好氧颗粒污泥的水力特性模拟

潘 金 锋

(合肥市市政设计院有限公司，安徽 合肥 230041)

好氧颗粒污泥的水力特性模拟

潘 金 锋

(合肥市市政设计院有限公司，安徽 合肥 230041)

在不同雷诺数和多种颗粒基本粒径的条件下，对单个的好氧颗粒污泥进行水力特性的数值模拟，对比分析颗粒周围以及内部的流速场和剪切速率场分布。运用CFX软件得到了速度分布和剪切速率分布的云图，模拟出了颗粒内部的传输速度随着雷诺数以及孔隙率的增大而增大，而剪切速率的大小只与雷诺数有关，与孔隙率大小无关。

好氧颗粒污泥，雷诺数，剪切速率

好氧颗粒污泥的水动力学行为对颗粒氧气及其基质的传质有着深远的影响。但由于其多孔的特性及反应器复杂的水动力学行为，关于好氧颗粒污泥的水动力学行为的研究还远远不够，且大部分的研究都停留在宏观层面即反应器，对于其微观层面还有待深入。然而，随着计算机和计算流体力学的不断发展与进步，使得直接利用流体的控制方程进行数值研究成为可能。本章利用CFX14.0软件模拟并分析了单个颗粒在不同雷诺数(Re)，以及渗透系数下周围以及内部流体的速度场分布、颗粒剪切速率分布情况，为更好地控制反应器的操作条件以及进行好氧颗粒污泥的规模化应用提供科学依据和理论指导。

1 模型的建立

1.1 模型假设

某一直径d的好氧颗粒污泥以一恒定速度u∞穿过足够大的静止牛顿流体，在CFD模拟中假设好氧颗粒污泥固定在一足够大的圆柱形水流中，水流以恒定u流过颗粒。好氧颗粒污泥的直径取为3 mm，模型模拟的区域是一个直径为22 mm，长度为22 mm的圆柱形区域。根据以上假设，得到模型见图1，箭头方向表示水流方向。

1.2 控制方程[1，2]

颗粒周围的流场的控制方程如下：

(1)

此外，颗粒内部流体的控制方程遵循Darcy-Brinkman方程：

(2)

(3)

γ=(1-ε)1/3

(4)

其中，dp为组成微生物颗粒基本粒子的粒径。本文取dp为1 μm，20 μm[3]。颗粒孔隙率的计算公式为[4]：

(5)

其中，ε为颗粒的孔隙率；f为颗粒湿重与干重比例；ρg为颗粒密度，本研究取1 057 kg/m3[5]；d为颗粒粒径；D为分形维数，本研究取2.65[4]；B为常数，本研究取0.01[4]。

根据分形理论，颗粒干重和颗粒直径的关系可以描述为：

Wd=BdD

(6)

Li和Yuan[6]通过使用新鲜的E.coli细胞估计颗粒干重与湿重的比值(f)。经过10次重复测量，发现f值在2.84～4.26之间变化，并最终取平均值3.45作为颗粒的干重与湿重的比值。本研究采用f=3.45。

颗粒的剪切速率根据应变张量的向量2范数定义如下：

(7)

其中，S为剪切速率。

1.3 边界条件

(8)

其中，rg为颗粒的半径。从式中可以看出，无穷远处的流场并不受颗粒的影响，此外，球体表面的流速梯度是连续的。简单而言，颗粒内外的流体粘度是一样的。

2 结果与讨论

本章利用软件FLUENT14.0对上述的控制方程以及相关边界条件进行数值模拟，此外，本研究选用了两种不同数量级的雷诺数进行模拟分别是10，100，模拟结果如图2，图3所示。

2.1 速度场分析

如图2所示，显示了在雷诺数(Re)分别为10，100以及微生物颗粒基本粒子粒径(dp)为1 μm，20 μm条件下，单个颗粒周围速度场的分布云图。图中不同的速度大小用不同的颜色表示区分，颗粒周围有明显的速度梯度。因为颗粒具有相当大的空隙，考虑其渗透性，所以颗粒内部也会有流体流入和流出。从图中可以看出，Re大小的不同主要影响的是颗粒周围环境的速度场的变化，而dp大小的不同主要影响了颗粒内部速度场的变化。对比Re的变化，从图2a),图2c)或图2b),图2d)两幅图中可以看出，当dp相同时，颗粒外部的速度场随着Re的增大而增大，并且颗粒后部尾迹随着Re的增大影响范围变小，速度层之间变密，速度梯度变大。对比dp的变化，从图2a),图2b)或图2c),图2d)两幅图中可以看出，当Re相同时，图中速度最小点在颗粒内部，对比速度标签可以发现颗粒内部的速度场随着Re的增大而增大。另外，在图2b)中可以看出在Re较小时通过增大dp可以使得颗粒内部的速度达到图2c)中的速度量级，由此可以判断dp对颗粒孔隙以及渗透性的大小有着重要影响。这说明颗粒内部流体的流速与颗粒的渗透性有很大的关系，渗透性的增加在一定程度上也有利于好氧颗粒污泥内部对流的增强，从而加速好氧颗粒污泥的氧气以及基质的传质效率。

2.2 剪切速率分析

水力剪切作用对颗粒污泥的形成，稳定性以及结构都有着密切关系，图3显示了在雷诺数(Re)分别为10，100以及微生物颗粒基本粒子粒径(dp)为1 μm，20 μm条件下，单个颗粒周围剪切速率场的分布云图。从图中看出，颗粒的剪切速率主要分布在迎水面和侧面，背水面的剪切速率很小。对比图3a),图3c)可知，当dp为1 μm，Re从10增加到100时，颗粒受到的最大剪切速率增加了一个量级，而当Re保持不变，dp增加时，颗粒受到的最大剪切速率基本保持不变，这说明剪切速率的大小主要受到流体流速的影响，而颗粒渗透性对其的影响微乎其微，甚至可以忽略。

3 结语

本研究通过利用CFX，采用数值模拟的办法研究了单个颗粒污泥在不同雷诺数(Re)以及微生物颗粒基本粒子粒径(dp)下，周围以及内部流体的速度场分布、颗粒剪切速率分布情况。通过模拟结果可知，颗粒周围流体流速的增加有利于增强颗粒内部对流，从而促进好氧颗粒污泥内部与外界物质的传输；此外，通过对比不同情况下剪切速率的分布，可以发现颗粒周围流体流速的增加与颗粒受到剪切速率的大小有着密切联系，而剪切速率对颗粒本身渗透性敏感程度不高。

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Simulation on hydraulic characteristics of aerobic granular sludge

Pan Jinfeng

(HefeiMunicipalDesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230041,China)

Under the condition of different reynolds number and basic particle size, the paper carries out hydraulic characteristic numerical simulation of single granular sludge, and comparatively analyzes particles surrounding and internal velocity field and shearing rate distribution, obtains speed distribution and shearing rate distribution nephogram by applying CFX software, and finds out that: the internal particle transmission speed increases with reynolds number and porosity; while shearing rate just depends on reynolds number rather than porosity.

aerobic granular sludge， reynolds number， shearing rate

2015-04-08

潘金锋(1976- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)17-0096-02

X703.1

A