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實(shí)驗(yàn)時(shí)流化床有效容積為31.95 L, 即有效水深710 mm.實(shí)驗(yàn)中激光光源從反應(yīng)器的左側(cè)進(jìn)入, 如圖 1a所示, CCD相機(jī)放置在流化床的正面, 垂直于激光片光源方向.因CCD相機(jī)的拍攝范圍有限, 故流場(chǎng)測(cè)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(shí)驗(yàn)中依次對(duì)同種工況下3個(gè)截面進(jìn)行拍攝, 每個(gè)工況均連續(xù)記錄10000幅圖像序列, 對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行自適應(yīng)互相關(guān)計(jì)算, 得到流場(chǎng)中的速度分布信息, 結(jié)果表明, 流場(chǎng)速度測(cè)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(shè)備生產(chǎn)*
3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)水流量為50 L·h-1時(shí), 升流區(qū)填料濃度隨曝氣強(qiáng)度的增加而增長(zhǎng).進(jìn)水流量為200 L·h-1時(shí), 填料濃度隨曝氣強(qiáng)度的增加呈先上升后下降趨勢(shì).升流區(qū)在相同曝氣強(qiáng)度的工況下, 填料濃度隨進(jìn)水流量的增加呈增加趨勢(shì).從圖 2b可以看出, 進(jìn)水流量為50 L·h-1時(shí), 降流區(qū)填料濃度隨曝氣強(qiáng)度的增加而增長(zhǎng), 曝氣強(qiáng)度為1.05 m3·h-1時(shí), 降流區(qū)填料濃度達(dá)到峰值;曝氣強(qiáng)度分別為0.25、0.65、0.85和1.05 m3·h-1時(shí), 填料濃度隨流化床高度的降低而下降.進(jìn)水流量為200 L·h-1時(shí), 降流區(qū)填料濃度隨曝氣強(qiáng)度的增加呈先上升后下降趨勢(shì);曝氣強(qiáng)度分別為0.25、0.45、0.65和0.85 m3·h-1時(shí), 填料濃度隨流化床高度的降低呈先下降后上升趨勢(shì).降流區(qū)在相同曝氣強(qiáng)度的工況下, 流化床填料濃度隨進(jìn)水流量的增加呈增加趨勢(shì).宿州市農(nóng)村改造污水處理設(shè)備生產(chǎn)*
流化床在相同進(jìn)水流量工況下, 曝氣強(qiáng)度是影響填料濃度變化的主要因素;在相同曝氣強(qiáng)度工況下, 進(jìn)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?yàn)橄∠鄥^(qū)域;曝氣強(qiáng)度和進(jìn)水流量的匹配可使流化床的填料濃度達(dá)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(jìn)水流量和曝氣強(qiáng)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(jiàn), 進(jìn)水流量的增加加速了降流區(qū)填料的流化, 進(jìn)而加速整個(gè)流化床的填料流化;且不同進(jìn)水流量和曝氣強(qiáng)度組合的工況下, 可使填料濃度達(dá)到*.分析其原因, 由于折流板的存在, 折流板上部區(qū)域?yàn)槠貧馑绤^(qū), 實(shí)驗(yàn)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(jìn)水管的布置會(huì)使底部堆積的填料進(jìn)行向左的擊, 當(dāng)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(gè)重要因素.因此, 設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)特征
湍流是一種高度復(fù)雜的不規(guī)則流動(dòng).張波濤等(2001)應(yīng)用PIV技術(shù)對(duì)水泵吸水池的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量, 對(duì)40幅照片顯示的速度矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到了流場(chǎng)的湍動(dòng)能.本文對(duì)同一位置的40幅連續(xù)的照片所顯示的速度矢量圖進(jìn)行分析, 可以計(jì)算出每個(gè)面上各個(gè)點(diǎn)的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差。
urms為徑向速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差, vrms為軸向速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差.
得到各個(gè)點(diǎn)上的速度偏差后, 就可以求出面上各個(gè)點(diǎn)的湍動(dòng)能, 它是表征湍流特征的一個(gè)物理量。
流化床升流區(qū)3個(gè)區(qū)域的液相軸向平均速度值、渦量值和湍動(dòng)能值變化曲線圖(軸向?yàn)閅軸方向, 徑向?yàn)閄軸方向,).可以看出, 進(jìn)水流量為50 L·h-1時(shí), 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(yīng)器高度的增加呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì), 在中部區(qū)域, 液相軸向返混達(dá)到峰值;下部和上部區(qū)域液相軸向返混程度隨曝氣強(qiáng)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(qiáng)度的增加呈先增強(qiáng)后減弱再增強(qiáng)-減弱的波動(dòng)趨勢(shì).進(jìn)水流量為200 L·h-1時(shí), 3個(gè)區(qū)域液相軸向平均速度均小于零, 可推測(cè)液相軸向返混程度隨反應(yīng)器高度的增加呈先增強(qiáng)后減弱再增強(qiáng)的趨勢(shì), 在上部區(qū)域, 液相軸向返混達(dá)到峰值;下部區(qū)域液相軸向返混程度隨曝氣強(qiáng)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(qiáng)后減弱的趨勢(shì).進(jìn)而得到, 進(jìn)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(dòng)能(c)隨進(jìn)水流量及曝氣強(qiáng)度的變化曲線 (A為下部區(qū)域, 進(jìn)水流量50 L·h-1;B為中部區(qū)域, 進(jìn)水流量50 L·h-1;C為上部區(qū)域, 進(jìn)水流量50 L·h-1;D為下部區(qū)域, 進(jìn)水流量200 L·h-1;E為中部區(qū)域, 進(jìn)水流量200 L·h-1;F為上部區(qū)域, 進(jìn)水流量200 L·h-1)
進(jìn)水流量為50 L·h-1時(shí), 下部區(qū)域液相平均渦量隨曝氣強(qiáng)度的增加呈先上升后下降趨勢(shì), 中部區(qū)域呈逐漸下降趨勢(shì), 上部區(qū)域呈波動(dòng)趨勢(shì).進(jìn)水流量為200 L·h-1時(shí), 下部區(qū)域液相平均渦量隨曝氣強(qiáng)度的增加呈先下降后上升趨勢(shì), 中部區(qū)域隨曝氣強(qiáng)度的增加呈波動(dòng)趨勢(shì), 上部區(qū)域隨曝氣強(qiáng)度的增加呈先上升后下降再上升趨勢(shì).液相平均渦量隨流化床高度的增加呈上下多次波動(dòng)趨勢(shì);液相平均渦量隨進(jìn)水流量的增加呈整體逐漸上升趨勢(shì), 但幅度較小.可見(jiàn), 進(jìn)水流量為50 L·h-1時(shí)液相平均渦量出現(xiàn)正值次數(shù)多于進(jìn)水流量為200 L·h-1時(shí), 由渦量表達(dá)式可推論當(dāng)進(jìn)水流量較小時(shí), 升流區(qū)液相剪切力隨著曝氣強(qiáng)度的增加;液相平均渦量值在曝氣強(qiáng)度為1.05 m3·h-1時(shí), 多數(shù)達(dá)到正值, 進(jìn)而說(shuō)明液相剪切力隨著曝氣強(qiáng)度的增加逐漸增加.較強(qiáng)的液相剪切力可使填料表面老化的生物膜及時(shí)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(yīng)器中泥齡長(zhǎng)、污泥活性較低等問(wèn)題.
可以看出, 液相平均湍動(dòng)能隨曝氣強(qiáng)度和進(jìn)水流量的增加均呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì);中部區(qū)域湍動(dòng)能均整體較強(qiáng), 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(qiáng)度和進(jìn)水流量的增加均呈逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì), 可知填料濃度隨液相湍動(dòng)能增強(qiáng)而增加, 進(jìn)而可知較強(qiáng)的湍動(dòng)能可有效地抑制膜污染.
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