)能的位置由攪拌槳上部轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚢铇虏?而鼓泡反應(yīng)器內(nèi),隨著好氧顆粒污泥的形成,反應(yīng)器中上部位置的湍動(dòng)能明顯增加,且湍動(dòng)能的大小大于鼓泡-攪拌反應(yīng)器.反應(yīng)器內(nèi)湍動(dòng)能的大小與電機(jī)的功率成正比,相比較而言,鼓泡-攪拌反應(yīng)器因攪拌槳的加入,電機(jī)輸入的功率較大,因此好氧污泥培養(yǎng)初期獲得的湍動(dòng)能較大.好氧顆粒形成之后,由于 2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)污泥的性質(zhì)以及流體環(huán)境的不同,湍動(dòng)能發(fā)生變化,鼓泡反應(yīng)器相對(duì)節(jié)約能量.
圖7 模型預(yù)測的湍動(dòng)能沿反應(yīng)器軸向的分布Fig.7 The radial distribution of time-average TKE
反應(yīng)器中的湍動(dòng)能還與水力剪切速率的大小成正比,由圖8可知,反應(yīng)器內(nèi)的污泥為絮體污泥時(shí),鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的剪切速率略大于鼓泡反應(yīng)器,但因攪拌槳的作用,其軸向變化相對(duì)穩(wěn)定,且剪切的方向單一.而鼓泡反應(yīng)器內(nèi),剪切速率的方向不斷發(fā)生變化,說明污泥在鼓泡反應(yīng)器內(nèi)受到的剪切效果更好.好氧顆粒污泥形成后,剪切速率在鼓泡反應(yīng)器內(nèi)有明顯的增加,但過大的剪切速率并不利于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定,因此,好氧顆粒污泥形成后,可將鼓泡反應(yīng)器內(nèi)的表觀氣速適當(dāng)減小,一方面有利于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定,另一方面可降低反應(yīng)器內(nèi)的能耗.鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,盡管攪拌槳的水平旋轉(zhuǎn)為反應(yīng)器在橫向增加了驅(qū)動(dòng)力,并為小尺度旋渦的形成做出了貢獻(xiàn),既而增加了反應(yīng)器中水力剪切力的大小,但水力剪切的方向單一,使污泥表面受到的剪切效率降低.再者,由于鼓泡-攪拌反應(yīng)器的高徑比較低,流體和污泥在軸向的相互作用與高徑比較高的反應(yīng)器相比,轉(zhuǎn)瞬即至,從而影響了污泥的性能.因此,在低高徑比的反應(yīng)器中,更好的發(fā)展軸向的流態(tài)可能有益于性能良好、結(jié)構(gòu)密實(shí)光滑的好氧顆粒污泥形成.而 CFD模擬如何提高低高徑比反應(yīng)器中流體和微生物聚集體的相互作用,是今后研究的重點(diǎn).相比較而言,鼓泡反應(yīng)器不僅有利于性能良好、結(jié)構(gòu)密實(shí)光滑的好氧顆粒污泥形成,而且相對(duì)節(jié)約能耗.
圖8 模型預(yù)測的剪切速率沿反應(yīng)器軸向的分布Fig.8 The radial distribution of time-average duz/dx
3 結(jié)論
3.1 鼓泡反應(yīng)器中,在高徑比 120/6,表觀氣速2.0cm/s條件下形成了表觀光滑、結(jié)構(gòu)密實(shí)的好氧顆粒污泥,均值粒徑 0.604mm,平均沉降速度為(24±5.8)m/h, SVI為36.33mL/g, MLSS維持在4500mg/L左右.
3.2 高徑比1.2的鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,在攪拌速度300r/min、表觀氣速1.05cm/s的條件下,成功培養(yǎng)以絲狀菌為骨架的好氧顆粒污泥.均值粒徑可達(dá)1.123mm,污泥的平均沉降速度為(19.6±5.1)m/h, SVI為41.33mL/g, MLSS維持在3300mg/L左右.
3.3 CFD 模型表明,好氧顆粒污泥培養(yǎng)初期, 鼓泡-攪拌反應(yīng)器因攪拌槳的加入,其獲得的湍動(dòng)能遠(yuǎn)大于鼓泡反應(yīng)器,約為100倍左右.好氧顆粒形成之后,由于2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)污泥的性質(zhì)以及流體環(huán)境的不同,湍動(dòng)能發(fā)生變化,鼓泡反應(yīng)器中上部位置的湍動(dòng)能明顯增加,且湍動(dòng)能的大小大于鼓泡-攪拌反應(yīng)器.鼓泡反應(yīng)器相對(duì)節(jié)約能量.
猜你喜歡
摩擦系數(shù)對(duì)不同高徑比坯料鐓粗鼓的影響規(guī)律鍛壓裝備與制造技術(shù)(2022年5期)2022-11-22 02:07:34 馬尾松人工林高徑比變化規(guī)律中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2022年7期)2022-09-26 03:12:28 基于Armijo搜索步長的BFGS與DFP擬牛頓法的比較研究成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2021年5期)2021-12-30 06:25:30 顆?；旌先占Z的研究進(jìn)展中國動(dòng)物保健(2021年10期)2021-11-23 05:43:15 不同高徑比煤巖力學(xué)性能及破壞特征實(shí)驗(yàn)研究中國礦業(yè)(2020年5期)2020-05-22 01:01:56 顆?；{(diào)理劑在污泥堆肥中的應(yīng)用中國資源綜合利用(2017年3期)2018-01-22 02:45:56 顆?；{(diào)理劑滾筒篩分選特性研究中國資源綜合利用(2017年1期)2018-01-22 02:44:26 三軸試樣高徑比對(duì)試驗(yàn)影響的顆粒流數(shù)值模擬中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年7期)2015-10-28 05:47:48 基于逐維改進(jìn)的自適應(yīng)步長布谷鳥搜索算法河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年5期)2015-03-11 16:16:37 純氧曝氣污泥顆?；捌浣Y(jié)構(gòu)解析安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年4期)2014-07-11 01:45:58
范文雯,袁林江,馬遠(yuǎn)征,黃 浩 (.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院,陜西 西安 70077；.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部西北水資源環(huán)境與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 70055)
與傳統(tǒng)的活性污泥相比,好氧顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí),表面光滑,具有沉降性能良好,污染物去除效果好等優(yōu)點(diǎn),在廢水處理領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢[1].已報(bào)道的絕大部分好氧顆粒污泥,培養(yǎng)于高徑比較高(H/D>5)的圓柱形鼓泡反應(yīng)器中[2-5].較高的高徑比提供了較長的運(yùn)動(dòng)軌跡和較高的剪切速率,有利于污泥之間的相互碰撞,為好氧污泥顆?；峁┝擞辛l件[6-8].低高徑比中,由于反應(yīng)器內(nèi)水力剪切力較小、污泥的運(yùn)動(dòng)路徑也較短,不利于好氧顆粒污泥的形成.目前,關(guān)于低高徑比反應(yīng)器好氧顆粒污泥的培養(yǎng),多采用厭氧-好氧、預(yù)曝氣-厭氧-好氧交替的方式進(jìn)行,但運(yùn)行條件復(fù)雜,好氧污泥顆?；瘯r(shí)間也較長[10-14].低高徑比反應(yīng)器中加入橫向機(jī)械攪拌,有利于好氧顆粒污泥的形成,縮短污泥顆?；臅r(shí)間[15].然而,高高徑比和低高徑比反應(yīng)器,在好氧污泥顆?；^程中,污泥的特性產(chǎn)生差異的原因、水力剪切速率之間的關(guān)系、能耗差異等問題,仍缺乏研究和分析[15-17].
流體動(dòng)力學(xué)模型(CFD)是一種預(yù)測流體運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)和其他相關(guān)現(xiàn)象的方法,通過求解數(shù)學(xué)方程來描述質(zhì)量、動(dòng)量、能量和物質(zhì)平衡的過程[18-19].本文分別在高高徑比的鼓泡 SBR和低高徑比的鼓泡-攪拌 SBR反應(yīng)器中培養(yǎng)好氧顆粒污泥,考察好氧污泥顆粒化過程中,污泥粒徑、分形維數(shù)、微生物特性的變化.根據(jù)成熟好氧顆粒污泥的特性,建立 CFD 模型,對(duì)鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器中好氧顆粒污泥形成前后的能耗進(jìn)行對(duì)比分析,從水力學(xué)角度分析2個(gè)反應(yīng)器污泥特性出現(xiàn)差異的原因.
1 材料與方法
1.1 接種污泥及進(jìn)水水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)接種污泥取自陜西西安市第四污泥處理廠(缺氧/厭氧/好氧)的好氧池末端污泥.實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水,以無水乙酸鈉為碳源1200mg/L,氯化銨為氮源 200mg/L,磷酸二氫鉀為磷源 60mg/L,MgSO4·7H2O100mg/L, CaCl260mg/L,并添加微量元素 0.5mL/L.微量元素(g/L),分別為: EDTA10g/L,KI0.18g/L, FeSO4·7H2O1.54g/L, H3BO300.15g/L,CoCl2·6H2O 0.15g/L, CuSO4·5H2O 0.03g/L,ZnSO4·7H2O0.12g/L,MnCl2·4H2O0.12g/L,Na2MoO4·2 H2O 0.06g/L.
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行參數(shù)
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(A、B)所示,2個(gè)反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃.系統(tǒng)采用恒流泵從底部進(jìn)水,曝氣量由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制,通過砂芯曝氣頭和空氣泵由反應(yīng)器底部供氣.反應(yīng)器內(nèi)的 pH值為 7.0±0.2.反應(yīng)器體積交換率 50%.反應(yīng)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程利用時(shí)間控制器進(jìn)行自動(dòng)控制,系統(tǒng)溫度為室溫,在22～25℃ 變化.曝氣量分別設(shè)為:鼓泡反應(yīng)器 200L/h(表觀氣速(SGV)=2.0cm/s);鼓泡攪拌反應(yīng)器 800L/h(SGV=1.05cm/s),攪拌槳轉(zhuǎn)速 N=300r/min.反應(yīng)器尺寸及運(yùn)行參數(shù)如表1所示.
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the SBR
表1 反應(yīng)器尺寸及運(yùn)行條件Table 1 The dimension and operation condition of reactor
1.3 分析指標(biāo)及測定方法
污泥容積指數(shù)SVI和污泥懸浮固體濃度MLSS采用體積質(zhì)量法和重量法[20].好氧顆粒污泥沉降速度的測定采用靜水沉降法[21].采用激光粒度儀(LS230/SVM, Beckman, USA)測定好氧污泥顆?；^程中的均值粒徑及粒徑分布,污泥粒徑測定范圍0～2000μm.好氧污泥顆?；^程中,污泥形態(tài)的變化由電子顯微鏡(Nikon ECLIPSE 50i, Japan)(尼康)和數(shù)碼相機(jī)圖像采集兩部分組成.污泥的密實(shí)度及規(guī)則程度通過其分形維數(shù)定量表征.采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-6510LV)(日本電子)對(duì)顆粒污泥微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析.借助電子顯微鏡及其圖像處理功能對(duì)單個(gè)絮狀污泥和顆粒污泥的投影面積A、周長P和特征長度Lmax進(jìn)行測量,污泥測量的個(gè)數(shù)大于1000[16].流體的表觀黏度(μ)與流體所受的剪切應(yīng)力和剪切速率相關(guān).對(duì)于牛頓流體而言,流體單位面積上的剪切應(yīng)力(τ)與剪切速率(γ)呈線性關(guān)系,即 τ=μγ;對(duì)于擬塑性流體而言,流體所受的剪切應(yīng)力與剪切速率呈非線性關(guān)系,可表示為 τ=Kγn[22].流體在運(yùn)動(dòng)過程中所受的剪切速率和剪切應(yīng)力將發(fā)生變化,為了精準(zhǔn)估算不同條件下各流體的表觀粘度,利用 LVDV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)粘度儀(美國博勒飛)測定不同剪切速率條件下(12.2,14.7,24.5,36.7,61.2,73.4,122s-1)的剪切應(yīng)力,并按牛頓流體和非牛頓流體分別計(jì)算擬合相應(yīng)條件下流體的表觀粘度.
1.4 數(shù)值模擬
1.4.1 物理模型 三維模型的建立與實(shí)際反應(yīng)器尺寸相同.反應(yīng)器尺寸如表 1所示.曝氣頭位于反應(yīng)器底部,反應(yīng)器A中,高3.0cm、直徑2.0cm.反應(yīng)器B中,高4cm、直徑3cm,攪拌槳尺寸與鼓泡-攪拌槳反應(yīng)器保持一致(圖2).
圖2 三維模型示意Fig.2 Three-dimensional computational domain
1.4.2 控制方程 建立三維瞬時(shí) Eulerian-Eulerian模型,模擬不同好氧顆粒污泥條件下,反應(yīng)器A和B內(nèi)氣-液-污泥三相流變化.模型中反應(yīng)器A和B各相的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、曳力方程、升力方程、湍流耗散模型、邊界滑移模型、湍流封閉方程與Fan等[23-24]的模型建立過程一致.
1.4.3 氣泡直徑分布 反應(yīng)器內(nèi)空氣入口的氣泡直徑計(jì)算方法,采用群體平衡模型(PBM)中的多尺寸組(MUSIC)模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過程與范文雯等[25]一致.
鼓泡反應(yīng)器(A)中,將0～16mm的氣泡分為15組,每組的氣泡分別為:0.509, 0.951, 1.299, 1.775, 2.425,3.313, 4.525, 5.349, 6.063, 8.000, 10.556, 11.536,12.125, 13.928, 15.758mm.入口的氣泡直徑為5.91mm,取第 9組氣泡作為入口的氣泡直徑進(jìn)行計(jì)算[23].
鼓泡-攪拌反應(yīng)器(B)中,將檢測到的0～20mm的氣泡分成18組,每組平均直徑分別為:0.3096, 0.5223,0.689, 0.909, 1.200, 1.583, 2.089, 2.756, 3.637, 4.800,6.333, 7.980, 9.854, 11.028, 14.551, 16.018, 17.945,19.200mm.進(jìn)口的氣泡直徑為5.91mm,選取第11組氣泡6.333mm作為入口的氣泡直徑[24].
1.4.4 運(yùn)行條件 液相和氣相均為 25℃時(shí)水和空氣的物理特性.污泥的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為 30%,污泥粒徑、密度、粘度根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定.曝氣量和攪拌槳轉(zhuǎn)速與實(shí)驗(yàn)條件相同.
1.4.5 初始及邊界條件 采用 GAMBIT 2.3.16前處理軟件建立三維模型,生成非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格.采用 FLUENT14.5Eulerian瞬時(shí)計(jì)算模型,壓力-速度耦合采用Phase Coupled SIMPLE算法.計(jì)算時(shí)間60s,殘差曲線在<10-4時(shí)收斂.模型計(jì)算初始,反應(yīng)器內(nèi)的液相和氣相停滯,氣含率為 0.速度進(jìn)口設(shè)在曝氣頭表面,出口位于反應(yīng)器頂端.
邊界條件:對(duì)液相和污泥邊界,壁面為無滑移邊界;對(duì)氣相邊界,壁面為滑移邊界.
1.4.6 網(wǎng)格和時(shí)間步長 網(wǎng)格的大小和時(shí)間步長與模型的精確性和計(jì)算時(shí)長有關(guān).網(wǎng)格和時(shí)間步長的獨(dú)立性通過反應(yīng)器內(nèi)的體積平均氣含率驗(yàn)證.不同條件下,網(wǎng)格的大小和時(shí)間步長的獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果如表2和表 3所示.鼓泡反應(yīng)器,網(wǎng)格的大小分別為2(Mesh 1), 3(Mesh 2), 4(Mesh 3)和5mm(Mesh 4),時(shí)間步長分別為0.01, 0.05, 0.10, 0.20, 1.00s.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于522608和時(shí)間步長小于0.10s時(shí),模型計(jì)算的體積平均氣含率與網(wǎng)格和時(shí)間步長的大小無關(guān).根據(jù)CPU的計(jì)算時(shí)間,選取網(wǎng)格2603055和時(shí)間步長 0.10s對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算.鼓泡-攪拌反應(yīng)器,根據(jù)不同的網(wǎng)格大小將網(wǎng)格劃為 4類,且分別采用普通網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格,研究攪拌槳類型對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響.滑移網(wǎng)格為高90mm、直徑104mm的圓柱,時(shí)間步長分別為0.05, 0.10, 0.50, 1.00s.與普通網(wǎng)格相比較,采用滑移網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果更精確,也更符合實(shí)驗(yàn)的檢測結(jié)果,時(shí)間步長選取0.10s.
表2 鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Table 2 The independence of the mesh in bubble SBR and bubble-stirring SBR
表3 鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器時(shí)間步長敏感性分析Table 3 The sensitivity of time step in bubble SBR and bubble-stirring SBR
2 結(jié)果與討論
2.1 好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及性能
2.1.1 污泥形態(tài)及分形維數(shù)變化 鼓泡反應(yīng)器和鼓泡-攪拌反應(yīng)器好氧污泥顆粒化過程中,污泥形態(tài)的變化和分形維數(shù)的變化如圖3和圖4所示.基于分形理論[26],D2表示污泥的密實(shí)程度,其值越接近于 2,表明污泥結(jié)構(gòu)越密實(shí).鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器接種污泥相同,均為棕色活性污泥絮體,結(jié)構(gòu)松散,形狀不規(guī)則,并有少量絲狀菌存在(圖 3a、3b),D2=1.65.隨著時(shí)間的延長,鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)均出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)密實(shí)、表面光滑、邊界清晰的好氧顆粒污泥.相比較而言,鼓泡反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥以桿菌為主,而鼓泡-攪拌反應(yīng)器中絲狀菌不僅分布在好氧顆粒污泥表面,且纏繞貫穿于整個(gè)顆粒污泥中,好氧顆粒污泥內(nèi)部主要由絲狀菌和桿菌構(gòu)成.2個(gè)反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥內(nèi)部均存在孔隙.密實(shí)度D2在2個(gè)反應(yīng)器中均是先增加后減小,25d達(dá)到逐漸穩(wěn)定狀態(tài),鼓泡反應(yīng)器中,密實(shí)度最終維持在D2=1.80±0.02,鼓泡-攪拌反應(yīng)器中維持在 D2=1.75±0.02.相比較而言,鼓泡反應(yīng)器中形成的好氧顆粒污泥更加密實(shí).
圖3 顆粒化過程中污泥形態(tài)變化Fig.3 Pictures of sludge during the granulation
圖4 顆?；^程中污泥分形維數(shù)變化Fig.4 Variation of fractal dimension during the granulation
2.1.2 污泥沉降性能及 MLSS變化 污泥容積指數(shù) SVI是表征污泥沉降性能的直觀指標(biāo).好氧污泥顆?；^程中,鼓泡反應(yīng)器 SVI先降低再升高,最后趨于穩(wěn)定.鼓泡-攪拌反應(yīng)器SVI先增加后減小,最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)(圖5).鼓泡反應(yīng)器中,污泥SVI降低是因?yàn)榻臃N污泥活性較低,含有大量無機(jī)物質(zhì),此時(shí)污泥的沉降性能較好.隨后,污泥在強(qiáng)剪切力的作用下,活性快速升高,但沉降性能變差,當(dāng)有初始顆粒形成后,污泥的沉降性能增加.鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,由于反應(yīng)器高徑比較低,盡管存在橫向攪拌的剪切力,但反應(yīng)器內(nèi)仍形成了大量絲狀菌,使 SVI增加至大于200mL/g.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,絲狀菌逐漸在橫向攪拌的作用下纏繞在污泥表面,初始顆粒形成后,污泥的沉降性能提高.25d后,鼓泡反應(yīng)器SVI 36.33mL/g,鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的 SVI 41.33mL/g,均處于好氧顆粒污泥SVI在20～100mL/g的范圍[27-29].
圖5 顆?；^程中SVI和MLSS變化Fig.5 Variation of SVI and MLSS during the granulation
好氧污泥顆?；^程中,2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的MLSS均先因反應(yīng)器內(nèi)水力選擇壓作用而降低,此后隨著好氧顆粒污泥的形成,反應(yīng)器內(nèi)的 MLSS逐漸增加,并逐漸趨于穩(wěn)定.鼓泡反應(yīng)器中的MLSS由初始的4000mg/L,運(yùn)行 9d后達(dá)到最低值 1532mg/L,然后逐漸上升,23d時(shí)達(dá)到 4498mg/L,此后基本維持在4500mg/L左右.而鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,MLSS由初始的4000mg/L,運(yùn)行7d后達(dá)到最低值827mg/L,然后逐漸上升,15d時(shí)達(dá)到 2233mg/L,此后基本維持在3300mg/L左右.鼓泡-攪拌反應(yīng)器中的MLSS減小速率大于鼓泡反應(yīng)器,這與高徑比較低的反應(yīng)器中形成絲狀菌有關(guān).但隨著好氧污泥顆?；?絲狀菌纏繞在顆粒表面和內(nèi)部,污泥的 MLSS逐漸上升,但其值仍小于鼓泡反應(yīng)器中的MLSS.
2.1.3 污泥粒徑變化 污泥粒徑是表征污泥顆?；闹匾獏?shù)之一,由均值粒徑隨運(yùn)行時(shí)間的變化可知(圖 6),鼓泡和鼓泡攪拌反應(yīng)器內(nèi)的污泥均值粒徑隨運(yùn)行時(shí)間逐漸增加.鼓泡反應(yīng)器內(nèi)污泥的均值粒徑在 35d時(shí)為 0.604mm,平均沉降速度為(24±5.8)m/h.鼓泡-攪拌反應(yīng)器,35d時(shí)污泥的最大粒徑可達(dá) 1.123mm,污泥的平均沉降速度為(19.6±5.1)m/h,大于傳統(tǒng)活性污泥6.12～15.12m/h的沉降速度[30].然而與鼓泡反應(yīng)器形成的好氧顆粒污泥相比,當(dāng)顆粒的均值粒徑相接近時(shí),鼓泡-攪拌反應(yīng)器中好氧顆粒的沉降速率較低[31],這與污泥的密實(shí)度有關(guān).
圖6 顆粒污泥均值粒徑Fig.6 Profile of mean diameter of the granular sludge
2.2 能耗分析
CFD模型預(yù)測結(jié)果表明,反應(yīng)器內(nèi)形成大小不一的小尺度螺旋上升旋渦可成功培養(yǎng)好氧顆粒污泥[21].根據(jù)鼓泡反應(yīng)器和鼓泡-攪拌反應(yīng)器水力模型的結(jié)果可知,2個(gè)反應(yīng)器中的水力特性不同[23-24],而根據(jù)好氧顆粒污泥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,2種反應(yīng)器內(nèi)形成好氧顆粒污泥的特性不同(表 4).建立 CFD模型,對(duì)鼓泡和鼓泡-攪拌反應(yīng)器中好氧顆粒污泥形成前后的能耗進(jìn)行對(duì)比分析,并從水力學(xué)角度分析 2個(gè)反應(yīng)器污泥特性出現(xiàn)差異的原因.
表4 SBR中絮體污泥和35d時(shí)好氧顆粒污泥的特性Table 4 The characteristics of convenient activated sludge and aerobic granular sludge at 35d in SBR
模型預(yù)測的湍動(dòng)能(TKE)和水力剪切速率(duz/dx)在不同反應(yīng)器中的軸向分布(X/D,X表示為反應(yīng)器的軸向方向,D則為反應(yīng)器的直徑)如圖 7和圖8所示.好氧顆粒污泥培養(yǎng)初期,鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的湍動(dòng)能遠(yuǎn)大于鼓泡反應(yīng)器,約為 100倍左右(圖7a、b).好氧顆粒污泥形成前后,鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的湍動(dòng)能大小幾乎不變,只是最大湍動(dòng)能的位置由攪拌槳上部轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚢铇虏?而鼓泡反應(yīng)器內(nèi),隨著好氧顆粒污泥的形成,反應(yīng)器中上部位置的湍動(dòng)能明顯增加,且湍動(dòng)能的大小大于鼓泡-攪拌反應(yīng)器.反應(yīng)器內(nèi)湍動(dòng)能的大小與電機(jī)的功率成正比,相比較而言,鼓泡-攪拌反應(yīng)器因攪拌槳的加入,電機(jī)輸入的功率較大,因此好氧污泥培養(yǎng)初期獲得的湍動(dòng)能較大.好氧顆粒形成之后,由于 2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)污泥的性質(zhì)以及流體環(huán)境的不同,湍動(dòng)能發(fā)生變化,鼓泡反應(yīng)器相對(duì)節(jié)約能量.
圖7 模型預(yù)測的湍動(dòng)能沿反應(yīng)器軸向的分布Fig.7 The radial distribution of time-average TKE
反應(yīng)器中的湍動(dòng)能還與水力剪切速率的大小成正比,由圖8可知,反應(yīng)器內(nèi)的污泥為絮體污泥時(shí),鼓泡-攪拌反應(yīng)器內(nèi)的剪切速率略大于鼓泡反應(yīng)器,但因攪拌槳的作用,其軸向變化相對(duì)穩(wěn)定,且剪切的方向單一.而鼓泡反應(yīng)器內(nèi),剪切速率的方向不斷發(fā)生變化,說明污泥在鼓泡反應(yīng)器內(nèi)受到的剪切效果更好.好氧顆粒污泥形成后,剪切速率在鼓泡反應(yīng)器內(nèi)有明顯的增加,但過大的剪切速率并不利于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定,因此,好氧顆粒污泥形成后,可將鼓泡反應(yīng)器內(nèi)的表觀氣速適當(dāng)減小,一方面有利于好氧顆粒污泥的穩(wěn)定,另一方面可降低反應(yīng)器內(nèi)的能耗.鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,盡管攪拌槳的水平旋轉(zhuǎn)為反應(yīng)器在橫向增加了驅(qū)動(dòng)力,并為小尺度旋渦的形成做出了貢獻(xiàn),既而增加了反應(yīng)器中水力剪切力的大小,但水力剪切的方向單一,使污泥表面受到的剪切效率降低.再者,由于鼓泡-攪拌反應(yīng)器的高徑比較低,流體和污泥在軸向的相互作用與高徑比較高的反應(yīng)器相比,轉(zhuǎn)瞬即至,從而影響了污泥的性能.因此,在低高徑比的反應(yīng)器中,更好的發(fā)展軸向的流態(tài)可能有益于性能良好、結(jié)構(gòu)密實(shí)光滑的好氧顆粒污泥形成.而 CFD模擬如何提高低高徑比反應(yīng)器中流體和微生物聚集體的相互作用,是今后研究的重點(diǎn).相比較而言,鼓泡反應(yīng)器不僅有利于性能良好、結(jié)構(gòu)密實(shí)光滑的好氧顆粒污泥形成,而且相對(duì)節(jié)約能耗.
圖8 模型預(yù)測的剪切速率沿反應(yīng)器軸向的分布Fig.8 The radial distribution of time-average duz/dx
3 結(jié)論
3.1 鼓泡反應(yīng)器中,在高徑比 120/6,表觀氣速2.0cm/s條件下形成了表觀光滑、結(jié)構(gòu)密實(shí)的好氧顆粒污泥,均值粒徑 0.604mm,平均沉降速度為(24±5.8)m/h, SVI為36.33mL/g, MLSS維持在4500mg/L左右.
3.2 高徑比1.2的鼓泡-攪拌反應(yīng)器中,在攪拌速度300r/min、表觀氣速1.05cm/s的條件下,成功培養(yǎng)以絲狀菌為骨架的好氧顆粒污泥.均值粒徑可達(dá)1.123mm,污泥的平均沉降速度為(19.6±5.1)m/h, SVI為41.33mL/g, MLSS維持在3300mg/L左右.
3.3 CFD 模型表明,好氧顆粒污泥培養(yǎng)初期, 鼓泡-攪拌反應(yīng)器因攪拌槳的加入,其獲得的湍動(dòng)能遠(yuǎn)大于鼓泡反應(yīng)器,約為100倍左右.好氧顆粒形成之后,由于2個(gè)反應(yīng)器內(nèi)污泥的性質(zhì)以及流體環(huán)境的不同,湍動(dòng)能發(fā)生變化,鼓泡反應(yīng)器中上部位置的湍動(dòng)能明顯增加,且湍動(dòng)能的大小大于鼓泡-攪拌反應(yīng)器.鼓泡反應(yīng)器相對(duì)節(jié)約能量.
猜你喜歡
鍛壓裝備與制造技術(shù)(2022年5期)2022-11-22 02:07:34
中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2022年7期)2022-09-26 03:12:28
成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(2021年5期)2021-12-30 06:25:30
中國動(dòng)物保健(2021年10期)2021-11-23 05:43:15
中國礦業(yè)(2020年5期)2020-05-22 01:01:56
中國資源綜合利用(2017年3期)2018-01-22 02:45:56
中國資源綜合利用(2017年1期)2018-01-22 02:44:26
中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2015年7期)2015-10-28 05:47:48
河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(2015年5期)2015-03-11 16:16:37
安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2014年4期)2014-07-11 01:45:58
