改进型上流式反应器及其三相分离器的模糊优化设计郝晓刚

第2卷第3期1998年5月四川联合大学学报(工程科学版)J01)RNALOFSICHUANUNIONUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)V心1.2No.3May.1998改进型上流式反应器及其三相分离器的模糊优化设计郝晓刚余华瑞石炎福(四川联合大学化工系成都610065)摘要本文在RRvANDERMERE等人提出的上流式反应器废水厌氧处理的数学描述基础上,建立了一种改进结构的UASB反应器有机质转化率及工艺操作条件与反应器结构尺寸之间的稳态关系,根据反应器结构模糊优化模型求解。在此基础上对其三相分离器进行优化设计,取得了较好的效果。应用该模型可以求出反应器及三相分离器的最佳结构尺寸及有关的工艺操作条件,从而为厌氧反应器及三相分离器的优化设计提供一套完整、有效的方法,同时为过程的运行提供一定的依据。关健词厌氧消化;UASB反应器;三相分离器;废水处理;模糊优化;设计方法分类号TC旧21上流式厌氧污泥床(UABS)反应器因具有结构简单、负荷高、适应性广等特点,一直受到国内外普遍重视,已被广泛用于多种工业废水的处理〔`,“〕。国外在UAsB反应器厌氧消化过程的工艺和设备方面进行了很多研究,但就其结构对厌氧消化过程的影响,反应器结构设计和优化等问题报导较少。传统的UASB反应器设计重点集中在气、液、固三相分离器方面〔3,4]。三相分离器是uASB反应器稳定运行的关键,而且在日益发展的三相流态化技术中也有着广泛的应用前景。但到目前为止,大型生产规模三相分离器的结构在国外仍属专利〔5〕,有关设计方法也未见报导。国内的研究也都集中在工艺和菌种驯化方面,对三相分离器大多按固液和气液两相分离的方法进行设计[6,7,“〕。所采用结构在负荷较高时仍会出现污泥流失,限制了反应器负荷的提高。由于许多投入运行的反应器大多凭经验设计,而且三相分离器的结构不尽合理,因而体积庞大,效率很低,未能实现最佳操作近年来我们对反应器及三相分离器的结构进行了较多的研究,并报导了上流式反应器结构模糊优化模型及一种改进结构反应器和新型三相分离器的研究情况〔9,`”,`’,’“〕,为了提供一套完整的设计理论,我们在vANDERMEER等人提出的数学描述基础上〔`3〕,根据有关实验结果得出了稳态条件下改进型反应器有机质转化率及工艺操作条件和反应收稿日期1997一01一21DOI:10.15961/j.jsuese.1998.03.011郝晓刚等改进型上流式反应器及其三相分离器的模糊优化设计器结构尺寸间的稳态关系,并用上述模糊优化模型求解,在此基础上对三相分离器进行优化设计,以期对uASB反应器及其三相分离器的结构设计和优化作有益的探讨。1改进型uASB反应器消化过程的数学描述图1是改进结构UASB反应器示意图[详见文献(11)、(12)]。由于料液的纵向流速一般都比较低(小于1一Zm/s),因此引起污泥上浮的主要原因是产气量。当有机负荷提高时,产气量增加,气体夹带上升到悬浮层顶部的污泥量也增多,过高的污泥浓度将堵塞沉淀器的污泥回流系统,因而限制了负荷的升高。改进结构在传统的三相分离器下部增设一集气罩;预先排除大部分气体,改善了反应器内的污泥和气体分布状况,这样上升到三相分离器的气体减少,沉淀器污泥回流口下部的污泥浓度就降低,同时气体的干扰作用也得到缓解,使污泥能够顺利回流。.有机质的厌氧消化在具有固定床性质的污泥床和具有流化床性质的悬浮层两部分完成,沉淀器具有气、液、固三相分离的作用,但不参与有机质的消化过程,因此影响有机质转化率的结构尺寸主要是污泥床高度(h。)和污泥层高度(hJ),这样反应器本体结构优化就是寻求最佳的h。和h己。污泥床与污泥悬浮层之间的物料流动关系仍沿用文献(13)提出的流动模型来表示。在正常的稳态条件下,对质量平衡微分方程作简化处理可得:、了`、./IA,一了``、了f、hb=FO(C:0一c,a)qC。沪ZF*(C:。一afC)qCmd月Z反应器有机质转化率为:笋气砚(砚。一C户凡+肠+h、(kgC()D/m3)(3)其中F。一进入床部流量(耐h/)凡一短路流量(耐h/)C,一进料浓度(kgCOD/耐)C,a一溢流基质浓度(kgCOD/扩)q一污泥活性系数(kgCODk/gVSS·h)A一反应器横截面积(扩)cm`一床部污泥浓度(kgss/耐)cmd一层部污泥浓度(kgSS/m3)e二一溢流浓度(kgCOD/m3)叭一料液纵向流速(m/h)排排排排王王王王歹一9,,~~~~~-卫OOO0000000—。。\\\\\一乙///ooooo一ooo图1改进型〔从SB反应器示意图Z一污泥中挥发性悬浮固体含量(%)文献(13)的数学描述是在有限的具体实验基础上提出的,有关流体模型及污泥性状的实验是在使用良好沉降特性的污泥及较大的纵向流速(1一Zm/h)下完成的,因而该描述只能保证在使用这种污泥类型及最大纵向流速下才是正确的,所提供的动力学参数四川联合大学学报(工程科学版)第2卷第3期也只能在进料浓度的限制范围内得到保证,因而其应用范围受到极大限制。为了适应更大范围的反应器设计,其流体模型、污泥模型及动力学参数应根据有关实验修正。一般认为C二。可取为常数,而cdln与床顶部产气量,污泥平均沉降速度和料液纵向流速有关:、,了、.产4CJ叮了、、了r、笋,’e。.K,。Cm。价,’rt代,2+其中Cod=笋,’rt一价,’g砚一叭IOFo图2上流式反应器流动模式F(10+h、+hst)、、矛尹、、产石tU了é宁几、2.、叽一乒竹(q。一c必)J”东eF=FO+凡式中心一单位时间每平米床顶部产气体积(m/h)笋,’s一单位时间每平米反应器产气体积(m/h)Vs一污泥平均沉降速度(m/h)F一进入反应器废水流量(m3h/)h“一沉降器高度(m)K二一转化单位有机物的甲烷产量(耐CH月/kgCOD).几比一气体中甲烷含量tK必tK己一污泥模型常数,无量纲。旁路流量凡与污泥床高度、污泥特性及进料分布情况有关,验14[,`,〕,凡可用下面公式予以量化:凡=[0.3(入。一1.7)2+0.25]F由于厌氧甲烷菌的升长率缓慢,可忽略出水中的细菌性废物浓度,与该描述对应的变量约束条件:hb二1.2一2.2(m)hd之1.7(m)VL=1一2(m/h)另外,反应器总高度hR一般不超过6.5m。根据有关流态实(8)因而取C,a二c,。2反应器结构模糊优化模型及其求解反应器单位体积、单位时间内的底物转化率,即有机负荷体现了反应器的综合性能,因此我们以协气作为反应器结构优化的目标函数,并考虑各种模糊因素的影响及参数约束的模糊性,将约束条件模糊化,根据我们以前介绍的方法建立起上流式反应器的结构模糊优化模型〔9]:目标函数:笋气=f【h抓砚),h、(砚),砚〕(9)求X=(h。,凡,叭)(10)max协气(11)郝晓刚等改进型上流式反应器及其三相分离器的模糊优化设计模糊约束:1.2鉴h己尝,。鉴2.2(m)1.71喜砚荟2(m)(m/h)(12)(13)(14)以上不等式中,“一”表示具有模糊性。只要找出目标函数&’’’s最大值点的h厂,hJ,V宜就可获得反应器的最佳结构尺寸。该模型是仅有约束模糊性的单目标模糊优化问题,用最优久一水平截集法求解(`6)。首先建立最优又一水平截集,将模糊优化问题转化为普通优化问题求解。求X二(h。,h己,叭)max价气约束条件h。二h。玉石。(15)h己之h己(16)玖二砚二叭(17)最优几一水平截集的多层次模糊综合评判步骤参见文献(9)和(10)。根据该模型还可求出下列参数:反应器总容积:珠二h(。+h、十hs,)A(m3)(18)所需污泥总量:XR=(入。C。。+入JC,n。)A(是那:)(19)水力停留时间:月双T二珠/F(20)3三相分离器的优化设计图3为三相分离器的示意图,一个性能优良的三相分离器应使沉淀区的浓缩污泥能够顺利回流回反应区,污泥在沉淀区的停留时间要短(’“)。回流口下方的污泥浓度cm:越低,沉淀区浓缩污泥回流的推动力也越大。下部集气罩最小断面面积A,减小,进入三相分离器的气量减小,C,:降低,但同时最小断面纵向流速增大,又使Cm、增加。Cm:可用下列公式计算:、、JJ、,户、声几才、、.产,人勺白弓J422222.、、Zr、Z口、、了J、、_isK笋,’rtc、_一tK鸡”+Vsl一叭,二叽u二砚n/Al/A氏心几其中式中价,’wt,一单位时间每平方米悬浮层顶部产气体积(m/h)叭1一下部集气罩最小断面料液纵向流速(m/h)u一下部集气罩最小断面面积与反应器横截面积之比Vsl一最小断面污泥沉降速度(m/h)集气罩最小断面的污泥浓度较高,而且被上升气体夹带到这一部分的污泥沉降性较差,污泥的沉降为拥挤沉降(`7)。污泥的界面沉降速度可用下列经验公式表示(7):Vsl二aC孟J(25)四川联合大学学报(工程科学版)第2卷第于期叭,劳,’s,cm、可由前面的反应器优化模型算出,这样三相分离器的设计首先要找出使c、最小值点的u’,即可获得集气罩的最佳横向尺寸。水和污泥的混合物在进入沉淀室前,气泡必须得到分离(`”),气液分离的设计就是要选择合理的缝隙宽度和上部集气罩横向尺寸,必须满足下列关系(“):AC/月丑矶/Ve(26)其中AC=b/sin召(27)八刀=(d:一dl)/Zsin月(28)Ve=F/S(29)式中b一缝隙宽度(m)月一集气罩或沉淀器底板半锥角,一般取30一40dZ一上部集气罩横向尺寸(m)动(d:+bisn川,对于矩形结构S=水气沼出、、沉降区瑞川?加、、队之c岭dl几B引州11.1一如一h]Ve一缝隙料液流速(m/h),应低于Zm/h(“)S一缝隙总面积(m“),对于圆形结构S二Znlb其中n一三相分离器单元数l一三相分离器长度(m)砚一气泡上升速度(m/h)直径小于0.2mm时可由StcokS公式求出:Vb=g(产:一尸。)d急/18产(m/s)(30)其中凡一废水密度(kg/m3)p。一沼气密度(kg/m3)g一重力加速度(m/52)d。一气泡直径(m)产一废水粘度(N.S/m“)d,已由前面确定,这样给定缝隙宽度b即可求出脱除直径为d。的气泡所需最小dZ。d:越大,气体`二--一~-一---一一-一-图3三相分离器单元结构示意图的分离效果越好,去除的气泡也越小。但d:不能太大,否则沉淀区最小断面的流速珠高于Zm/h,使浓缩污泥回流困难。由于三相混合液在进入三相分离器前大部分气体已被排除,沉淀区下方污泥浓度较低,气量也少,此时浓缩污泥颗粒的沉降速度可用自由沉降速度来代替,用下列公式来计算不同粒径的污泥沉降速度(7):v、=远婴业遐(*召。.2)1匕产(31)了、__J1.6、:=r兰生二夕`2当竺关匕.114`13.gp生乍”6」(0.2(Re(500)(32)、一1.74丫(尸,一夕:)川,尸L(Re)500)(33)式中心一污泥浓度(枯/m“)郝晓刚等改进型上流式反应器及其三相分离器的模糊优化设计d,一污泥颗粒直径(m)Re一雷诺准数R。二P:V户d,产使阵cos月从及砚V,n即可求出使浓缩污泥能够顺利回流的上部集气罩最小断面直径。考虑到颗粒形状不规则及仍有一定的干扰作用,实际沉降速度要比计算值低。另外,下部集气罩最小断面的污泥沉降速度应高于料液纵向流速。即Vsl从1。4模型算法及其应用根据公式(1)一(17)可得出反应器优化模型的算法,根据公式(21)一(30)可确定三相分离器的结构尺寸。由于目标函数价s’’’及cm:的表达式复杂,自变量砚及u的取值范围不大,采用比较法寻求max笋s’#及minCm:,其可靠性和准确性通过玖与u的离散密集程度来保证,计算步骤如下:1)输入sC。,C犯,q,F及有关参数2)最优几一水平截集的多层次模糊综合评定3)确定变量的最优久一水平截集4)在最优久’一水平截集基础上找出满足max笋气的h宕,hJ,v宜5)找出满足minC,:的u’6)由公式(26)一(30)求出b,dZ7)由公式(18)一(20)计量VR,X,月双T根据上