高效厌氧生物反应器内的湍流特性及结构优化

王　宇， 王江云， 许双双， 陈春茂， 马静园， 郭绍辉

(1.中国石油大学 北京市油气污染防治重点实验室 重质油国家重点实验室， 北京 102249；2.中国海油能源发展股份有限公司 北京安全环保工程技术研究院， 北京 300457； 3.中国昆仑工程公司， 北京 100037)

高效厌氧生物反应器内的湍流特性及结构优化

王宇1，2， 王江云1， 许双双3， 陈春茂1， 马静园3， 郭绍辉1

(1.中国石油大学 北京市油气污染防治重点实验室 重质油国家重点实验室， 北京 102249；2.中国海油能源发展股份有限公司 北京安全环保工程技术研究院， 北京 300457； 3.中国昆仑工程公司， 北京 100037)

摘要：采用数值模拟方法研究了高效厌氧生物反应器内的湍流及多相流传质过程。通过重整化群k-ε湍流模型(RNG k-ε)和欧拉多相流模型构建反应器内多相湍流流动控制方程。在此基础上，应用自定义函数(UDF)方式修正了计算流体力学软件Fluent中的曳力模型，并植入欧拉多相流模型，建立高效厌氧生物反应器内气-液-固多相流动模型，并模拟计算了反应器内多相流过程，同时对其结构进行优化。结果表明，修正后的多相流动模型计算得到的流场特征与实验数据吻合，验证了所采用的湍流模型和计算方法的准确性；优化后的反应器内多相流传质效果明显提高。该方法较为准确地预测了反应器内传质过程，可以用于高效厌氧生物反应器的工程应用改进。

关键词：高效厌氧生物反应器； 数值模拟； 多相流动模型； 结构优化

随着石油工业发展，石油开采加工过程产生的污水量大幅提升，水质日益恶化，石油化工领域污水处理技术升级改造已成为工业污水处理亟待解决的问题[1-2]。高效厌氧生物处理技术兼具污水处理和能源回收、处理成本低等优势，在炼化污水生化处理领域应用前景广阔[3-4]。我国石油化工领域的污水处理技术尚处于第1代反应器向第2代反应器过渡阶段，高效厌氧生物反应器在石化领域尚处于探索阶段，在石油炼制领域尚无成功应用案例，因此研究高效厌氧生物反应器内的流态分布、水力学和传质特性等过程动力学对其在石油炼化领域的应用具有重要意义。当前，国内对高效厌氧生物反应器的研究多集中在反应器的工艺、三相分离器结构、污泥驯化等方面[5-7]，对基于反应器内部多相流动过程数值模拟计算的结构优化研究较少，通常是通过实验方法对反应器进行改进。由于厌氧生化反应器的启动时间长、操作控制参数较多、影响因素复杂等原因，根据实验数据优化和研究反应器内部结构和多相流特点费时、费力，采用数值模拟方法对反应器多相流动过程进行研究分析具有明显优势[8-10]。

Fluent软件采用目前较先进的离散技术和计算精度控制技术，通过流场的数值模拟不仅可得到实验手段无法得到的特定信息，同时节省了科研时间和经费[11-13]。但是，高效厌氧生物反应器内部流场复杂，对反应器进行模拟计算非常困难，多数研究停留在单向流的模拟计算阶段，并未真实有效地模拟反应器内实际流场特点。笔者基于Fluent模拟软件，采用修正的液-固曳力模型建立了能精确反映高效厌氧生物反应器内液、固流动过程的数学模型，并进行了模拟计算，在此基础上对反应器结构进行优化改造，以期为高效厌氧生物反应器的结构优化提供理论基础。

1高效厌氧生物反应器(ABR)的几何模型及网格划分

高效厌氧生物反应器(以下简称ABR)下部直径70 mm，高度550 mm，上部三相分离高度250 mm。采用Gambit建模软件对反应器进行了完全结构化网格划分，节点数106004个，并使用Fluent计算软件对其内部流场进行数值模拟计算，具体的反应器结构尺寸及网格划分如图1所示。

图1　ABR的结构尺寸及网格划分

2模拟ABR内传质采用的数学模型

2.1多相湍流流动控制方程

在数值模拟计算中，不考虑污水与微生物的生物反应过程，仅考虑反应器内污水和污泥的流体力学行为。假设反应器内污水及污泥的流动过程是连续介质与分散介质的两相流动和分离过程，采用RNGk-ε湍流模型和欧拉多相流模型模拟反应器内液-固两相流动过程。忽略流体的密度脉动、颗粒质量变化率的脉动以及非定常关联项，并将各相方程中的扩散相统一表示成梯度的形式，双流体模型中各相的控制方程组可以表示为式(1)所示的统一形式[14]。式(1)加上一些构成源项和输运系数的模型方程就构成了双流体模型的封闭控制方程组。

(1)

2.2液-固曳力模型修正

在反应器上部污泥稀相区，污水和污泥的运动状态主要由连续相流动决定，下部污泥密相区污泥的碰撞和团聚对污水流动状态产生较大影响。在适用于稠密液-固流动数值模拟的双流体模型中，液-固两相之间的相互作用和动量交换主要通过液-固曳力模型来实现。考虑固体颗粒的流化、夹带和输运的情况，建立准确的液-固曳力模型，确保稠密液-固反应器内数值模拟结果的准确程度。

采用自定义函数方法(User define function, UDF)，综合考虑污泥颗粒的团聚及聚并过程，建立适合密相和稀相共同存在的分区液-固曳力模型，并植入欧拉多相流模型，建立用于高效厌氧生物反应器内气-液-固多相流动模型。根据反应器内污泥流动特点和空隙率分布，综合考虑反应器内三相分离系统和反应器下部密相鼓泡流化床的污泥分布特点，将整个计算区域划分为4个区域，各区采用不同液-固两相曳力模型，如表1所示[15-18]。

表1　ABR流动区域划分及各区曳力模型

2.3反应器内流动相模拟计算条件确定

根据反应器内污水和污泥的基本流动过程，可以得到反应器内液、固两相流动的计算工况和边界条件。反应器进水流量为2.9 L/d，反应器下部污泥密相床层施加1.2 L藏量，污泥质量浓度为2.57 g/L，颗粒密度为1050 kg/m3，粒径为9 μm。反应器从底部进水，上升流速为0.031 m/h。根据实验条件仅最上部出水口打开，故反应器上部Outlet-water 1排水口施加常压出口边界条件。反应器壳体、其他出口和内构件的壁面施加无滑移固壁边界条件以及二层壁面函数模型。

3结果与讨论

3.1ABR内多相流动数值模拟结果

3.1.1速度场模拟结果

图2为ABR内液-固两相流速度分布云图。由图2可知，污水从反应器底部进入，经布水板射流进入污泥床层；在液相曳力作用下，污泥床层从团聚状态开始膨胀分散；颗粒小的污泥随污水向上运移，射流影响消失后污泥床层重新开始团聚；颗粒大的污泥无法受污水曳力作用继续上移，开始沉降，沉降至反应器底部，再次受污水射流作用发生膨胀分散，向上运动。在污泥床层膨胀分散和团聚而上下运动的过程中，污水与絮状污泥颗粒的充分混合，满足了污泥中微生物与污水的充分接触，强化了传质作用，实现污水有机质与污泥中微生物的生化反应过程。

图2　ABR内液、固两相速度分布云图

从图2同时发现，在反应器底部布水板作用下，污水射入污泥床层，液、固两相在底部出现局部速度较高区域；沿反应器高度向上，液、固两相速度受底部射流影响降低，速度值减小，沿反应器径向分布速度逐渐均匀。三相分离器内液相和固相的速度都非常低，由于固相密度大于液相，因此进入三相分离器的固相较少。同时，在反应器底部射流影响区污水与污泥传质作用较强，上部污泥浓度降低，污水仅受反应器几何结构约束，速度较低。

3.1.2压力场和湍动能模拟结果

图3为ABR内压力和湍动能分布云图。压力分布云图反映了污水进入反应器内与污泥相互作用的流动特性。由图3(a)看到，由于底部污泥床层的存在，污泥和污水产生的流体静压力在反应器底部最大；由于底部污水的冲击和曳力的带动，污泥床层产生膨胀，使得压力分布整体趋势沿轴向高度方向逐渐降低，局部有压力波动。湍动能是衡量湍流发展和衰退的重要指标。由图3(b)看到，湍动能云图表现出与流体速度分布相似的分布趋势；在反应器底部的污水射流区，流体湍动剧烈，污水与污泥的传质作用较强，介质间混合充分，污泥随污水向上运移，沿反应器高度方向流体流速不断降低，污泥在重力作用下回落，湍动降低，传质作用减弱。

图3　ABR内压力和湍流动能云图

3.1.3浓度场分布模拟结果

采用污泥的体积分数表示ABR内污泥浓度随时间变化情况，结果示于图4。由图4可知，初始状态(0 s)下，向反应器内施加一定体积污泥，保证床层沿高度方向浓度分布一致。计算时间为1 s时，污泥床层发生浓度变化，部分污泥团聚下沉，部分污泥受水流作用向上运移，污泥床层出现下浓上稀的分布趋势；5 s时，底部污泥床层在污水射流作用下，出现类似沸腾的污泥膨胀现象，下部密相床层浓度分布不再均匀，同时上部稀相区范围继续扩大，出现了明显的床层膨胀现象；随计算时间继续延长，底部密相床层膨胀现象更加剧烈，同时稀相区范围向上继续扩大，越往上浓度越稀，并且稀相区向上运移的速度减慢，说明在远离污水射流作用时，污泥受重力作用逐渐回落。污泥床层增高速度减慢，最终达到平稳状态，出现底部密相区、中间过渡区、上部稀相区和极稀相区的分布趋势。污水与污泥的传质作用计算需要较小时间步长，用以精准预测污水与污泥的真实传质作用。这里仅显示计算到35 s时的浓度分布图，但反应器内的基本流动过程已经稳定。

3.2ABR结构改进及优化

从多相流动的数值模拟结果发现，反应器结构虽具有较好的流动分布，但为了强化污水与污泥传质效应，可在一些结构参数上进行优化改进。污泥沉降效果受反应器空间以及停留时间限制。反应器运行过程中，上升流速较低，上部三相分离器受上升流速影响惯性分离作用减弱，固相模拟计算结果与反应器实际运行中出现的跑泥现象吻合，需进一步优化改进反应器出水区结构参数。

3.2.1反应器结构参数改进

图5为ABR出水区结构参数改进前后对比。由图5可见，改进后反应器出水区排水环隙截面积明显增加，运移到环隙附近的污泥上升流速将明显降低，受重力作用得到充分沉降，回流到反应区，达到降低反应器跑泥现象的目的。

3.2.2反应器结构参数改进结果

图6为ABR结构改进前后液、固两相速度分布云图。由图6看到，液、固两相速度分布均为反应器下部布水板上方速度较高，且沿轴向方向速度逐渐减低。改进后环隙的液、固两相速度明显低于改进前，有利于固相的重力沉降回落。

图4　ABR内污泥浓度场分布图

图5　ABR出水区结构参数改进前后对比

图6　ABR改进前后液、固两相流速分布对比

图7为ABR改进前后出水区速度云图。从图7可发现，结构改进前由于环隙截面积略大于反应器主体截面积，从量级上可知其环隙流速与反应器主体流速基本一致，污泥难以在有限的环隙空间再次发生沉降，极易被水流带出反应器；结构改进后，增加了出水区环隙截面积，同时增加45°挡板，在保证环隙截面积不小于反应器主体截面积基础上，增加污泥沉降空间，使环隙内的流速明显低于底部流体上升速度，增加了污泥在环隙内的沉降效率，此外环隙下部挡板可截流一部分上升污泥和从环隙沉降落回挡板下方的污泥，提高污泥沉降效果。

图7　ABR改进前后出水区速度云图对比

图8为ABR改进前后出水区内部液相流线分布。由图8可知，流体从反应器底部上升流经三相分离器与反应器出水区时，流速略有提高，并向出水口环隙转向。改进前出水口环隙速度较为均匀，不利于污泥再次沉降分离；改进后增加的环隙空间降低了污泥在环隙空间的上升流速，增加了污泥的沉降空间和时间，同时下部45°挡板结构也利于阻挡污泥上升运动，缓解反应器跑泥问题。

图8　ABR改进前后出水区液相流线速度分布

图9为ABR改进前后器内整体污泥浓度分布。由图9可以看出，改进前、后反应器内污泥分布趋势一致，包括底部的污泥浓相区和上部的污泥稀相区。然而，污泥进入改进前的反应器出水口环隙后，污泥浓度在环隙内较为均匀，表明污泥会随液体流出；反应器结构改进后，出水口环隙的污泥沉降作用增强，污泥浓度明显降低，出水口附近基本无跑泥现象，说明反应器结构改进后对污泥的截留作用明显提升。

4结论

(1)采用分段曳力模型，并基于RNGk-ε湍流模型和欧拉多相流模型，建立了适合高效厌氧生物反应器内的多相流动模型。计算得到的反应器内部流场信息与反应器实际流动过程相吻合，验证了湍流模型的准确性，并能够反映反应器内多相流的传质过程。高效厌氧生物反应器内的流动特点是，底部污水经布水板小孔产生较强的射流作用，冲击污泥床层，使团聚的污泥膨胀分散，并与污水充分混合，强化传质，增加污水与污泥中微生物的接触频率；同时，在污水上升流速带动作用下，污泥沿反应器高度上升运动，上升到一定高度，污水的冲击作用减弱，污泥重新团聚，并在重力作用下开始回落，少量密度低的污泥随污水继续运移，有可能从出水口随水流排出。

图9　ABR改进前后的污泥浓度分布

(2)反应器出水区结构改进后，跑泥现象明显降低，污泥沉降作用增强，提高了反应器内多相流传质效果，模拟计算结果与反应器实际运行效果一致。Fluent模拟优化反应器结构可以有效提升反应器运行效能，可用于反应器流体力学的性能优化。

符号说明：

k——湍动能，m2/s2；

p——压力，Pa；

Sφ——因变量φ的源项；

t——时间，s；

v——流体速度，m/s；

VOF——污泥体积分数，%；

xj——通用坐标，mm；

α——体积分数，%；

β——孔隙率，%；

Γφ——输运系数，m2/s；

ρ——流体密度，kg/m3；

φ——通用变量；

下标

g——气相。

j——笛卡尔坐标系；

k——第k相。

参考文献

[1] 罗毅. 中国环境统计年报2010[M].第一版. 北京：中国环境科学出版社, 2011:1.

[2] 2013—2017年中国环保行业研究及市场投资决策报告[M/CD].http://www.askci.com/reports/2011/11/1594826 142682.shtml, 2012, 37.

[3] VAN LIER J B, MAHMOUD N, ZEEMAN G. Anaerobic wastewater treatment[J].Biological Wastewater Treatment Principles Modeling & Design, 2008, 3(4):346-362.

[4] 贺延龄. 废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1998.

[5] 陈小光, 郑平. 超高效螺旋式厌氧生物反应器流态研究[J]. 环境科学学报，2010, 30(5): 941-946. (CHEN Xiaoguang, ZHENG Ping. Flow patterns of a super-high-rate spiral anaerobic bioreactor[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(5): 941-946.)

[6] 朱晓玲, 刘永红, 刘宗宽, 等. 流态研究推动下的高效厌氧生物反应器的发展[J].榆林学院学报， 2008, 18(6):63-66.(ZHU Xiaoling, LIU Yonghong, LIU Zongkuan, et al. The development of high-rate anaerobic apparatus promoted by the study of flow pattern of such reactors[J].Journal of Yulin College, 2008, 18(6):63-66.)

[7] 杨积德, 陈晓娟. 厌氧工艺在低浓度废水处理中的应用[J].环境保护与循环经济， 2012, (3):51-54.(YANG Jide, CHEN Xiaojuan. Anaerobic process in the application of the low concentration wastewater treatment[J].Environmental Protection and Circular Economy, 2012, (3):51-54.)

[8] 何连生, 朱迎波, 席北斗, 等. 高效厌氧生物反应器研究动态及趋势[J]. 环境工程，2004, 22(1): 7-11. (HE Liansheng, ZHU Yingbo, XI Beidou, et al. Research development and trends of high efficient anaerobic reactors[J]. Environmental Engineering, 2004, 22(1): 7-11.)

[9] 刘锋平， 李薇， 李继强， 等. HRT对UASB-SMBR(PTFE)组合工艺处理某油田含油废水性能的影响[J].石油学报(石油加工)， 2012, 28(6):1053-1060.(LIU Fengping, LI Wei, LI Jiqiang, et al. The effect of HRT on UASB-SMBR (PTFE) process in treating oily wastewater of one oil field[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2012, 28(6):1053-1060.)

[10] 李波, 张庆文, 洪厚胜, 等. 搅拌反应器中计算流体力学数值模拟的影响因素研究进展[J].化工进展， 2009, 28(1):7-11.(LI Bo, ZHANG Qingwen, HONG Housheng, et al. Several factors of CFD numerical simulation in stirred tank[J].Chemical Industry and Engineering Progress, 2009, 28(1):7-11.)

[11] 朱红钧, 林元华, 谢龙汉. FLUENT流体分析及仿真实用教程[M].北京：人民邮电出版社， 2010.

[12] 韩占忠, 王敬, 兰小平. FLUENT—流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社， 2010.

[13] 张凯, 王瑞金, 王刚. Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社， 2010.

[14] 冯留海， 王江云， 毛羽， 等. 突扩突缩管内液-固冲蚀的数值模拟[J].石油学报(石油加工)， 2014, 30(6):1080-1085.(FENG Liuhai, WANG Jiangyun, MAO Yu, et al. Numerical simulation of liquid-solid erosion in the sudden expansion and contraction tube[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2014, 30(6):1080-1085.)

[15] ERGUN S. Fluid flow through packed columns[J].Chemical Engineering Progress, 1952, 48(2):89-94.

[16] GIDASPOW D. Multiphase Flow and Fluidization: Continuum and Kinetic Theory Description[M].San Diego: Academic Press， 1994.

[17] WEN C Y, YU Y H. A generalized method for predicting the minimum fluidization velocity[J].AIChE Journal, 1966, 12(3):610-612.

[18] 曹斌. 大差异多元颗粒气固流化床流动规律的研究[D]. 北京：中国石油大学， 2006.

Structure Optimization and Turbulent Flow Characteristics inHigh Efficient Anaerobic Biological Reactor

WANG Yu1,2, WANG Jiangyun1, XU Shuangshuang3, CHEN Chunmao1, MA Jingyuan3, GUO Shaohui1

(1.StateKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,BeijingKeyLaboratoryofOil&GasPollutionControl,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.BeijingSafetyEnvironmentalProtectionEngineeringTechnologyResearchInstitute,CNOOCEnergyTechnology&ServicesLimited，Beijing300457,China;3.ChinaKunlunContracting&EngineeringCorporation,Beijing100037,China)

Abstract：The turbulent flow characteristics and multiphase flow mass transfer process in the high efficient anaerobic biological reactor were studied by numerical simulation. Multiphase turbulent flow control equation was built based on RNG k-ε (renormalization group, RNG, k-ε model) turbulent model and Euler multi-phase model, on the basis of which, the gas-liquid-solid multiphase flow model was built by loading the user defined function (UDF) to modify the drag model in Fluent solver and implanting the Euler multi-phase model, and the flow characteristics were calculated and the structure in high efficient anaerobic biological reactor was optimized. The results confirmed that the flow characteristics calculated with modified multiphase model was in reasonable agreement with experimental data, which verified the modified model and calculating method. And the multiphase mass transfer effect was improved obviously in modified reactor. An accurate prediction during the mass transfer process in the reactor could be obtained by the modified multiphase flow model, which could be used for the engineering prediction of high efficient anaerobic biological reactor.

Key words：high efficient anaerobic biological reactor; numerical simulation; multiphase flow model; structure optimization

收稿日期：2015-03-10

基金项目：国家自然科学基金项目(21306229)和中国昆仑工程公司项目(2013GJTC-06-03)资助

文章编号：1001-8719(2016)03-0614-08

中图分类号：X703.3

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.03.024

第一作者： 王宇，女，博士，从事稠油加工污水的高效厌氧处理工艺方面的研究

通讯联系人： 郭绍辉，男，教授，博士，从事石油工业环境污染治理与修复领域方面的研究；Tel:010-89732278;E-mail:cupgsh@163.com； 王江云，男，助理研究员，博士，从事多相流动的数值模拟与实验方面的研究；Tel:010-89733293;E-mail:wangjy@cup.edu.cn