上流式厌氧污泥床(UASB)是第二代高效厌氧反应器，基于两相厌氧生物降解的原理，在同一个反应器内培养出集产酸菌和产甲烷菌于一体的颗粒污泥并使这两大类微生物保持较高的活性，从而实现UASB反应器对COD(化学需氧量)的高效去除，因此UASB反应器在食品加工和纺织业等的高浓度有机废水处理中被广泛应用[1]．但随着现代工业的快速发展，工业废水中的硫酸盐浓度越来越高．含硫废水须妥善处理，否则会破坏水体的生态，进而危害到水体中的动植物甚至人类的健康[2]．常用的除硫方法有物化法和生物法，其中物化法一般是通过添加化学药剂的方法将废水中的硫氧化成硫单质，但是成本较高而且容易引起二次污染．生物法避免了这些弊端，生物法是利用硫酸盐还原菌将硫酸盐转化成S2-，HS-和H2S，最终转化成S单质[3]．文献[4]发现光合细菌在处理高浓度含硫废水时有积极作用：光合细菌能在厌氧和光照条件下，将H2S还原成硫单质，并将其存储在细胞内或附着在细胞外．文献[5]证明将光合细菌和UASB反应器结合后的光照UASB反应器对COD及硫酸盐的去除均优于非光照反应器．关于光照UASB反应器的设计，却少有学者研究，反应器的设计基本依靠经验公式．为了优化光照UASB反应器的设计和运行，本研究将采用计算流体力学(CFD)对光照UASB反应器内部流场进行数值模拟分析．通过对单向流和液-固两相流进行数值模拟来分析光照UASB反应器内的流场特性，同时研究上升流速对反应器内部流场的影响，将无法直接观测到的流场现象在模拟结果中呈现出来，模拟结果将为光照UASB反应器的实际设计和运行提供理论支持和数据支撑．1 模型建立1.1　几何建模利用solid works(CAD绘画软件)对光照UASB反应器进行三维空间的几何建模，空间位置与几何模型如图1所示，空间原点(0，0，0)位于反应器最底面的圆心处．10.13245/j.hust.221006.F001图1光照UASB反应器的空间位置与几何模型 (mm)反应器的主要结构参数如图1所示，其中流体所流经的圆环柱体反应区高度为750 mm，内直径为110 mm，外直径为170 mm，有效容积为11.7 L．反应区上部为三相分离器，三相分离器与竖直方向的夹角为40°，反应器壁厚为5 mm．反应器中部放置光源，进水口直径为10 mm，其轴线距离反应器底部10 mm，进水口连接环形布水管，布水管下有三处布水孔，布水方向向下，直管与环管相交处为布水孔1，布水孔1、布水孔2和布水孔3的间距相同，将环管均匀划分为3份，处于环管内接正三角形的三个顶点，直径为3 mm，出水口与出气口的位置如图1所示，二者直径均为5 mm．1.2　网格划分对于复杂的流动问题，网格划分的精细程度会影响到最终的模拟结果，所以本次网格划分采用更具有普适性的四面体非结构化网格．将建立的几何模型导入ANSYS软件，分别利用Design Modeler和Mesh生成流体域及网格划分．划分网格时对进出口、布水系统及三相分离器附近的区域做加密处理，同时选择合适的网格以减少与模拟相关的时间和费用，最终整个计算区域生成网格1.403 75×105个，节点为2.375 3×104个[6]，如图2所示。10.13245/j.hust.221006.F002图2光照UASB反应器网格划分结果(mm)对此模型进行不同网格数的划分，比较其速度云图和流函数图，模拟运算的结果几乎一致，说明了网格的无关性．2 反应器单向流数值模拟2.1　数值条件设置根据已建立模型将流体域设置为单相流流动，并确定各边界条件与初始条件，把进水口设置为速度入口，速度为4.137 6 cm/s，把出水口设置为压力出口，压力值为101.325 kPa，并使用RNG k-ε模型作为湍流模型．所有壁面均设置为无滑移壁面，使用标准壁面函数处理近壁面．控制方程的离散化均采用二阶迎风格式，松弛因子采用默认值，基于有限体积法(finite volume method，FVM)对控制方程组进行离散化，求解算法采用分离算法中的压力耦合方程组半隐式算法(semi-implicit method for pressure linked equations，SIMPLE)，松弛因子采用默认值，并将残差精度设置为1×10-4．2.2　单向流数值模拟及参数优选当光照UASB反应器达到稳定状态时，其单向流水流速度云图如图3所示．由图3可得流场中速度较高的区域主要集中在反应器底部和出水口，而反应器中部水流的速度较小．出现这一现象是因为在底部进水口和出水口处反应器突然变径而导致流速升高．此外流体在流经三相分离器时也因为突然变径而导致流速升高、流动更剧烈．10.13245/j.hust.221006.F003图3单相流水流速度云图(色标单位：m/s)为了进一步分析反应器内不同半径处流速随高度变化的关系，将部分计算结果导出，利用Origin作图进行分析，如图4所示，图中：u1为液相速度；h为垂直高度．反应器圆环柱体的内径为0.055 m，外径为0.085 m，径向距离原点为y=0 m，图中的y=0.06，0.07，0.08 m表示在靠近进水口区域的取值线，与之相反y=-0.06，-0.07，-0.08 m则表示远离进水口区域的取值线．由图4可以看到：反应器中间部分的流速较平缓，总体上整个流场的速度是随着高度的增加而逐渐减小并趋于平稳的，最终在高度为0.12 m处趋于稳定，因此推断三孔布水的进水在高度为0.12 m时达到均匀的状态．若放大反应器的比例，则建议按照反应器高度占比设置进水．10.13245/j.hust.221006.F004图4不同半径位置的流速随高度变化图1—y=0.06 m；2—y=0.07 m；3—y=0.08 m；4—y=-0.06 m；5—y=-0.07 m；6—y=-0.08 m．从图4中可以看到在高度为0.7 m处反应器内部流场会出现速度峰值和低谷，这是因为三相分离器下挡板末端高度为0.72 m，而径向距离0.06 m处的流体在这个位置会遇到三相分离器下挡板，过流截面面积突然减小，因此速度陡然上升；而径向距离0.07 m和0.08 m的流体则是会经过三相分离器斜挡板与反应器壁面的夹角区域，在斜挡板的影响下流体向进水口回流，这部分距离进水口较远的区域较少有流体运动，容易形成死区．本研究结果和文献[7]的研究结果一致，反应器底部为锥形部分且进水流速较快时，会在反应器底部形成漩涡；但是当进水流速较慢时，反应器底部就不会形成漩涡，不利于泥水混合，可能会形成死区，堵塞进水口[7]．为进一步研究反应器不同高度径向距离的速度变化特点，图5显示不同高度的径向距离速度分布，图中：z为距离反应器底部的高度；y为径向距离．从图5中可以看出不同高度时流体速度沿径向先升高后下降．同时图5中z=0.05m的曲线也验证了图4得出的结论：在反应器底部，靠近布水孔的区域流速更高．10.13245/j.hust.221006.F005图5不同高度径向距离的速度变化图1—z=0.05 m；2—z=0.10 m；3—z=0.20 m；4—z=0.40 m．3 液-固两相流数值模拟3.1　数值条件设置根据已建立模型将流体域设置为液-固两相流流动，并确定各边界条件与初始条件，把进水口设置为速度入口，速度分别为4.138×10-2，6.207×10-2，1.241 4×10-1，2.482 8×10-1 m/s，把出水口设置为压力出口，压力值为101.325 kPa，并使用RNG k-ε模型作为湍流模型．液-固两相流模型选择欧拉模型，曳力模型采用Gidaspow模型．所有壁面均设置为无滑移壁面，使用标准壁面函数处理近壁面．控制方程的离散化均采用二阶迎风格式，松弛因子采用默认值，基于FVM(有限体积法)对控制方程组进行离散化，求解算法采用分离算法中的SIMPLE算法，松弛因子采用默认值，并将残差精度设置为1×10-4．3.2　模拟结果分析为了研究不同上升流速下反应器内的流动情况，探讨液相和固相在上升流速u为0~6 m/h时的运动规律，对u为0.887，1.774，3.547，5.321 m/h条件下的反应器分别进行液-固两相流模拟．3.2.1　启动阶段污泥层的变化光照UASB反应器在刚开始进水时，大部分颗粒污泥沉积在污泥层底部，随着流体表面上升流速的提高，污泥层不断膨胀，污泥浓度沿反应器高度变化趋于均匀[7]．图6是当u=0.887 m/h时，反应器内颗粒污泥体积分数随时间的变化图．由图6可知：当0 s时反应器底部为初始污泥层；当1 s时布水孔1附近的污泥颗粒先开始发生搅动，因为布水孔1离进水口最近；当5 s时最先开始搅动的污泥颗粒开始回落，由于布水孔1的水流速度仍较高，导致右侧的污泥颗粒被慢慢挤向左侧，左侧的污泥颗粒开始积累；当到了7.5，8和9 s时可以看到左侧的颗粒污泥浓度开始升高，这是因为一方面颗粒污泥从右侧被挤向左侧，另一方面随着时间的增加，左侧的流速逐渐提升，进而带动附近区域更多的颗粒污泥一起运动；当15 s时各区域污泥层高度基本达到一致，只在某些部位有小幅度的波动；当20 s时，污泥层内部基本达到稳定状态．在反应器启动初期，通过布置多个进水孔来加快启动速度，使反应器可以在较短的时间内达到稳定状态．10.13245/j.hust.221006.F006图6颗粒污泥体积分数随时间的变化图3.2.2　不同上升流速液相速度场分布在不同上升流速条件下，光照UASB反应器液相速度云图和液相速度矢量图分别如图7和8所示．对传统的UASB反应器而言，它的流态化程度取决于其水力上升流速[8]．由图7可以看出不同上升流速下反应器内的液相速度场具有相同的分布特点：底部为湍流区，流速较大且方向各异；随着高度的上升，水流速度逐渐降低并稳定下来，呈推流状态．这是因为在进水处设置了三个布水孔，水流冲击反应器底部后都分散开来，并且水流在上升的过程中会与污泥层中的颗粒污泥产生碰撞而转向．在文献[9] 对传统UASB反应器单相流模拟的研究中发现：随着布水点的增多，水力死区减少，返混程度降低，紊流程度减少，液体流动趋于平推流[9]．10.13245/j.hust.221006.F007图7不同u的反应器液相速度云图(色标单位：m/s)10.13245/j.hust.221006.F008图8不同u的反应器液相速度矢量图(色标单位：m/s)从图8中还可以看出：随着上升流速的增加，液相在反应器中上区域呈现更加稳定的上升趋势，但是当流速进一步上升至3.547 m/h及5.321 m/h时，反应器中部会出现漩涡，为了更加直观地反映这一现象，结合液相的流线图进行观察与分析，图9为不同上升流速的反应器液相流图．10.13245/j.hust.221006.F009图9不同u的反应器液相流线图(色标单位：m/s)通过图9可以清晰地看到：当上升流速为3.547 m/h及5.321 m/h时，反应器中部出现漩涡，并且流速越高，漩涡出现的位置越靠近污泥层，这会导致污泥颗粒的流失，不利于污泥层的稳定，更有可能会造成死区．死区的出现及颗粒污泥的流失会影响微生物的代谢进而降低反应器的处理效果，在实际运行中应尽量避免这种现象的产生．通过分析结果得出：当u=1.774 m/h时，反应器内部流场最稳定．3.2.3　污泥体积分率污泥体积分率同样是影响反应器流态的重要因素，图10反映了不同上升流速下反应器内的污泥体积分率云图．10.13245/j.hust.221006.F010图10不同u下的反应器污泥体积分数传统UASB反应器内若能形成良好的颗粒化污泥，反应器的负荷会比絮状的UASB反应器负荷提高约3～5倍[10]．从图10中可以看出：随着上升流速的增加，污泥层的高度也在升高，但污泥层内污泥的体积分率并不均匀，越高的上升流速会给反应器底部带来更剧烈的扰动．当上升流速达到5.321 m/h时，反应器底部污泥体积分率显著降低，这样能够有效地避免污泥在反应器底部堆积，从而堵塞布水孔，影响进水及降低反应器处理效率；因此当在实际运行光照UASB反应器时，可以通过提升上升流速的手段来避免污泥堵塞现象．也有学者针对UASB反应器的污泥层来优化UASB反应器的处理效果，文献[11]以某化工厂生产废水处理工程为实例，用外循环UASB仅启动一个多月，在污泥层就形成了1～2 mm的颗粒污泥，并取得了较高的COD去除率．文献[12]从UASB反应器内紊流扩散角度出发提出了UASB反应器内污泥层沿垂直高度的污泥分布模型，利用该模型能够通过污泥层的浓度和高度，求解反应器表面负荷，从而确定UASB反应器结构优化尺寸．污泥层的位置对UASB反应器的处理效果有着显著的影响．取四条取值线绘制出不同上升流速条件下的污泥体积分数曲线，四条取值线位置见图11，污泥体积分数曲线如图12，图中φ为体积分数．10.13245/j.hust.221006.F011图11取值线示意图10.13245/j.hust.221006.F012图12不同u下污泥体积分率随垂直高度变化图1—取值线1；2—取值线2；3—取值线3；4—取值线4．由图12可知：高度为0.005~0.015 m的区域污泥体积分数为0，这是因为取值线在布水管区域，布水管内无颗粒污泥；当u=0.887 m/h时，污泥的分布较为均匀，体积分数保持在0.4~0.5之间；随着上升流速增加，颗粒污泥运动得更加剧烈，污泥分布也发生较大变化，同时反应器底部的污泥也变少，降低了进水口堵塞的风险．由图12可知随着上升流速的增加，污泥层的高度也随着增加，这也证实了图10的结果．因此，当实际反应器启动时，可以先提升上升流速使污泥层被快速搅起，之后可以适当降低上升流速来使泥水混合更加均匀．4 结语运用CFD技术对光照UASB反应器内部流场进行数值模拟，通过对单向流和两相流的分析，探讨在不同高度和不同上升流速的情况下反应器内的流场特性．对光照UASB反应器进行单相流模拟，结果显示：反应器布水并不均匀，靠近进水的区域和三相分离器区域处流速较高，离出水口较远的区域流速相对较低，在反应器高度约0.12 m处流速趋于稳定；反应器内的流速随径向距离的增加先升高后降低．对光照UASB反应器进行液-固两相流模拟，分析u=0~6 m/h时的流场流态，得出结果：上升流速的升高会使湍流区体积增加，并且使反应器中部出现漩涡；研究颗粒污泥体积分数发现，当上升流速为0.887 m/h时的污泥分布较为均匀，随着上升流速的增加，污泥的分布越来越不均匀，污泥层高度也随之增加，但当u＞1.774 m/h时对污泥层的提升较小．在反应器实际启动时可以考虑将先提升上升流速快速搅起污泥床层，之后可以适当降低上升流速来使泥水混合更加均匀．