一种用于处理猪场污水的新型生物转盘的CFD模拟

杨 鑫,唐雪莲,陈春林,张 千,刘向阳,赵天涛

(重庆理工大学 化学化工学院, 重庆 400054)

当前,我国养猪场规模化的快速发展为居民生活水平和国民生产总值提高做出了贡献。然而,由于大多数养猪场没有污水处理系统,乱排放污染了环境。这些未经处理达标的污水会浸入地下水系统、流入河流,一定程度污染人们的生活用水[1-3],因此处理养猪场废水使其达到国家排放标准成为一项急迫的任务。

近年来,养猪场废水主要采用厌氧折流板反应器(anaerobic baffled reactor,ABR)[4],生物膜反应器(membrane bio-reactor,MBR)[5]等设备处理。生物转盘(rotating biological contactor,RBC)因具有良好的净化效果和低能耗特点,已成为处理养猪场废水的一种主要反应器。生物转盘是一种好氧生物膜处理装置,被广泛应用于有机物脱氮、脱磷。它由转轴、圆盘、接触反应槽和驱动装置等组成[6-7]。接触反应槽中装有要处理的废水,驱动装置以一定的转速带动转轴旋转,嵌在转轴上的盘片随着转轴转动,盘片的一部分浸没在接触反应槽中,另一部分暴露在空气中。转盘在转动过程中交替和空气以及污水接触,一段时间后,在转盘盘片表面附着一层带有大量微生物的生物膜,生物膜中的微生物吸附和降解废水中的有机污染物,从而实现净化污水的功能[8],因此生物膜在RBC处理废水中起到最为关键的作用。因为生物膜的生长缓慢,采用传统实验方法对生物膜进行研究的整个实验周期较长,同时流体的流动特性也会影响生物膜的生长以及新老更替,因此对生物转盘流体的流动特性的研究很有必要。

随着计算机技术的快速发展,计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术在污水处理领域中应用越来越广泛[9-10],因此可通过CFD模拟生物转盘内部流场流动,研究流体的流动特性。该方法具有模拟仿真实验周期短、成本低等优点。

目前,国内外学者对生物转盘的研究中,针对传统生物转盘启动慢、挂膜性能差等缺点,冯迪等[11]、唐云鹭等[12]采用新型生物转盘辅以生物接触氧化技术处理有机污水,发现新型生物转盘具有抗冲击能力强、挂膜效率高、微生物量大等优点,在最佳条件下处理城市生活污水时能够达到污染物排放标准。

为了克服RBC堵塞和压降问题,Ravi等[13]对RBC进行了改性处理,改性后的RBC无堵塞,无压降,适用于有机化合物的处理。上述研究为改进生物转盘结构提供了一定的指导意见,然而目前关于生物转盘的气液两相流的研究较少。为此,邓斌等[14]、喻江等[15]对盘面开窗类型的生物转盘表面液膜更新和流动特性进行了数值模拟,发现圆盘表面液膜加速区液膜更新频率最快,开窗形成的自由膜速率大,更新频率快,不同厚度转盘的液膜随转盘厚度的增加而增加。

刘向阳等[1]提出了一种新型生物膜反应器处理养猪场废水。该反应器的主要装置为转盘,在旋转盘片的面上开很多方孔,以异养硝化-好氧反硝化菌为生物强化剂,以聚丙烯腈基活性炭纤维作为填料的生物接触氧化池(biological contact oxidation,BCO)为生物膜反应器,对养猪场废水处理效果明显,但未对反应器中的新型生物转盘流场的流动特性进行CFD模拟和研究。为了解该新型生物膜反应器的流动特性,利用CFD数值模拟对其流场进行研究,重点探究所用生物转盘的速度云图和速度矢量图、不同操作转速下的速度图和速度矢量图,研究该生物转盘的流动特性,为该新型生物转盘操作参数优化提供依据。

1.1 数值模拟物理模型

物理模型来源于文献[1]采用的养猪场污水处理生物膜反应器实验装置。相对于传统的实心生物转盘盘片,该新型生物转盘的盘片表面有很多方孔,如图1所示。此生物转盘由4个盘片构成1个生物转盘组,生物转盘的结构尺寸如表1所示,其三维物理模型如图2所示。对该装置在间歇操作状态下的污水处理进行数值模拟分析。

图1 生物转盘盘片示意图

表1 生物转盘结构尺寸

图2 生物转盘三维物理模型结构示意图

流场计算开始之前,对生物转盘进行网格划分以对计算区域进行离散。采用mesh进行非结构性网格划分,如图3所示。当模型网格个数分别为4 013 325、4 076 442、4 355 029,以转速为6 r/min时为例,生物转盘的网格划分和速度的模拟效果如图4所示,速度值随位置的变化基本一致,得到的结果相差不到5%。因此,网格无关性验证结果成立。

图4 网格数对速度的影响曲线

1.2 数值模拟条件

基于盘片表面上连续更新的液膜,生物转盘内部流场实际上是气-液两相传质。因需要得到盘片自由表面流动的情况,所以采用Hirt等[16]提出的流体体积(volume of fluid,VOF)模型进行计算。VOF模型是固定在欧拉网格下的表面跟踪方法,通过求解单个动量方程和处理通过该区域的每种流体的体积分数来模拟2种或3种不能混合的流体。在VOF模型中,不同的流体组分共用一套动量方程,通过引进相体积分数这一变量,实现对每个计算单元相界面的追踪。跟踪相之间的界面是通过求解一相或者多相的容积比率的连续方程来完成的。对第q相有:

(1)

其中:Sα为质量源项,在默认情形下方程(1)右端源项为零,但当给每一项指定常数或用户定义的质量源,则右端不为零。

采用ANSYS FLUENT对新型生物转盘进行数值模拟计算。基于压力的瞬态求解器,采用实验室的养猪场污水和空气作为模拟介质,空气为连续相,污水为第二相(污水参数见表2),采用间歇操作,水位保持在7 cm深度,即转盘盘片浸没在水中一半。

表2 空气和污水的物性参数

计算流场采用的是多重参考系法(multiple reference frame,MRF),将计算区域划分为圆盘区域和其他区域,前者放入动参考系中,后者放入静止参考系中进行模拟计算。使用标准k-ε湍流模式来模拟仿真湍流状态下生物转盘的流体流动。

转盘表面液膜更新与转盘速度分布密切相关[14,17],为了探讨空气与废水在新型生物转盘中的流动情况,分别采用2种转速对该生物转盘的流动情况进行模拟分析。

2.1 转速为3 r/min下的模拟结果

在转速为3 r/min,即线速度为2.35 m/min时,最后得到的混合相的速度云图如图5,速度矢量图如图6。由于新型生物转盘呈顺时针方向旋转,上方为空气,下方为污水。

图5 盘片表面速度云图(z=40 mm)

图6 盘片表面速度矢量图 (z=40 mm)

从图5与图6中可发现,在转速为3 r/min时,空气的流动速度远大于下方污水的速度,其原因是空气的黏度和密度远小于污水的黏度和密度。上方空气和下方污水会形成2个不同区域的循环,空气和污水没有充分接触,气液两相传质不很明显。在转速为3 r/min时方孔内没有明显观察到气液两相传质效果。

2.2 转速为6 r/min下模拟的结果

为改变转速为3 r/min时气液两相传质不明显的问题,将转速提高为6 r/min,即线速度为4.71 m/min。得到混合相的速度云图如图7,盘片表面方孔局部放大云图如图8,速度矢量图如图9,盘片表面局部放大矢量图如图10。

通过图7与图9可发现,盘片周围以及盘片上方附近流速变大。在生物转盘旋转过程中,盘片的转动会加快盘片周围的水和空气的流动,气液两相不断接触混合。快速流动的空气能使生物膜中的微生物吸收更多的氧气用于氧化作用分解水中的有机物。

图7 盘片表面速度云图(z=40 mm)

图8 盘片表面方孔局部放大云图(z=40 mm)

图9 盘片表面速度矢量图(z=40 mm)

图10 盘片表面圆孔局部放大矢量图(z=40 mm)

2.3 盘片表面y方向分布

因该生物转盘的形状以及尺寸大小,在转速为6 r/min,即线速度为4.71 m/min时,在y=0面所截取的速度云图如图11,速度矢量图如图12。

图11 盘片表面速度云图(y=0 mm)

图12 盘片表面速度矢量图(y=0 mm)

图11与图12分别为y=0 mm位置处盘片表面速度云图和速度矢量图。这2个图体现了y方向所看到的生物膜的分布情况以及气液两相的流动情况。相较于传统的实心转盘中气液两相只有径向流动而无轴向流动,本文所研究的新型生物转盘盘片因为方孔的存在是有轴向流动,这更加有利于气液两相传质过程,利于生物膜的新老更替,生物转盘能更有效地净化污水。

根据以上结果及分析,新型生物转盘的操作转速不同,所得到的流场结果也不同。本文对比6 r/min和3 r/min时转速发现,在转速为6 r/min时,空气和污水会在一起形成一个循坏,空气和污水都会进入方孔,两相之间有所接触。这是因为转盘的快速转动会带动上方的空气进入槽中水体,转盘上升时会有少量夹带的液体污水,因此气-液两相接触面增大,气液传质效果更好。

分析图5—9发现,无论是在何种转速,所用方槽的左右下角均存在死区,所以后续需要对实验用方槽进行改进。

1) 该新型生物转盘能够增大转盘盘片表面生物膜的分布区域,使生物膜分布表面变大,而不是只分布在一个方向上。

2) 该新型生物转盘改进了生物转盘对污水的净化区域,提高了生物转盘的利用率,能达到更好的污水净化作用。

3) 为避免死区出现,污水水槽可改进为梯形槽。相比于转速为3 r/min时,转速为6 r/min时能够增加气-液两相的接触面,达到更好的传质效果,可为生物转盘的操作参数优化提供参考。

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