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五大污水處理設備一體化地埋式*曝氣強度和進水流量為0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的液相流動特征從圖 5e~h可見：該工況下, 低速區和高速區交織在一起, 且高速區域面積較小, 低速區面積較大.流線整體呈紊亂狀態, 升流區出現較多小尺度渦旋結構.渦量正值區域面積和負值區域面積較接近, 且呈正負交織的狀態.導流錐、流化床底部和折流板左邊出現大量小尺度渦結構.
對比兩種速度矢量圖可以看出, 隨著進水流量的增加, 折流板下面區域的液相速度有明顯的增加, 但整體液相速度下降接近于50%.分析其原因, 隨著進水流量的增加, 進水一部分進入環流區, 大部分的進水隨著折流板和導流錐的方向沖擊流化床底部的填料, 使得大量的填料向左上移動, 一部分填料進入曝氣區后形成流化, 一部分無法隨氣液上升而偏離曝氣區的填料逐漸向下移動, 與上升氣液形成, 從而減速了進水動能;進水沖擊大量填料區后, 動能逐漸減弱, 氣泡尾流無法把所有懸浮填料帶入環流, 使得大量懸浮填料阻礙了液體的上升。
進水流量較大對環流液相可能造成一定的干擾.對比兩種渦量圖可以看出, 曝氣強度和進水流量為0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的正值區域面積有明顯的減少, 但減少趨勢較小, 說明液相剪切力有相應的降低.對比兩種漩渦強度圖可以看出, 0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的渦核數量有明顯的減少.由3.1節可知, 曝氣強度和進水流量為1.05 m3·h-1、50 L·h-1工況與0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況下兩種填料濃度接近, 但1.05 m3·h-1、50 L·h-1工況的升流區填料大于0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況, 降流區則相反;由此可推論, 在該實驗條件下, 升流區填料濃度隨液相速度和渦核數量的增加而增加;降流區填料濃度隨液相速度的增加而減少, 隨渦核數量的減少而減少.
進水流量較大對環流液相可能造成一定的干擾.對比兩種渦量圖可以看出, 曝氣強度和進水流量為0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的正值區域面積有明顯的減少, 但減少趨勢較小, 說明液相剪切力有相應的降低.對比兩種漩渦強度圖可以看出, 0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的渦核數量有明顯的減少.由3.1節可知, 曝氣強度和進水流量為1.05 m3·h-1、50 L·h-1工況與0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況下兩種填料濃度接近, 但1.05 m3·h-1、50 L·h-1工況的升流區填料大于0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況, 降流區則相反;由此可推論, 在該實驗條件下, 升流區填料濃度隨液相速度和渦核數量的增加而增加;降流區填料濃度隨液相速度的增加而減少, 隨渦核數量的減少而減少.
3.5 四邊形折流式膜生物流化床上部區域液相流態特征
曝氣強度和進水流量為1.05 m3·h-1、50 L·h-1工況的液相流動特征由圖 7a~d可知：該工況下, 峰值速度出現在上部區域的上部和右邊壁區域, 且高速區域面積較小;低速區分布零散, 且低速區面積較小.升流區流線呈向右傾斜, 并出現多個小渦旋結構, 降流區流線較紊亂.渦量正值區域面積較大, 負值區域面積較小, 說明液相剪切力較強.從漩渦強度云圖可以看出, 上部區域任然出現較多的小尺度渦結構.
五大污水處理設備一體化地埋式*曝氣強度和進水流量為0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的液相流動特征從圖 6e~h可知：該工況下, 峰值速度出現在上部區域上部和右邊壁區域, 且高速區域面積較小;低速區分布較廣, 且低速區面積較大.升流區流線呈向右傾斜, 并出現多個小渦旋結構, 降流區流線較紊亂.渦量正值區域面積和負值區域面積較接近, 且呈正負交織的狀態.
圖 6 流化床上部區域兩種不同條件下的液相流動特征 (a, e.速度矢量圖, b, f.流線圖, c, g.渦量圖, d, h.漩渦強度圖)
對兩種速度矢量圖可以看出, 隨著進水流量液相速度下降接近于30%, 可見, 液相速度與曝氣強度呈線性關系.對比兩種渦量圖可以看出, 曝氣強度和進水流量為0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的正值區域面積相比有明顯的減少趨勢, 正負值區域面積接近, 但渦量正值較大, 說明液相剪切力較強.兩種漩渦強度圖的渦核分布和數值差別較小.
綜上3.4~3.5節, 下部區域液相流場受到進水管布置、折流板結構(角度、低隙高度)、導流錐結構(角度、高度)、填料濃度、進水流量及曝氣強度的共同作用, 流場特性為六者作用的疊加;上部區域液相流場受到膜組件布置、隔板與自由液面高度、折流板結構(角度、低隙高度)、填料濃度、進水流量及曝氣強度的共同作用, 流場特性為六者作用的疊加.六者的疊加作用產生的擾流對該流化床流場流動的影響主要體現在流場中產生大量的小尺度渦結構, 推論此時液相流場特性有助于加大顆粒載體與液相的相間相對流動速度差, 使得載體與液相的動態紊流性較好, 易造成載體生物膜細胞傳質濃度邊界趨于不穩定進而提高傳質效率;作用于生物膜的水力剪切力較強, 載體生物膜新舊菌體更新速率加快, 提高了生化代謝效率.
4 結論(Conclusions)
1) 分析了曝氣強度和進水流量對四邊形折流式膜生物流化床填料濃度的影響：折流板上部形成的曝氣死區, 使得填料在升流區形成諸多內循環, 提高了升流區的填料濃度, 氣固液三相與膜組件相互碰撞的概率增大, 強化了膜污染的控制.折流板和導流錐形成的進水角度沖擊反應器底部的填料, 提高了在低曝氣強度下流化床的填料濃度, 可降低實際運行過程的曝氣能耗.
2) 通過PIV分區拍攝了流化床的上、中、下3個區域, 分析了升流區和降流區曝氣強度和進水流量對液相平均軸向速度、渦量、湍動能的影響：曝氣強度和進水流量的變化改變了液相的軸向返混強度和剪切力, 進而改變了填料濃度, 影響膜面傳質系數和濃差極化邊界層厚度, 降低膜污染.
3) 對曝氣強度和進水流量為1.05 m3·h-1、50 L·h-1與0.65 m3·h-1、200 L·h-1工況的下部和上部兩個區域的液相速度矢量圖和流線圖進行了分析, 同時采用了渦量方法和漩渦強度方法分析了流場中的渦結構得出：曝氣強度為1.05 m3·h-1和進水流量為50 L·h-1的液速高于曝氣強度為0.65 m3·h-1和進水流量為200 L·h-1工況, 兩個工況均出現較多的小尺度渦結構, 渦核數量差別較小.兩個工況填料濃度接近的現象, 原因為流態特性接近, 這種現象的應用開發, 可開發出高濃度有機廢水的新一代工程反應器.
