基于TMAH廢水的厭氧反應(yīng)器螺旋布水器性能研究

楊 鹿,董連東,王子凡,蔣士龍,董全宇,張偉浩

(中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司,江蘇 無錫 214000)

四甲基氫氧化胺(TMAH)是半導(dǎo)體、液晶面板生產(chǎn)制造過程中的有機(jī)物之一。TMAH是一種含氮有機(jī)化合物,呈強(qiáng)堿性,具有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性,若不加以處置直接排放會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康造成嚴(yán)重影響[1]。電子行業(yè)TMAH廢液中TMAH質(zhì)量濃度多在1%～2.38%,屬于難降解的含高濃度有機(jī)氮廢水[2]。TMAH廢水處理工藝一般有：①物理法,包括活性炭吸附、氧化石墨烯吸附、超濾膜分離、離子交換等;②化學(xué)法,包括光催化氧化、臭氧催化氧化、熱催化氧化等;③生物法,包括好氧、缺氧、厭氧等。其中,好氧生物法和厭氧生物法是目前TMAH廢水處理常用的工藝[3]。好氧生物法和厭氧生物法是利用好氧生物(污泥)或者厭氧生物(污泥)分解TMAH,從而達(dá)到處理TMAH的目的[4]。而布水器作為好氧生物法和厭氧生物法處理TMAH廢水反應(yīng)器內(nèi)一個(gè)關(guān)鍵部件,兼具布水和攪拌功能,決定反應(yīng)器的進(jìn)水方式,影響反應(yīng)器床層流態(tài),涉及反應(yīng)器床內(nèi)的相際傳質(zhì)[5-6]。故此,布水器構(gòu)型的優(yōu)劣直接關(guān)系到反應(yīng)器的處理效能。而常見布水器在布水過程中較難吹起反應(yīng)器底部沉降的污泥,反應(yīng)器底部的流體也較難均勻,因此需要調(diào)整布水器的形態(tài);而螺旋布水器具備吹起反應(yīng)器底部沉降污泥的能力,從而實(shí)現(xiàn)加速反應(yīng)器底部流體的流動(dòng),消除流動(dòng)死區(qū),實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部布水均勻[7-8]。

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,研究應(yīng)用螺旋布水器的TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的性能,可以有效地避免傳統(tǒng)方法的高費(fèi)用、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn),快速獲得布水器和反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)特性,分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[9]。

1 計(jì)算模型

1.1 分析對(duì)象

TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器通常由罐體、布水器、三相分離器等組成,待處理的廢水通過水泵等壓力輸送裝置送入布水器,通過布水器均勻布水,形成理想的流體形態(tài),在反應(yīng)器內(nèi)部通過微生物的代謝作用,達(dá)到處理廢水的目的。本文以TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器為依托,通過CFD的方法分析其性能。

1.2 分析設(shè)定

1.2.1網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬過程中的重要組成部分,網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量關(guān)系到數(shù)值模擬的時(shí)間、精度和收斂性。為了更準(zhǔn)確地模擬,在物理梯度變化較大的布水孔及周邊等地方適當(dāng)?shù)貙?duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密,并且按照網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證分析步驟,再平衡計(jì)算效率和計(jì)算精度,確定采用多面體網(wǎng)格模型,整體網(wǎng)格數(shù)量為265萬。

1.2.2湍流模型

在流體模擬中,常用的湍流模型根據(jù)模型復(fù)雜度和迭代計(jì)算量排序,從低到高依次為標(biāo)準(zhǔn)k- 模型、重整規(guī)劃群(RNG)k-模型、可實(shí)現(xiàn)的k-模型、標(biāo)準(zhǔn)k-模型、剪切壓力傳輸(SST)k-模型。上述模型均為雙方程湍流模型,k表示湍動(dòng)能,ε表示耗散率,ω表示比耗散率。

標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型基于Wilcoxk-ω模型,該模型對(duì)低雷諾數(shù)效應(yīng)、可壓縮性和剪切流擴(kuò)展進(jìn)行了優(yōu)化。Wilcox模型的弱點(diǎn)之一是對(duì)剪切層外部的k和ω值極其敏感(自由流敏感性),因此對(duì)自由剪切流的預(yù)測(cè)不佳。不過經(jīng)過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型多年的修改,逐漸提高了預(yù)測(cè)自由剪切流的準(zhǔn)確性。本模擬工作不僅需要精確計(jì)算反應(yīng)器底部近壁區(qū)域的流場(chǎng),還需要保證反應(yīng)器整體流場(chǎng)的計(jì)算精度,該模型不滿足后一項(xiàng)要求,因而不使用。

剪切壓力傳輸(SST)k-ω模型由Menter開發(fā),有效地將近壁區(qū)域k-ε模型穩(wěn)健而精確的公式與遠(yuǎn)場(chǎng)中k-ε模型的自由流無關(guān)性進(jìn)行了融合,將k-ε模型轉(zhuǎn)換為一個(gè)k-ω公式用于遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域,在近壁區(qū)域則依然使用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型。同時(shí),SSTk-ω模型在ω方程中加入了阻尼交叉擴(kuò)散導(dǎo)數(shù)項(xiàng),并在湍流黏度的定義中考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳遞,在近壁區(qū)域自由流、逆壓梯度流動(dòng)等方面有著更高的精度?？梢?該模型可同時(shí)滿足精確計(jì)算反應(yīng)器底部近壁區(qū)域的流場(chǎng)和保證反應(yīng)器整體流場(chǎng)計(jì)算精度的要求,因而使用該湍流模型。

分析設(shè)定參數(shù)如下：設(shè)定反應(yīng)器內(nèi)只有待處理的廢水,廢水的密度1 050 kg/m3,黏度0.001 003 kg/(m·s)。其余分析設(shè)定參數(shù)如下：時(shí)間,穩(wěn)態(tài);湍流模型,SSTk-ω;邊界條件為流量入口5 m3/h,壓強(qiáng)出口;壓力-速度耦合為耦合;松弛因子為默認(rèn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 布水孔傾角對(duì)反應(yīng)器內(nèi)整體流場(chǎng)的影響

螺旋布水器的目的是使TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的流態(tài)呈現(xiàn)螺旋流態(tài),從而吹起反應(yīng)器底部沉降污泥,實(shí)現(xiàn)污泥的半流化,提升TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器的處理效率,而螺旋布水器的布水孔設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺旋布水的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn),布水孔傾角α為0°時(shí),反應(yīng)器內(nèi)大部分流體為垂直向上流動(dòng),尤其是反應(yīng)器上半部分流體。布水孔傾角α增加到7.5°時(shí),與0°時(shí)相比,反應(yīng)器內(nèi)大部分流體的流動(dòng)形態(tài)是繞反應(yīng)器中軸線做水平螺旋流動(dòng)。布水孔傾角α為60°時(shí)的流場(chǎng)形態(tài)與7.5°時(shí)相似,只是流體平均速度更大。由此可知,當(dāng)布水孔存在傾角時(shí),反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)可能會(huì)呈現(xiàn)為水平螺旋流態(tài)。

不同布水孔傾角α下的布水孔內(nèi)流體平均速度,即流體從布水器布水孔噴出時(shí)的平均初速度,如表1所示。由表1可看出,布水孔內(nèi)流體平均速度3.188～3.211 m/s,僅相差0.18%,可忽略不計(jì),可知改變布水孔傾角α不影響流體噴出時(shí)的初速度。進(jìn)一步分析可知,當(dāng)布水孔存在傾角時(shí),流體從布水孔噴出時(shí)就可獲得水平方向初速度,流體在其自身

表1 不同布水孔傾角α下的布水孔內(nèi)流體平均速度

水平初速度和反應(yīng)器圓柱內(nèi)壁面的共同作用下形成螺旋流,布水孔傾角α在一定范圍內(nèi)越大,流體的水平初速度越大,流體螺旋流動(dòng)的速度也越大。

2.2 布水孔傾角對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流體平均流速的影響

TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器內(nèi)部的流體速度,影響TMAH廢水的處理效果。速度過大,厭氧微生物(污泥)對(duì)廢水處理的效果較差;速度過小,容易引起厭氧微生物(污泥)沉降,達(dá)不到高效處理的目的。因此為了更好地分析布水孔傾角對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部流速的影響,需關(guān)注靠近布水孔附近的反應(yīng)器底部橫截面以及穿過布水孔縱界面的流速,結(jié)合反應(yīng)器結(jié)構(gòu),選擇反應(yīng)器底部橫截面y=3 mm(靠近布水孔)的橫截面和穿過布水孔的縱截面x=155 mm(直于布水器一根支管的軸線,且與該支管的自內(nèi)向外第三個(gè)噴嘴的軸線重合),分析其流動(dòng)狀態(tài)。布水孔傾角對(duì)流體平均速度的影響見圖1。

圖1 布水孔傾角對(duì)流體平均速度的影響

由圖1可知,體積流量Qv=5 m3/h時(shí),不同布水孔傾角α下反應(yīng)器內(nèi)流體平均速度v和反應(yīng)器底部橫截面y=3 mm的流體平均速度vy3。反應(yīng)器內(nèi)流體平均速度v隨布水孔傾角α增大而增大;橫截面y=3 mm的流體平均速度隨布水孔傾角α的增大先增大后減小,α=52.5°時(shí)橫截面y=3 mm的平均流速最大;任何布水孔傾角α下,截面y=3 mm的平均流速都大于平均速度。

不同布水孔傾角α下的布水器入口壓強(qiáng)pin見表2,全部在7 950～7 952 Pa,僅相差0.03%,可忽略不計(jì),可認(rèn)為相同體積流量QV下,入口壓強(qiáng)pin與

表2 不同布水孔傾角α下的布水孔入口壓強(qiáng)

布水孔傾角α無關(guān),由于布水器的進(jìn)水功率P=QV×pin?？傻贸鼋Y(jié)論,在相同的進(jìn)水流量QV下,改變布水孔傾角α不影響布水器的能耗。因此,選擇合適的布水器布水孔傾角α,即可在不提升系統(tǒng)能耗的前提下提升反應(yīng)器性能。

2.3 布水孔傾角對(duì)反應(yīng)器底部流場(chǎng)的影響

圖2為布水孔傾角α為0°、30°、60°、82.5°時(shí)縱截面x=155 mm布水孔附近的流體速度云圖,該面垂直于布水器一根支管的軸線,且與該支管的自內(nèi)向外第三個(gè)噴嘴的軸線重合。圖2中水平黑實(shí)線是橫截面y=3 mm位置。

圖2 面x=155 mm的局部流體速度云圖

流體從噴嘴中噴出后會(huì)帶動(dòng)周圍流體一起高速流動(dòng),最終速度降低至與周圍流體相近,在此過程中,從噴嘴中噴出流體的動(dòng)能不斷傳遞給周圍流體,這種流動(dòng)叫做射流,圖2d中可以看到一個(gè)較為完整的射流區(qū)[10]。

布水孔傾角α越小,布水孔軸線(即射流方向)與反應(yīng)器底面的夾角越大,射流對(duì)反應(yīng)器底面的沖擊越猛烈,沖擊帶來的流體動(dòng)能損失越大,相同體積流量QV下(相同系統(tǒng)能耗)反應(yīng)器內(nèi)流體平均流速v就越小。布水孔傾角α=0°時(shí),射流區(qū)與橫截面y=3 mm的重合區(qū)域位于噴嘴正下方,重合面積僅比噴嘴孔徑大一圈,盡管重合區(qū)域的流體速度非常大,但射流對(duì)橫截面y=3 mm其余區(qū)域的流速提升極小,因而橫截面y=3 mm的流體平均速度最小;隨著布水孔傾角α的增大,射流區(qū)與面y=3 mm的重合面積增大,vy3增大。當(dāng)布水孔傾角α增大到60°左右時(shí),vy3最大。繼續(xù)增大布水孔傾角α,重合區(qū)域的流體平均速度降低,導(dǎo)致vy3開始降低。

射流與反應(yīng)器底面共同作用使反應(yīng)器底部區(qū)域的流體速度大于反應(yīng)器內(nèi)流體的平均速度,使布水器能夠吹起反應(yīng)器底部沉積污泥,但污泥上升到一定高度后又會(huì)因重力下落,而非從頂部出口離開反應(yīng)器,從而實(shí)現(xiàn)污泥的半流化,既使厭氧反應(yīng)器底部的污泥充分發(fā)揮作用,又減輕了三相分離器的壓力。

2.4 不同流量下布水孔傾角對(duì)反應(yīng)器性能的影響

假定一個(gè)虛擬的(人造的)流動(dòng)或者說假定流體是單一一種流體流過所在區(qū)域時(shí)的速度叫做表觀速度(u),不考慮其他的相、顆?；蛘呤嵌嗫捉橘|(zhì),表觀速度可以表示為：

其中：QV,單位時(shí)間通過所在區(qū)域的流量;A,所在區(qū)域的橫截面積。表觀速度在工程學(xué)上應(yīng)用廣泛,這是因?yàn)樗闹低阎?并且沒有歧義。相反,在復(fù)雜流系統(tǒng)中流體穿過所在區(qū)域的流體平均速度u卻因?yàn)橥牧?、渦流、螺旋流等原因較為復(fù)雜。由于湍流、渦流、螺旋流等不同流態(tài)存在,流體平均速度v通常大于表觀速度u,而反應(yīng)器內(nèi)流體平均速度v和表觀速度u的比值v/u是流體在反應(yīng)器中平均路徑長(zhǎng)度的反映。v/u值越大,表明流體在反應(yīng)器中的平均路徑越長(zhǎng),從而提升反應(yīng)器內(nèi)的混合和傳質(zhì)效果。

如圖3所示,布水孔傾角α為0°、15°、30°、60°時(shí)反應(yīng)器內(nèi)流體平均速度和表觀速度的比值v/u與體積流量QV的關(guān)系圖。

圖3 不同布水孔傾角α下的v/u隨Qv的變化趨勢(shì)

由圖3可知,v/u可在QV不同時(shí)比較流體在反應(yīng)器中的平均路徑長(zhǎng)度。從圖3可以看出,與其余三條線相比,α=0°時(shí),即布水孔垂直向下時(shí),隨著體積流量QV的增加,v/u幾乎沒有增加。也就是說,布水孔垂直向下時(shí),提升體積流量QV即系統(tǒng)能耗幾乎不帶來反應(yīng)器的混合和傳質(zhì)效果的提升,而斜置布水孔能明顯提升混合和傳質(zhì)效果,布水孔傾角α(相同體積流量)越大或體積流量越大(相同布水孔傾角α),能增加廢水在高效厭氧反應(yīng)器內(nèi)部走過的路徑,即能增加廢水在反應(yīng)器內(nèi)部停留的時(shí)間,從而增加廢水與微生物(污泥)反應(yīng)的時(shí)間,從而提高TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器的效率。

2.5 布水孔數(shù)量對(duì)反應(yīng)器流場(chǎng)的影響

布水孔數(shù)量是布水器上開孔的數(shù)量,布水孔數(shù)量增加,有利于增加布水器的布水均勻性,但開孔過多,影響布水器的強(qiáng)度。如圖4所示,布水孔傾角α=60°時(shí),布水孔數(shù)量為1、2、4、8、16個(gè)時(shí)的反應(yīng)器內(nèi)流體平均速度(v)和反應(yīng)器底部橫截面y=3 mm的流體平均速度(vy3),可見布水孔數(shù)量的改變對(duì)v和vy3的數(shù)值大小影響不大。

圖4 布水孔數(shù)量對(duì)流體平均速度的影響

不同布水孔數(shù)量下的反應(yīng)器內(nèi)流體速度和橫截面y=3 mm流體速度的分布均勻度如圖5所示。從圖5可以看出,隨著布水孔數(shù)量的增加,兩者的分布均勻度都得到提升,提升幅度分別為4.7%和16.4%,可見,增加布水孔數(shù)量對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流體速度的平均值和分布均勻度的提升有一定幫助,但是布水孔數(shù)量超過8個(gè),影響力逐漸下降。

圖5 布水孔數(shù)量對(duì)流體速度分布均勻度的影響

不同布水孔數(shù)量的反應(yīng)器底部橫截面y=3 mm的流體速度云圖可以明顯看出,布水孔數(shù)量越多,反應(yīng)器底部的流體速度分布越均勻。在反應(yīng)器底部,最內(nèi)側(cè)布水孔的內(nèi)側(cè)存在低速區(qū),該區(qū)域流體速度大小與反應(yīng)器內(nèi)流體平均流速相近。

3 結(jié)語

本文以TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器為分析對(duì)象,分析反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng),針對(duì)目前TMAH廢水處理厭氧反應(yīng)器的布水器布水難以吹起底部污泥的痛點(diǎn),提出了一種螺旋布水器,通過研究得到以下結(jié)論：①布水器中布水孔斜置可在高效厭氧反應(yīng)器內(nèi)部形成螺旋流場(chǎng),其對(duì)底部的擾流、吹起沉降污泥的性能遠(yuǎn)高于垂直向下的布水孔;②水孔60°左右斜置時(shí)布水器吹起沉降污泥的能力最強(qiáng);③布水孔與反應(yīng)器底面的相對(duì)位置決定流體形態(tài)及布水器吹起沉降污泥的能力;增加布水孔數(shù)量n對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流體速度的平均值和分布均勻度的提升有一定幫助,但是布水孔數(shù)量超過8個(gè),影響力逐漸下降。