EGSB反应器的流态模拟研究

颜智勇　胡勇有　肖继波　谢磊　仲海涛
（华南理工大学造纸与环境工程学院，广东 广州　510641）

　　摘要：用自来水加葡萄糖配成 10 000 mg/L的溶液模拟废水，用强碱性阴离子树脂模拟生物颗粒污泥，用注入空气的方式模拟反应器中产生的沼气的方法，研究了颗粒污泥膨胀床反应器中的流态情况。结果表明：上升流速νup是影响EGSB反应器膨胀性能的主要参数，ν_up 小于10 m/h时，模拟的颗粒污泥不会流失；ν_up为3，4和6m/h时，通过示踪剂浓度计算出的试验平均停留时间分别为 54.2，46.2，28.3 min，均小于各自的理论平均停留时间，说明反应器中存在死区。在理论停留时间为 30，45，60 min时，反应器中的死区百分比分别为 5.6％，5.3％，9.7％，离散数分别为0.134，0.105，0.092。
　　关键词：EGSB 反应器；流态研究；污水处理；颗粒污泥
　　中图分类号：X703.1　 文献标识码：A　 文章编号：1009—2455（2004）02—0005—05

Simulation of Flow Patterns in EGSB Reactor
YAN Zhi－yong，HU Yong－you，XIAO Ji－ho，XIE Let，ZHONG Hai-tao
（College of Paper ＆ Environmental Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China）

　　Abstract：The flow patterns in expanded granular sludge bed was studied.A 10 000 mg／L solution　prepared with portable water and glucose was used to slmubo the waste water，a strong－ahallne anlon－exchange　resin was used to simulate the hlologlcal granular sludge，while the methane produced in the EGSB reactor was　simulated by injecting air.The result indicated that the flowing up velocity ν_up was the primary parameter　affecting the expandability of the EGSB reactor； when ν_up was lower than 10 m／h，the simulated granular sludge did not low away，while when vu。was 3 In／h，4 m／h and 6 In／h，he experlmelltal average residence time　calculated against the concentration of the tracer was 54.2 min，46.2 min and 28.3 mln respectively，each of　whlchwas smallerthan its respective theoretical average residence time，which Indicated the exlstence ofdead　zones.When the theratlcal residence time was 30 mln，45 mln and 60 mln，the percentages ofdead zone In the　reactor were 5.6％，5.3％and 9.7％，and the dispersion numbers were 0.134，0.105 and 0.092 respectively.
　　Key Words：EGSB reactor；study of flow patterns;watewater treatment;granularsludge

　　EGSB用于处理高浓度有机废水已日益受到人们的重视。流态对任何一种生化反应器的性能都有重要的影响，在EGSB反应器中，固、液、气混合共存使得研究EGSB实际流态是非常困难的。在研究EGSB反应器内的水力学行为方面，尽管作了不少努力，但是结果仍然不能令人信服。本文模拟EGSB反应器中的环境（颗粒污泥、沼气和废水），通过不同水力条件的停留时间分布和流态观察方法，来研究 EGSB反应器中的流态行为，为反应器的设计提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置与流程
　　模拟试验是在小试EGSB反应器中进行，该装置有效容积 80L，边长为0.16m，有效高度为3.0m的有机玻璃柱体。该装置中安装有三层集气罩的三相分离器。放人反应器中的树脂质量为20kg，填充高度为1.04 m，占有效容积的 35％。曝气头均匀放置在反应器的底部，反应器内的温度控制在30℃。具体流程如图1。

　　模拟废水从废水槽中泵人反应器底端，液体从反应器顶部排出；气体收集于三相分离器中，然后进人水封罐，水封罐有助于保持集气室里的气体压力，防止浮渣堵塞出气孔。水封罐出来的气体通过一个带有刻度的储气罐来收集，根据压出的水量计算出气体的量。
1.2 试验材料
　　①颗粒污泥：用强碱性苯乙烯阴离子交换树脂来模拟颗粒污泥。它的湿真密度（1.06 × 10³～1.10 × 10³ kg／m³）与颗粒污泥密度（1.025 ×10³～1.08 ×10³ kg／m³）非常接近，并且树脂的粒径（0.315～1.25 mm）与文献[1-2]报道的颗粒污泥粒径（0.5～3 mm）相差不大，所以选用该树脂模拟颗粒污泥具有较强的相似性。树脂颜色为淡黄色，有利于观察流态情况，真实厌氧颗粒污泥取自武汉某啤酒厂EGSB反应器。
　　②沼气：沼气用外加空气的方式来模拟。因空气和甲烷都难溶于水，故收集空气的体积作为产甲烷的值是比较准确的（在实验前使空气在液体中过饱和），所以以空气模拟反应器中的沼气也具有较好的相似性。
　　③废水：据文献[2] 报道，在 30℃时，EGSB反应器中废水的粘度一般为 0.86 mPa·s，用自来水加葡萄糖在 30℃时配制成 10 000 mg/L的溶液粘度为0.85 mPa·s，与反应器中的废水粘度相近。
1.3 试验方法
　　运用脉冲示踪剂法来研究流动模式和水力停留时间在反应器中的分布。即在反应器的进液口处瞬时注人示踪剂（Li₂SO₄·H₂O）^［3］，脉冲信号为4.0mg/L的示踪剂溶液，用一个注射器吸取5 mL溶液迅速（0～5 S，被认为是瞬时的）注入到进料口处，在出口处取样分析示踪剂浓度。在注人示踪后，再立即注人适当的红色墨水来进行流态的观察。颗粒污泥及树脂的粒径测定采用湿式筛法；示踪剂浓度采用原子吸收法进行分析。

2 结果与分析

2.1 颗粒污泥及树脂粒径分布
　　采自EGSB反应器中的颗粒污泥是椭球形的，而树脂是球形的。尽管如此，实际颗粒污泥的直径仍可以通过采用树脂的等体积当量直径计算。采用标准筛对厌氧颗粒污泥及树脂的粒径进行筛分。结果见图2、图3。

　　

　　从图2、图3可知，粒径在0.5～1.25 mm之间的树脂占 90％以上，而粒径在0.5～1.5 mm之间的颗粒污泥占85％以上。说明两者在粒径分布上具有较好的一致性。
2.2 产气模拟
　　产气用外加空气来模拟，气量根据文献资料[1]来确定。厌氧法在理论上每去除1kg COD可以产生 0.35 m³ 的纯甲烷气（0℃、l.013 × 10⁵Pa下），设甲烷产量为理论产量的80％，沼气中含甲烷70％，废水的 COD为 10 000 mg／L，每天处理废水200 L，根据反应器稳定运行时，处理容积负荷（以 COD计）为 10 kg ／（m³·d），COD去除率为80％计算，则平均产沼气量为 36 L／h。布气系统采用微孔曝气头，气泡直径在0.2－lmm左右，与实际反应器中的气泡接近。
2.3 膨胀试验模拟研究
　　进水表面上升流速ν_up和厌氧过程产生的沼气量 Q_gas是影响 EGSB中颗粒污泥膨胀程度，进而影响反应器运行稳定性的重要参数，因此研究ν_up和Q_gas。与颗粒污泥膨胀床膨胀率的关系，对指导EGSB反应器的运行和放大具有重要的指导意义。
2.3.l 水力上升流速与膨胀率的关系
　　水力上升流速与膨胀率关系见图4。

　　从图4可知，V_up越大，膨胀率就越大，当V_up在 2 m/h时，颗粒膨胀较小，膨胀率只有 7.5％，而当V_up为 10 m／h时，膨胀率达到了 83％，颗粒层界面接近三相分离器底部，此时的三相分离器顶端距出水口的距离为65 cm，由此可知，EGSB中如果用颗粒污泥接种，适合采用较大的水力上升流速，在此过程中观察到无论哪一种流速，都出现清晰的固一液界面层。从该试验的6个不同。、与所对应的膨胀率进行回归计算得：相关系数 R为 0.9963，回归方程为：膨胀率（％）= 9.6305Ｖ_up－15.566 9，查相关系数临界值表得：R_0.01（4）= 0917。本试验 R＞R_0.01；（4），说明膨胀率与Ｖ_up之间的线性关系非常显 著，所求得的回归方程是可信的。
2.3.2 气量与膨胀率的关系
　　如果不进水，单进气，随着Q_gas的增大，颗粒界面层反而减小，颗粒界面层上至三相分离器之间出现一个颗粒悬浮区。这是因为随着Q_gas的增大，小颗粒在气泡的作用下，脱离颗粒界面层越来越多，致使悬浮区的颗粒越来越多，呈模糊态，颗粒和气泡经过三相分离器后，气泡被收集，颗粒在失去气泡的作用力下，沿着三相分离器斜壁滑下，进人颗粒悬浮区，沉降区中基本没有颗粒物的存在。从图5也可以看出，在只有气体的情况下，床层是减小的，Q_gas越大，床层高度就越小。当然就不会出现床层膨胀的现象。当气量为 36 L／h时，床展高度降低也不过1％，说明气量对床层高度的影响比水力上升流速对床层高度的影响小很多，因此，在ν_up及 Q_gas共同作用下，计算床层膨胀率时，往往可以忽略 Q_gas的影响，而只考虑 ν_up 的影响就可以了。

2.3.3 ν_up及 Q_gas共同作用下SV在高程上的分布
　　EGSB反应器应用于处理高浓度废水的关键在于保持高浓度的污泥量和良好的废水与微生物的混合程度。研究反应器中的颗粒污泥床层的动态变化对确定反应器一次性污泥接种量和反应器的高径比等参数有重要的指导意义。
　　模拟气体流量需要根据实际工程中产气量来确定，这样才具有模拟放大的意义。以反应器中稳定运行时的平均产气量为 36 L/h来试验，ν_up在2.7，3.4，4.5，7.2，10 m／h时，研究反应器内各取样口处颗粒SV的分布情况。设出水口为1^#，从上往下每间距40 cm设置一个取样口，共设置7个。l^#，2^#取样口在三相分离器上部，其它取样口在三相分离器的下面。结果见图6。

　　由图6可知，从各个取样口取出颗粒SV来看，随着上升流速的增大，各个取样口处颗粒 SV就越大。当水力上升流速为2.7，3.4，4.5，7.2m／h时，1^#，2^#取样口的SV都很小，几乎为0，说明三相分离器的分离效果非常好。而在10 m／h时，出水口有小的颗粒流失，出水的SV为2％。说明上升流速大于 10 m／h，反应器内的颗粒会被出水带走，这在实际废水处理中是很不利的。因此在EGSB反应器设计中，水力上升流速应控制在10 m／h以下。
2.3.4 水力混合特性
　　通过脉冲示踪剂法，图7描绘了不同水力停留时间的C－θ曲线。为了对不同水力停留时间的各混合情况进行比较，将试验数据（取2倍理论停留时间）进行归一，即引人无因次浓度C（C＝C_t／C₀，C₀ 是以反应器容积为基础的初始示踪剂浓度）和无因次时间 θ（θ=t／t，t是试验平均停留时间）并作图。试验数据经过归一化后，再利用式(1)和（2）计算出t和σ_t²。

　　式（1）和（2）中t；为第i次取样时间距开始取样的时间间隔，t_i+1 为第 i＋1次取样时间距开始取样的时间间隔，C；为第i次取样的出口水流中示踪剂的浓度。C_i+1为第i＋l次取样的出口水流中示踪剂的浓度。
　　从图7可以看出所有平均停留时间都低于理论值，这说明反应器中的死区确实存在，在试验阶段可以观察到颗粒床层一些区域没有红色墨水或颜色很浅。死区的比例见表1。

表1　EGSB死区百分率及离散数

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上验编号 t_HRT/min t／min σ_t² D V_d／％

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1 60 54.2 458.2 0.092 9.7 2 45 42.6 381.8 0.105 5.3 3 30 28.3 214.7 0.134 5.6

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　　当t_HRT为 60 min时，死区百分率占了9.7％，而在 t_HRT为 45min，30min时，死区百分率只有5.3％－5.6％，说明增大水力负荷，可以减小反应器内的死区，提高反应器的有效体积。因此在实际工程中可以通过增加水力负荷来减少反应器的死区容积。在试验过程中可以看到，随着 t_HRT的减小，反应器内的返混现象却增强了，这可以通过离散数D（无因次）的增大反映出来。对于理想推流式反应器，D＝0，不存在返混现象；对于理想完全混合式反应器，D=∞，反混极大。实际的反应器都介于理想推流式和完全混合式之间，即0＜D＜∞。离散数D由停留时间分布函数E（∞）确定。根据理论推导^［4］，求出D:
　　从图7可以看出，C－θ曲线偏斜度较大，说明离散数大，式（5）中的第二项可以略去，由式（l）和式（2）分别求出t和σt2，从而算出离散数D的值。计算的结果列于表1中。当t_HRT分别为60min，45 min和 30 min时，D分别为 0.092，0.105和0.134。该试验结果D在0.092～0.134。可见EGSB反应器介于理想推流式和完全混合式之间。随着t_HRT的减小，EGSB中返混现象更明显。
2.3.5 反应器中流体的行为
　　在试验期间，通过注人红色墨水的方法来观察反应器中的流态，用以证明液相的路径，气体的形成以及颗粒沿着反应器的运动。在模拟时，气体大多数形成在污泥床里面，且大多数气泡附着在颗粒上井上升到反应器的顶部，被三相分离器收集，气体在沉降区的量可以忽略，一些颗粒由于粘着气泡，在浮力的作用下，也上升到反应器的顶部，它们进人三相分离器，可以很明显的观察到气泡分离并直接进人气室，而颗粒则沉降下来。几个死区和短流现象也可以观察到，这种情况主要是在大的气泡形成时，偶尔在反应器进水口处形成。

3 结论

　　通过流态实验得出以下结论：
　　①模拟的颗粒粒径与真实厌氧颗粒污泥粒径有较好的一致性，两者都在0.5～1.5 mm之间，占总颗粒的85％以上。
　　②水力上升流速是影响颗粒床层膨胀率的主要因素。膨胀率与水力上升流速之间的关系可定量的表示为：膨胀率（％）＝9.6305 V_up－15.566 9。当气量在 36L/h，水力上升流速大于 10 m／h时，出现颗粒流失的现象。
　　③示踪试验表明，t_HRT为 30 min，45 min和60 min时，死区容积占反应器有效容积的 5.3％～9.7％，tHRT减小，死区就减小。试验得到的离散数D在0.092～0.134之间，表明反应器介于理想推流式和完全混合式之间，在本试验条件下，随着tHRT的减小，返混现象加剧，混合效果好。 ④EGSB内存在死区，偶尔有短流现象。

参考文献：
　　[1]贺延龄.废水的厌氧生物处理加」北京：中国轻工业出版杜，1998.
　　[2]E C Pires, W S Hanisch, M A N Andrade.An original procedure　for physical simulation of upflow anaerobic sludge blanket reactors[J].Bioprocess and Biosystems Engineering，2000 ，23（4）：389－395.
　　[3]周棋，胡纪革，顾夏声.升流式厌氧污泥层反应器水力混合特性研究[J].环境科学学报，1995，15（2）：170－177.
　　[4]许保玖，龙腾锐. 当代给水与废水处理原理（第二版）[M]北京：高等教育出版社，2000.

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作者简介：颜智勇（1971－），男，湖南宁乡人，在读博士，主要从事水环境和水处理技术方面的研究，电话（020） 85294582，zhyyan71＠sohu.com