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實驗時流化床有效容積為31.95 L, 即有效水深710 mm.實驗中激光光源從反應器的左側(cè)進入, 如圖 1a所示, CCD相機放置在流化床的正面, 垂直于激光片光源方向.因CCD相機的拍攝范圍有限, 故流場測量區(qū)域在保證獲得較高分辨率的前提下, 拍攝區(qū)域(圖 1b)選擇為下部區(qū)域(282 mm×235 mm)、中部區(qū)域(282 mm×235 mm)和上部區(qū)域(282 mm×235 mm).激光斷面選取距膜面15 mm的激光斷面位置(圖 1c), 實驗中依次對同種工況下3個截面進行拍攝, 每個工況均連續(xù)記錄10000幅圖像序列, 對拍攝的圖像進行自適應互相關計算, 得到流場中的速度分布信息, 結(jié)果表明, 流場速度測量誤差(Feng et al., 2010)小于2 mm·s-1.宿州市農(nóng)村改造污水處理設備生產(chǎn)*
3 實驗結(jié)果與分析(Results and discussion) 3.1 四邊形折流式膜生物流化床填料濃度的分布特性
2給出了流化床填料濃度的變化曲線.從圖 2a可以看出, 進水流量為50 L·h-1時, 升流區(qū)填料濃度隨曝氣強度的增加而增長.進水流量為200 L·h-1時, 填料濃度隨曝氣強度的增加呈先上升后下降趨勢.升流區(qū)在相同曝氣強度的工況下, 填料濃度隨進水流量的增加呈增加趨勢.從圖 2b可以看出, 進水流量為50 L·h-1時, 降流區(qū)填料濃度隨曝氣強度的增加而增長, 曝氣強度為1.05 m3·h-1時, 降流區(qū)填料濃度達到峰值;曝氣強度分別為0.25、0.65、0.85和1.05 m3·h-1時, 填料濃度隨流化床高度的降低而下降.進水流量為200 L·h-1時, 降流區(qū)填料濃度隨曝氣強度的增加呈先上升后下降趨勢;曝氣強度分別為0.25、0.45、0.65和0.85 m3·h-1時, 填料濃度隨流化床高度的降低呈先下降后上升趨勢.降流區(qū)在相同曝氣強度的工況下, 流化床填料濃度隨進水流量的增加呈增加趨勢.宿州市農(nóng)村改造污水處理設備生產(chǎn)*
流化床在相同進水流量工況下, 曝氣強度是影響填料濃度變化的主要因素;在相同曝氣強度工況下, 進水流量是影響填料濃度變化的主要因素.在多數(shù)工況下, 流化床中部區(qū)域為稀相區(qū)域;曝氣強度和進水流量的匹配可使流化床的填料濃度達到Z高值;在相同工況下升流區(qū)的填料濃度均大于降流區(qū)的濃度;進水流量和曝氣強度為200 L·h-1、0.65 m3·h-1工況下的填料濃度與50 L·h-1、1.05 m3·h-1工況下的填料濃度較接近.可見, 進水流量的增加加速了降流區(qū)填料的流化, 進而加速整個流化床的填料流化;且不同進水流量和曝氣強度組合的工況下, 可使填料濃度達到*.分析其原因, 由于折流板的存在, 折流板上部區(qū)域為曝氣死區(qū), 實驗中發(fā)現(xiàn)大量的填料在升流區(qū)形成了內(nèi)循環(huán), 且存在諸多小循環(huán), 即由于折流板的存在, 折流式膜生物流化床為內(nèi)外雙循環(huán)和諸多小循環(huán)(圖 2c);另一原因是由于進水管的布置會使底部堆積的填料進行向左的擊, 當擊到曝氣區(qū)或環(huán)流區(qū)后, 填料將隨氣液上升形成環(huán)流.填料的流態(tài)化使得填料之間、填料與膜組件之間相互摩擦, 并使液相流態(tài)更加紊亂, 填料濃度和液相紊亂程度越大, 起到刷膜組件的作用越大, 能較大程度地抑制膜組件表面沉積層的形成, 有利于控制膜污染, 即填料濃度是膜污染控制一個重要因素.因此, 設計時膜組件放置高度可選擇為折流式膜生物流化床升流區(qū)的上部靠近自由液面區(qū)域.
3.2 四邊形折流式膜生物流化床升流區(qū)液相流動特征
湍流是一種高度復雜的不規(guī)則流動.張波濤等(2001)應用PIV技術對水泵吸水池的內(nèi)部流場進行測量, 對40幅照片顯示的速度矢量數(shù)據(jù)進行處理, 得到了流場的湍動能.本文對同一位置的40幅連續(xù)的照片所顯示的速度矢量圖進行分析, 可以計算出每個面上各個點的速度標準偏差。
urms為徑向速度的標準偏差, vrms為軸向速度的標準偏差.
得到各個點上的速度偏差后, 就可以求出面上各個點的湍動能, 它是表征湍流特征的一個物理量。
流化床升流區(qū)3個區(qū)域的液相軸向平均速度值、渦量值和湍動能值變化曲線圖(軸向為Y軸方向, 徑向為X軸方向,).可以看出, 進水流量為50 L·h-1時, 下部區(qū)域軸向速度均大于零, 中部和上部區(qū)域軸向速度均小于零, 可推論升流區(qū)液相軸向返混程度隨反應器高度的增加呈先增強后減弱的趨勢, 在中部區(qū)域, 液相軸向返混達到峰值;下部和上部區(qū)域液相軸向返混程度隨曝氣強度的增加變化較小, 中部區(qū)域液相軸向返混程度隨曝氣強度的增加呈先增強后減弱再增強-減弱的波動趨勢.進水流量為200 L·h-1時, 3個區(qū)域液相軸向平均速度均小于零, 可推測液相軸向返混程度隨反應器高度的增加呈先增強后減弱再增強的趨勢, 在上部區(qū)域, 液相軸向返混達到峰值;下部區(qū)域液相軸向返混程度隨曝氣強度的增加而逐漸減弱, 中部和上部區(qū)域液相軸向返混呈先增強后減弱的趨勢.進而得到, 進水流量的增加可以減弱升流區(qū)液相軸向返混程度, 從而增加了流化床的填料濃度.
升流區(qū)液相軸向平均速度(a)、渦量(b)和湍動能(c)隨進水流量及曝氣強度的變化曲線 (A為下部區(qū)域, 進水流量50 L·h-1;B為中部區(qū)域, 進水流量50 L·h-1;C為上部區(qū)域, 進水流量50 L·h-1;D為下部區(qū)域, 進水流量200 L·h-1;E為中部區(qū)域, 進水流量200 L·h-1;F為上部區(qū)域, 進水流量200 L·h-1)
進水流量為50 L·h-1時, 下部區(qū)域液相平均渦量隨曝氣強度的增加呈先上升后下降趨勢, 中部區(qū)域呈逐漸下降趨勢, 上部區(qū)域呈波動趨勢.進水流量為200 L·h-1時, 下部區(qū)域液相平均渦量隨曝氣強度的增加呈先下降后上升趨勢, 中部區(qū)域隨曝氣強度的增加呈波動趨勢, 上部區(qū)域隨曝氣強度的增加呈先上升后下降再上升趨勢.液相平均渦量隨流化床高度的增加呈上下多次波動趨勢;液相平均渦量隨進水流量的增加呈整體逐漸上升趨勢, 但幅度較小.可見, 進水流量為50 L·h-1時液相平均渦量出現(xiàn)正值次數(shù)多于進水流量為200 L·h-1時, 由渦量表達式可推論當進水流量較小時, 升流區(qū)液相剪切力隨著曝氣強度的增加;液相平均渦量值在曝氣強度為1.05 m3·h-1時, 多數(shù)達到正值, 進而說明液相剪切力隨著曝氣強度的增加逐漸增加.較強的液相剪切力可使填料表面老化的生物膜及時脫落, 流化床中微生物保持較高活性, 較好地解決了傳統(tǒng)膜生物反應器中泥齡長、污泥活性較低等問題.
可以看出, 液相平均湍動能隨曝氣強度和進水流量的增加均呈逐漸增強的趨勢;中部區(qū)域湍動能均整體較強, 上部區(qū)域整體大于下部區(qū)域.由3.1節(jié)可知, 填料濃度隨曝氣強度和進水流量的增加均呈逐漸增強的趨勢, 可知填料濃度隨液相湍動能增強而增加, 進而可知較強的湍動能可有效地抑制膜污染.
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