Effects of liquid level on velocity distribution of fluid
in multi-flora biological wastewater
treatment reactor

Li-Guo Wan , Qing-Kai Ren , Sheng-Shu Ai , Hong Qu , Xi Tian , De-Jun Bian
School of Water Conservancy amp; Environment Engineering, Changchun Institute of Technology
Changchun Institute of Technology, CCIT
Changchun, China
wanliguoking@163.com

Abstract—The flow characteristics and effects of liquid level on velocity distribution of the fluid in main reaction zone of multiflora biological wastewater treatment reactor were studied with clean water. Experimental results demonstrated that the fluid in main reaction zone formed non-symmetrical cycle flow in the vertical plane with lower flow velocity in the central area and higher flow velocity in the peripheral area under the lifting action of the bubbles from perforated aerated pipe. As the liquid level varied from h=525 mm to h = 55 mm, the position and the flow rate of the central zone with lower velocity in the main reaction zone had not changed distinctly; With the decrease of liquid level height, the scope of water circulation decreased in the main reaction zone, but the velocity gradient from the center to the left and right increased gradually, and velocity distribution in the horizontal direction appeared the more obvious nonsymmetry. For the design and operation of multi-flora biological wastewater treatment reactor, the results had important guiding significances that were listed out.

Keywords- multi-flora biological wastewater treatment reactor; flow characteristics; velocity distribution; liquid level

I. INTRODUCTION

Multi-flora biological wastewater treatment reactor was a new wastewater treatment plant, the top of which was semiclosed, and the main reaction zone was in micro-pressure state.Air from underwater aerator entered into the reactor along the bottom side, and the mixing liquid formed circular flow inside the reactor driven by moving bubbles. With the transport of oxygen in the bubble, dissolved oxygen concentration decreased from the periphery to the center of the reactor,forming of aerobic, anoxic and anaerobic three different oxygen environments, which made organic matter, nitrogen,phosphorus nutrients removal simultaneously. Compared with traditional concentric circles circulating flow sewage treatment process such as orbal oxidation ditch process, OCO process,AOR process[1] ， the reactor had simple structure, less occupied area and low power consumption.Besides dissolved oxygen and microbial populations characteristics, Processing efficiency of multi-flora biological wastewater treatment reactor also had great concern with flow state and mixed state of activated sludge mixed liquor in the reactor.Hydraulic characteristics of multi-flora biological wastewater treatment reactor directly affected mass transfer performance of gas-liquid-solid three phase and distributing characters of microbial population, dissolved oxygen and sludge concentration in the reactor, thereby further affecting the wastewater treatment efficiency and energy consumption [2].So the research on characteristics of flow field in this reactor had important significance for improving the flow pattern, enhancing treatment efficiency and reducing energy consumption. Starting from the hydraulic characteristics of the reactor, effects of liquid level on velocity distribution in the reactor were studied by analyzing the measured data with clean water, which accumulated fundamental data for improving the hydraulic conditions and optimizing design and operation parameters of the reactor.

II. EXPERIMENTAL TECHNOLOGY

A. Experiment equipment

Experiment equipment was shown in Figure 1.

Fig.1. Schematic diagram of experimental device

The reactor was produced by the plexiglass, which was divided into two parts. The structure size of the upper part was length times; width times; height of 80mm times; 800mmtimes; 400mm. Its main function was to raise the water level, which could make the lower part of the reactor withstand micro-pressure so as to improve the oxygen transfer efficiency. The lower part was the main reaction zone with the effective volume of 192L, of which structure size was length times; width times; height of 800mm times;600mm times; 400mm. Perforated aeration tube with aperture 1.2mm was installed at the bottom right of the main reaction zone.

B. Experimental program

The flow characteristics and effects of liquid level on velocity distribution of the fluid in multi-flora biological wastewater treatment reactor were studied by measuring velocity of clean water. Flow velocity at different spatial points of the main reaction zone were measured with LGY-Ⅲ multi-function smart flow meter with velocity range of 1~300 cm/s made by Nanjing Hydraulic Research Institute. The experiments showed that flow velocity along the z direction of the reactor distributed nearly uniformly. So flow velocity measurements were done on cross section of z = 200cm (the origin coordinate (0, 0, 0) was at the bottom of the left front corner of the reactor).In this section, the arrangements of flow meters were shown in Figure 2.

Fig.2. Schematic diagram of monitoring points

In the course of measuring procedures, water level of the reactor was controlled at y = 1130mm, and acquisition time and sampling interval were adjusted within 2 second. In order to ensure the representation of the data, the velocity of each point was measured 20 times continuously.

III. RESULTS AND DISCUSSION

A. Flow characteristics

According to the monitor plan of flow velocity discussed above, each monitoring point could have 20 groups instantaneous velocity, and time averaged velocity of each point could be represented approximatively by the average number of these instantaneous velocit

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

多菌群生物污水处理反应器中流体的液面速度分布的影响

wanliguoking@163.com

摘要：多菌群生物污水处理反应器的主反应区的流体液面速度分布的流动特性和影响是使用干净水源进行研究的。实验结果表明，主反应区的液体在垂直平面上形成了非对称循环流，循环流在穿孔曝气管气泡的起重作用下，在中心区域的流速较低而在外围区域的流速较高。随着液位从525mm变化到55mm，中心区域的液位和较低的流速在主反应区变化并不明显。随着液面高度的降低，主反应区水循环的范围减小，但是流速梯度从中心向两边逐渐增加并且水平方向上的速度分布出现更加明显的不对称性。对于多菌群生物污水处理反应器的设计和操作来说，列出的结果具有重要的指导性意义。

关键词：多菌群生物污水处理反应器；流动特性；速度分布；液位

I 引言

多菌群生物污水处理反应器是一种新型的污水处理设备，它的顶部是半封闭式的并且主反应区处于微压状态。来自水下增氧机的空气沿着底端进入反应器，反应器内的混合液体通过运动气泡的驱动形成循环流。溶解的氧浓度随着气泡中氧气的运输从反应器的边缘到中心逐渐下降，形成了好氧、缺氧和厌氧三种不同的氧气环境，这使得有机物质、氮、磷营养同时去除。与传统的同心圆循环流污水处理方法比如Orbal氧化沟方法、OCO方法、AOR方法^[1]相比，多菌群生物污水处理反应器结构简单、占用空间小、功耗低。

除了溶解氧和微生物种群的特性外，多菌群生物污水处理反应器的工作效率与反应器中液体流动态和混有液体的活性污泥的混合态有很大的关系。多菌群生物污水处理反应器的水力特性会直接影响到气—液—固这三种阶段的物质传输性能和微生物种群的分布特点，这个特点指的是在反应器中溶解氧和污泥浓度，从而更久远的影响到污水处理效率和能源消耗^[2]。因此关于反应器中流场特性的研究对于改善流动模式、提高处理效率、减少能源消耗具有重大的意义。以反应器的水力特性为出发点，通过分析干净水源的测量数据就可以研究液面速度分步的影响，这样会为改善水利条件、优化设计和反应器的运行参数积累基本数据。

II 实验技术

A.实验装置

实验装置如图1所示：

图1 实验装置示意图

反应器是由分成两部分的有机玻璃组成的。上半部分结构的长宽高为80mmtimes;800mmtimes;400mm，它的主要功能是提高水位，这样可以使反应器的下部承受微压，从而提高氧转移速率。下半部分是有效容积为192L的主反应区，它的结构尺寸为长宽高800mmtimes;600mmtimes;400mm。孔径为1.2mm的穿孔曝气管安装在主反应区的右下角。

B.实验方案

多菌群生物污水处理反应器中流体的液面速度分布的流动特性和影响是通过测量干净水源的速度来进行研究的。主反应区在不同空间点的流速是使用南京液压研究所制造的LGY—III多功能智能流量计测量的。由于实验表明流速沿着反应器的z方向几乎均匀分布，因此流速测量完成于截面z=200cm处（原点坐标（0,0,0）建立在反应器的左下角）。在这一节中，流量计的数据分布如图2所示：

图2 监视点示意图

在测量程序的过程中，反应器的水位控制在y=1130mm处，采样时间和间隔在2秒之内浮动。为了确保数据的准确性，每个点的速度要连续测量20次。

III.结果与讨论

A.流动特性

根据以上讨论的流速监控计划可知，每一个监控点会有20组的瞬时速度，这些瞬时速度的平均值近似代表每个点的时间平均速度。图3展示了当液位为1130mm，曝气体积为2.0m³/h时主反应区的速度矢量图，图3中的箭头表示了流速的大小和方向。

图3 主反应区的速度矢量图

从图3可以看出，反应器中的液体在来自于主反应区右下角的穿孔曝气管的气泡的起重作用下形成了循环流。随着体积的增加和水中气泡速度的提高^[3]，反应器右边附近的水流速度逐渐加快同时水深变浅。当液体和气泡到达主反应区的右上角时，它们会挤压上表面，并且形成流动方向完全改变的气液混合的湍流脉动。由于气泡转移到液体的能量增加，因此周围液体的流动速度不断地变大。当液体流向反应器左边时，又一次挤压表面，随着流动方向改变流动速度减小。但是气泡向上移动，然后经过反应器的上部释放到大气中，同时水脉冲下降导致主反应区左上角的液体流动速度开始回升。当周围的液体继续挤压反应器底部时，流速降低了。但是当液体流向底部的中心区域时，流速开始持续提高，直到它由于反应器左下角的穿孔曝气管的抽吸作用到达主反应区右下角。因此，大速度点主要分布在起重气泡影响相对较大的反应器内部的周围区域，而且主反应区上部分周围区域的流速比下部分的要快。同时，在有着较快速度的周围水流的主导作用下，反应器中心区域的液体也形成了循环流。在黏性力作用的影响下，随着测量点偏离外围，中心区域的流速也逐渐减小^[4]。因此，得到一个满意的流体混合效果的关键是确保反应器周围区域的液体流速足够大以致于它能够驱动反应器中心区域的循环流。

B.液位速度分布的影响

对于多菌群生物污水处理反应器来说，反应器上部分液位在主反应区的速度分布有着更大的影响，这是假设主反应区的顶部高度为h=0。当曝气体积为1.2m³/h时，实验在反应器顶部的三种不同液位下分别做了测试（液位1：h=525mm，液位2：h=325mm，液位3：h=55mm）。主反应区的速度分布如图4所示。

图4 三种液位下主反应区的速度等斜线图

图4表明了当反应器上部的液位高度分别为h=525mm（液位1），h=325mm（液位2），h=55mm（液位3）时，反应器的主区域形成了在外围区域流速较高而在中心区域流速较低的非对称循环流，循环流的中心倾斜向与主反应区几何中心有关的通气管的一侧。液位和由低速中心区域评估的液体流速受到反应器上部液位改变的影响较小。因此，调节反应器液面高度对于液位和由低速中心区域评估的液体流速几乎没有影响。当改变液位时会很大程度上影响到周围区域的液体流速，并且随着反应器的液面降低液体流速逐渐提高。此外，随着液面高度的降低，主反应区水循环的范围逐渐减小。当液面高度为h=55mm（液位3）时，水循环范围达到最小，仅仅在x=300mm~600mm的范围内形成良好的循环。随着流速在三种不同液位下的变化，液体流速从中心向四周径向增加，所以速度等斜线的密度反映了流速的增加速率。在这三种液位下，主反应区从中心到顶部和底部的流速增长率远小于主反应区从中心到左右两边。更重要的是，与水平方向相比，水平方向的速度分布显示了一个良好的对称循环中心。随着液位高度的降低，流速的增长率从中心向两边逐渐增加，水平方向速度分布的非对称性更加明显。

C.结论

从以上干净水源的的实验结果可以看出在曝气设备的空气驱动力作用下，液体可以在多菌群生物污水处理反应器的主反应区内形成循环流，主反应区循环中心的液位和液体流速受反应器内液位改变的影响较小。通过调节液位高度可以改变主反应区水循环的范围，并且能够控制反应器从中央到两边的流速增加梯度。对于多菌群生物污水处理反应器的设计和实现来说，研究结果具有如下重要指导意义：

多菌群生物污水处理反应器的主反应区内的液体在穿孔曝气管气泡的起重作用下在垂直平面上形成了中间区域低速周围区域高速的循环流。技术有效地克服了传统的同心圆循环流污水处理流程^[5]中的污泥容易沉积在反应槽底部的问题，这改善了污水和污泥混合的影响。

为了实现同一反应器的污水中有机物质，氮、磷营养物质的有效去除，需要解决的主要问题是在厌氧区、缺氧区、好氧区的溶解氧的分类，这是为了确保在以上提及的三种区域内有一个良好的溶解氧的浓度梯度^[6]。然而，从外围到中央主反应区的流速下降梯度可以通过控制多菌群生物污水处理反应器的液位高度来发生变化，因此从反应器内部分离厌氧区、缺氧区、好氧区打破了传统的通过间歇曝气的操作模式及时分离厌氧区、缺氧区、好氧区的方法^[7-11]。

由于主反应区循环中心的液位和流速几乎不受反应器内液位高度变化的影响，因此低速的中心区域相对较稳定。当反应器运行时，中心区域的污泥浓度较高而周围区域的污泥浓度较低^[12]。因此在设计过程中可以考虑中心入口和外围出口的操作模式。在这种情况下，污水在进入反应器后以径向流的形式从较高污泥浓度的中心流向较低污泥浓度的四周，因此由于污水和污泥的良好混合效果改善了污水处理的影响。

D.单片机结构原理

指令和数据字长：在“哈佛结构”的体系结构中，程序存储器和数据存储器是不相交的。指令存储和数据存储两种存储功能的分离给了单片机设计者关于字的尺寸选择方面很大的灵活性。由它的两种存储器的使用得出这种结构的主要优势是增加带宽可以允许一个重叠的指令和数据指令，这将会提高单片机性能，对于给定的技术来说也许会超过单一制造商的冯诺依曼体系结构。在冯诺依曼体系结构中，数据和指令必须在同一个内存中，因此当一个计算机设计者选择一个操作数或者数据字大小时，他也已经有了指定的指令字长。例如，如果他选择一个16位字长的数据，指令字长也将为16位或者16位的因素。一个“哈佛结构”的单片机在这种情况下是不受限制的。如果单片机操作的是4位的量，指令字长可以是任意长度—8位、9位等等，这些指令也并不需要在同一个内存中。此外，单片机不同寄存器的长度不必为数据字的长度。例如，单片机有一个程序计数器，它的长度足够去寻址仅有的内存芯片，返回地址的寄存通常由数据存储器堆栈的这个地址的专用小堆栈进行处理。因此设计者对于具有程序存储等于一个数据字长的可寻址能力是不受限制的。

指令和数据内存大小：对于指令和数据的存储字的数量必须分别考虑是单片机设计者的特有问题。指令存储在ROM而数据存储在RAM。实验表明一个单片机需要的指令存储字多于数据存储字的16到32倍。许多计算机系统是以“小型程序组成大型数据集”为特征的，然而单片机系统却是“大型程序组成小型数据集”。有迹象表明将来ROM与RAM的比率将会变得更大，这在ROM中是有几个程序而不是一个大型程序的结果。这些程序中的每一个都需要相对来说同样小型的数据存储。当这些程序其中之一任何时候都是有效的时候，提供的数据存储空间会足够大用来满足最有需要的程序而不是所有的固定程序。

数据存储器寻址：单片机设计者必须构建一个可以寻址一个相对小型的存储器并且不承担不必要部分指令的体系结构。当小型存储器可以实现时二进制寻址方式就是对位的浪费。一个4位地址的第5位仅仅添加16字到存储器。然而，一个15位地址的16位却需要添加32768字到存储器。设计者的工作就是在浪费内存大小，这甚至会造成一个短程序就会给一个指令集增加很大的负担。一个6位操作码的6个地址位对于数据寻址来说有50%的负担，因此由于这种开头的负担，直接寻址并不常用。

基本寄存器：计算机设计者要依赖基本寄存器解决对于单片机设计者来说并不存在的2个问题。计算机设计者通常面对的任务是扩展受限的地址—8位到12位—到一个更大的地址。基本寄存器用于指向一个位移有效的存储器空间。单片机体系结构通常来说仅有一个小型的数据存储空间—在许多情况下，要小于可用的0页地址范围，因此并不存在需要扩大的可寻址数据。

查表：“哈佛结构”单片机的查表要求对于设计者来说是一个独有的问题。分离数据和指令存储器必须要有一些的连接路径来使得数据存储器或者累加器内的数值可以作为地址存入ROM。存入ROM的数值根据要求的条目表存入处理器。18021和F8/3870利用特有的硬件和指令解决了这个问题。

内存扩展技术：这种情况发生在架构师想要为单片机提供片外内存扩展的能力。对于单片机外部来说必须寻址指令内存和数据内存。如果存储器需要一个超出单片机功能的特定的应用程序，那么有着几乎无限存储功能的单片机会被使用，这也许看起来像是一个奇怪的要求。对于不是可扩展家庭成员的体系结构来说，存储器扩展要频繁提供。

指令内存扩展：关于S2000的指令内存扩展技术的使用是很典型的。除了寄存器提供的6位字地址、4位页地址和3位行地址，它能明显的指向1024字的8行之一。“0”行在芯片上，1~7行远离芯片。一个3位值存在用于存储页面缓冲区、准备页面或者本行并且具有相同指令的地址缓冲区内。一个程序中该指令的发生存在页面缓冲区内。这些指令一对对按顺序存在页面缓冲区然后是本行缓冲区。对于TMS1000来说，这些新的数值直到指令的一个分支被调用才会存入程序计数器。因此，一个分支要进入外部的指令存储器每一个字节需要三个指令。

数据内存扩展：1804819同样说明了数据内存扩展。对于芯片外部不提供64—255字节的直接寻址。一双移动指令允许每次一个字节在累加器和外部数据存储器之间移动。为了处理外部存储器的数据块，数据块先移动到累加器然后进入外部RAM。这就要求每转移一个字节需要3个循环指令。

IV.结论

多菌群生物污水处理反应器的主反应区液体在穿孔曝气管的曝气气泡起重作用下形成了中心区域垂直平面低速外围区域水平平面高速的非对称循环流。此外，主反应区上部周围区域的流速要快于底部周围区域。

多菌群生物污水处理反应器的主反应区处理废水的有效容积是192L，随着液位从h=525mm变化到55mm，主反应区低速中心区域的液位和液体流速没有发生明显变化。随着液位高度降低，主反应区水循环的范围逐渐减小，但是流速增加速率从中心到两边逐渐增加，水平方向上的速度分布出现更加明显的非对称性。

本文开始于反应器的水力特性，通过分析干净水源的测量数据研究了反应器液面速度分布的影响，这对于多菌群生物污

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146936]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word