厭氧反應器反應過(guò)程

　　1 引言

　　當前，一些學(xué)者對厭氧反應器流場(chǎng)和水力學(xué)性能進(jìn)行了研究，例如，應用湍流模型模擬了側伸攪拌式厭氧反應器流場(chǎng)，季軍遠等(2012)采取多釜串聯(lián)及擴散模型模擬了分段組合式厭氧反應器行為，通過(guò)測定停留時(shí)間分布研究了厭氧反應器中不同反應區的流動(dòng)特征.這些研究取得了一定成果，但由于模型相對簡(jiǎn)單，對于構造復雜的內循環(huán)厭氧反應器不能完全適用.同時(shí)，將動(dòng)力學(xué)方程和流動(dòng)模型結合以模擬厭氧反應器中反應過(guò)程的研究則較少有文獻涉及.基于此，本文在建立厭氧反應動(dòng)力學(xué)方程后，針對自主設計的內循環(huán)厭氧反應器采取組合模型進(jìn)行模擬研究.厭氧反應過(guò)程中由于有氣體生成，氣體從產(chǎn)生到形成氣泡，以及氣泡在反應器中的向上運動(dòng)必然會(huì )對整個(gè)反應器的流動(dòng)型式產(chǎn)生重大的影響，使得反應器的流型偏離于理想狀況.為此，本文通過(guò)測定實(shí)際反應器中流體的停留時(shí)間分布，根據停留時(shí)間分布的特征提出流動(dòng)的組合模型，并據此研究實(shí)際的反應過(guò)程，以期為內循環(huán)厭氧反應器的進(jìn)一步工業(yè)化放大提供有益的開(kāi)發(fā)思路和方法.

　　2 實(shí)驗方法

　　接種污泥為某啤酒廠(chǎng)UASB反應器中活性污泥 ;營(yíng)養液參照產(chǎn)甲烷活性測定營(yíng)養液配制方法進(jìn)行配制;牲畜廢水為牲畜糞便經(jīng)過(guò)淘洗、過(guò)濾去除大顆粒泥沙及部分懸浮物后所得的液體，糞便取自某養豬場(chǎng);示蹤劑為硝酸鈉(分析純)，由杭州化學(xué)試劑有限公司提供.

　　主要儀器：FA1104N型電子天平、DFG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、TC-15型恒溫電熱套、SC-15型數控超級恒溫槽、BT01-YZ1515型蠕動(dòng)泵、GC-1690B型氣相色譜儀

　　2.1 內循環(huán)厭氧反應器主反應區停留時(shí)間分布密度函數E(t)的實(shí)驗測定流程

　　為建立厭氧反應器的流動(dòng)模型，實(shí)驗研究了反應器停留時(shí)間分布，并考察了不同氣體流量的影響，獲得了停留時(shí)間分布函數.內循環(huán)厭氧反應器由主、次兩反應區組成，由于反應主要在主反應區4進(jìn)行，因此，實(shí)驗主要針對反應區4進(jìn)行停留時(shí)間分布測定.實(shí)驗流程如圖 1所示.

 圖1 工藝流程示意圖(1.進(jìn)水罐，2.蠕動(dòng)泵，3.氣泵，4.主反應區，5.內反應區，6.出水口，7.氣體出口，8.反應液出口，9.環(huán)隙反應區)

　　以水為工作介質(zhì)，將水加入進(jìn)水罐至一定高度，開(kāi)啟蠕動(dòng)泵，保持水流量為15 L · h-1，流量計安裝在泵出口處;同時(shí)開(kāi)啟氣泵，氣泵流量由安裝在泵出口處的氣體流量計檢測，分別為0、90、180 mL · h-1.水從下而上流過(guò)反應器，反應器分為上下兩部分，下部為主反應區，內徑為110 mm，高550 mm，幾何體積為5 L;上部為次反應區，又分為兩部分，一是內反應區5，另一為環(huán)隙反應區9，環(huán)隙反應區幾何體積VR4為2.44 L，內反應區幾何體積VR5為2.86 L.在環(huán)隙反應區的上部安裝有氣體出口管，由于測定的是主反應區停留時(shí)間分布，故液體在主反應區上部出水口處排出，出水口處同時(shí)安裝一電導儀，通過(guò)檢測出口液體的電導率而推算出示蹤物濃度的高低.

　　當氣液兩相流動(dòng)達到穩定后，在進(jìn)水罐上方快速加入一定量的示蹤劑，同時(shí)計時(shí)，間隔一定時(shí)間，于反應器出口處記錄下水的電導率隨時(shí)間的變化.

　　2.2 驗證實(shí)驗工藝流程

　　驗證實(shí)驗工藝流程示意圖如圖 2所示.新鮮料液加入儲槽中，料液由蠕動(dòng)泵輸送，進(jìn)入換熱器中，換熱器由10根有機玻璃管組成，管外徑為10 mm，長(cháng)65 mm，料液走管程，與循環(huán)水換熱后進(jìn)入反應器，在次反應區頂部進(jìn)行氣液分離，液體進(jìn)入廢液槽，氣體經(jīng)過(guò)氣體流量計后由緩沖瓶進(jìn)入液封槽，液封槽容積為1500 mL，最后進(jìn)入皂沫流量計計量放空.

 圖2 驗證實(shí)驗工藝流程示意圖(1.原料液儲槽，2.蠕動(dòng)泵，3.流量計，4.換熱器，5.反應器，6.反應廢液槽，7.氣體流量計，8.液封槽，9.緩沖瓶，10.皂沫流量計)

　　由于新鮮料液配料較為困難，當系統穩定，即氣體流量變化不大時(shí)，每隔4 h分別測量氣液兩相組成、流量，一般測量2~3次結束實(shí)驗.

　　2.3 內循環(huán)厭氧反應器主反應區流動(dòng)模型建立

　　對反應器主反應區流動(dòng)狀況作出如下假設：示蹤物A為瞬間脈沖進(jìn)料;反應器中氣體流量恒定不變，且均勻上升;進(jìn)料清水流量亦恒定不變.現假設厭氧反應器主反應區流動(dòng)型態(tài)可由一平推流區(PFR)與兩個(gè)并聯(lián)的全混區(CSTR)串聯(lián)組合而成，模型示意圖如圖 3所示.

 圖3 中反應器流動(dòng)模型組合示意圖文名

　　設反應器主反應區總體積為VR，等于模型中各反應區體積VRi之和，設PFR的體積分率為f1，CSTR2、CSTR3的體積分率分別為f2、f3，總流量為v0，流經(jīng)CSTR2的流量分率為I，某時(shí)刻流出CSTR2、CSTR3全混區的流體中示蹤劑濃度分別為CA2、CA3，混合后出口總濃度為CA.當t=0時(shí)，在PFR反應器入口處，脈沖法加入質(zhì)量為M的飽和示蹤劑A.對于PFR：

　　

　　式中，VRP為PFR的體積(L); p為流體在PFR中的平均停留時(shí)間(min).

　　對CSTR2進(jìn)行物料衡算，求取CSTR2出口濃度CA2：①當t< p時(shí)，由于示蹤劑A仍在PFR中，對CSTR2，CA2=0;②當t≥t¯t¯p時(shí)，對CSTR2作物料衡算，根據輸入量=輸出量+累計量，則有：

　　

　　求解該方程，得

　　同理，對CSTR3進(jìn)行物料衡算，可求取CSTR3出口濃度CA3：①當t< t¯t¯p時(shí)，由于CSTR3中無(wú)示蹤劑，故CA3=0;②當t≥ t¯t¯p時(shí)，對CSTR3作物料衡算，可得：

　　

　　最后，對CSTR2、CSTR3出口處作物料衡算，由于該處進(jìn)行的是混合過(guò)程，則：①當t< t¯t¯p時(shí)，CA=0;②當t≥t¯t¯p時(shí)，CA=ICA2+(1-I)CA3.

　　停留時(shí)間分布密度函數E(t)的求取公式如下：

　　

　　當t

.

　　最后：

　　

對模型求解轉化為求解一個(gè)三參數I、f1、f2的E(t)方程，其中，t¯t¯p不是獨立的.

　　3 實(shí)驗結果及模型參數求解

　　3.1 主反應區停留時(shí)間分布測定

　　實(shí)驗是在清水流量為15 L · h-1，氣體平均流量分別為0、90.0、182.1 mL · h-1條件下進(jìn)行測定的，示蹤劑脈沖加入，部分實(shí)驗數據如表 1所示.

表1 不同氣體流量時(shí)分布電導率隨時(shí)間變化關(guān)系

　　根據

，各時(shí)間點(diǎn)的E(t)值如表 2所示.應用非線(xiàn)性最小二乘法求解，不同氣體流量時(shí)的模型參數及方程如表 3所示.

表2 停留時(shí)間分布密度函數E(t)隨時(shí)間變化關(guān)系

 
表3 不同氣體流量時(shí)流動(dòng)模型參數計算值

　　當vg=0、90.0、182.1 mL · h-1時(shí)，分別獲得E(t)方程.E(t)方程獲得后，將不同時(shí)刻t時(shí)的CA值，代入方程，可獲得E(t)的計算值，其值列于表 2中.由表 3中數據可知，隨著(zhù)氣體流量的增大，反應器中存在較大的返混，PFR體積所占比率f1不斷減小，說(shuō)明氣體流量對反應器的流型有著(zhù)較大的影響.

　　

　　3.2 內循環(huán)厭氧反應器模擬

　　3.2.1 內循環(huán)厭氧反應器反應過(guò)程模型的建立及驗證

　　1)反應器反應過(guò)程模型建立

　　根據以上停留時(shí)間分布的特點(diǎn)，厭氧反應器由主、次反應區組成，因此，可用圖 4中的組合模型模擬反應器反應過(guò)程行為.圖 4所示組合模型中，根據停留時(shí)間分布規律，1、2、3擬合的是厭氧反應器主反應區;次反應區由中間回流區和環(huán)隙區構成，中間回流區可作為平推流處理，環(huán)隙區由于有大量產(chǎn)物氣體流過(guò)，可作為全混區處理，所以反應器次反應區可由4、5并聯(lián)進(jìn)行擬合.

 圖4 反應器反應過(guò)程模型組合示意圖

　　模型中各參數的確定：針對本反應器，實(shí)際反應過(guò)程中生成的氣量在90~180 mL · h-1之間，因此，模型中主反應區各參數取其平均值，具體如下：f1=0.36，f2=0.53，f3=0.11，I1=0.53.

　　次反應區流量分率為：

　　

　　各反應區有效體積VRi的確定：總污泥加入量為5 L，上層即次反應區污泥所占分率按0.35計算，則：VR1+ VR2+VR3=3.25L，VR1=1.17L，VR2=1.7225L，VR3=0.3575L，VR4+ VR5=1.75L，VR4=V4/(V4+ V5)=0.8057L，VR5=0.9443L.

　　2)模型驗證

　　為驗證上述模型是否正確，進(jìn)行了3組不同初始濃度操作狀態(tài)的實(shí)驗，當厭氧反應器操作穩定后，即在一定時(shí)間能氣體流量基本不變，此時(shí)，操作參數分別為：廢液體積流量v0L=15 L · h-1，溫度T=35 ℃，廢液初始COD CS0=3.3840、3.5326、3.8729 g · L-1，由前期實(shí)驗所得動(dòng)力學(xué)方程為：

　　

　　

　　式中，Cs為反應器中廢液濃度(g · L-1)，-rs為廢液COD消耗速率(g · min-1 · L-1)，rpCH4為甲烷生成速率(g · min-1 · L-1)，rpCO2為二氧化碳生成速率(g · min-1 · L-1)，模擬計算了反應器單程轉化過(guò)程，主、次反應區出口即B、C兩點(diǎn)處計算值如表 4所示.以基質(zhì)初始濃度CS0=3.3840 g · L-1為例，實(shí)驗數據及處理如表 5所示.

 表4 主、次反應區出口處B、C兩點(diǎn)狀態(tài)數據

 表5 驗證實(shí)驗各點(diǎn)狀態(tài)數據一覽

　　CH4體積流量vCH4實(shí)為193.81 mL · h-1，CH4質(zhì)量流量FCH4實(shí)為2.045×10-3 g · min-1.同理，可計算CO2體積流量、質(zhì)量流量分別為8.75 mL · h-1、2.54×10-4 g · min-1.誤差按(實(shí)驗值-計算值)/實(shí)驗值×100%計算，可知本組B點(diǎn)基質(zhì)濃度CSB誤差最大，為7.86%.

　　由表中數據可見(jiàn)：不同時(shí)刻反應器出口C點(diǎn)的氣體體積流量v大于模擬計算時(shí)的體積流量vgC，其原因可能是該驗證實(shí)驗時(shí)間不夠長(cháng)，系統中存在一定的N2，同時(shí)反應過(guò)程中生成其它氣體所致.其余兩組數據計算依此類(lèi)推，最后得到不同濃度時(shí)，C點(diǎn)出口處CH4體積流量最大誤差為9.67%，CO2體積流量最大誤差為8.53%，可見(jiàn)所建立的組合模型能夠反映反應器實(shí)際操作狀況.

　　3.2.2 內循環(huán)厭氧反應器模擬計算

　　根據以上反應過(guò)程模型，模擬了初始COD、溫度變化對厭氧反應器狀態(tài)的影響.

　　1)初始COD變化對反應器操作狀態(tài)影響的模擬研究

　　操作參數為：廢液體積流量v0L=15 L · h-1，溫度35 ℃，改變COD初始值，B、C兩處模擬數據如表 6所示.由表 6中數據可知，當溫度一定時(shí)，隨著(zhù)基質(zhì)初始濃度的增高，B、C兩處基質(zhì)濃度也隨之升高，產(chǎn)物CH4、CO2的質(zhì)量流量也升高.

  表6 反應器出口處B、C兩點(diǎn)狀態(tài)隨基質(zhì)濃度變化關(guān)系

　　2)反應溫度變化對反應器操作狀態(tài)影響模擬研究

　　操作參數為：廢液體積流量v0L=15 L · h-1，COD初始值CS0=3.40 g · L-1，改變溫度，B、C兩處模擬數據如表 7所示.由表 7中數據可知，在基質(zhì)初始濃度一定時(shí)，隨著(zhù)溫度的升高，B、C兩處的基質(zhì)濃度不變，這主要是由于在該溫度范圍內，基質(zhì)消耗活化能很低，以致消耗速率幾乎不隨溫度變化而形成的結果;但產(chǎn)物CH4、CO2的質(zhì)量流量隨溫度的升高而升高，同時(shí)CO2的增加速率要快于CH4，這主要是由于CO2生成活化能高于CH4，故其生成速率對溫度更為敏感.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 表7 反應器出口處B、C兩點(diǎn)狀態(tài)隨基質(zhì)溫度變化關(guān)系

　　4 結論

　　1)通過(guò)對反應器主反應區停留時(shí)間分布的考察，主反應區流型可以用一平推流區與兩個(gè)并聯(lián)的全混區進(jìn)行串聯(lián)組成，各區所占體積分率隨反應過(guò)程中所產(chǎn)氣體流量不同而不同，隨著(zhù)氣體流量的增大，平推流區所占體積分率減小.

　　2)次反應區由平推流區和全混區并聯(lián)組合而成，整個(gè)厭氧反應器由主反應區和次反應區串聯(lián)組合而成，根據實(shí)驗數據可知，C點(diǎn)出口處CH4體積流量最大誤差為9.67%，在可允許的范圍內，說(shuō)明該組合模型較好地模擬了反應器的實(shí)際狀態(tài).

　　3)采取單因素分析方法，模擬了基質(zhì)初始COD和溫度變化對反應器出口狀態(tài)的影響，發(fā)現產(chǎn)物CH4、CO2的質(zhì)量流量隨基質(zhì)濃度、溫度的升高而升高;在304.15~312.15 K范圍內，溫度的變化對出口處基質(zhì)濃度的影響不大.