紫外線消毒器水力特性的研究

1、作為一種綠色的消毒技術,紫外線(UV 消毒已經被認可并開始應用于污水處理,國內的最大處理規(guī)模已達到52萬m 3/d 。然而,由于受到形態(tài)結構等因素的影響,實際UV 消毒器的水力條件很難達到理想的推流狀態(tài),故反應器內各部分水流的停留時間并不相同;此外,因處理水中部分污染物對UV 的吸收,消毒器內的UV 劑量分布也不均勻,從而影響了UV 的消毒效果。因此,有必要對反應器的水力特性進行研究,為改善UV 系統(tǒng)消毒效果提供參考,對UV 消毒技術的推廣具有積極的意義。計算流體力學(CFD 建立在經典流體力學與數(shù)值計算方法基礎之上,兼有理論性和實踐性的雙重特點,是當前研究流體力學運動規(guī)律的第三種基本方法,最

2、近幾年隨著計算機技術的高速發(fā)展,在化工、航空、機械、水利等領域得到了廣泛應用1。然而,CFD 在水處理領域的研究,國外尚處于起步階段2-4,國內也僅限于模擬二沉池、清水池和臭氧接觸池等方面5-7。本文通過示蹤試驗研究進出口的方向及相對位置對UV 消毒器水力特性的影響,并在特定的進出口組合方式下,采用CFD 技術模擬水流在反應器內的流場,計算其累積停留時間分布F (t 并與示蹤試驗的結果比較,探討CFD 在UV 消毒方面應用的可行性。1試驗裝置與方法1.1示蹤試驗示蹤試驗裝置如圖1所示。原水(自來水經潛水泵提升進入UV 消毒器,某一時刻在消毒器的進口以脈沖信號方式注入示蹤劑(結晶紫,記錄時間并同

3、時在出口取樣。用分光光度計測定出水的吸光度,計算示蹤劑的濃度,分析其水力特性參數(shù),每組試驗重復3次。調節(jié)閥門的開啟度控制反應器流量的大小,試驗中流量控制在1.04.0m 3/h ,原水溫度介于9.712.5。UV 消毒器的參數(shù)見表1(長徑比為反應器軸向和徑向有效尺寸的比值。為研究進出口的方向和相對位置對反應器水力特性的影響,示蹤試驗中將UV 消毒器設計為兩個進口和兩個出口,見圖2。進口1為法向進口,垂直于反應器壁面;進口2為切向進口,與反應器壁面相紫外線消毒器水力特性的研究張光輝,顧平,于丹丹(天津大學環(huán)境科學與工程學院,天津300072摘要:采用示蹤實驗研究紫外線消毒器的水力特性。結果表明,

4、進出口方向和相對位置對反應器的水力特性沒有顯著影響,隨著雷諾數(shù)的增大,反應器的水力特性參數(shù)逐漸接近于推流條件。同時利用計算流體力學(CFD 技術模擬紫外線消毒器的流場,計算水流的累積停留時間分布F (t 并與示蹤試驗的結果相比較,發(fā)現(xiàn)CFD 模擬能夠較好地反映紫外線消毒器的水力條件,二者F (t 的差別主要是由于示蹤試驗中的實際條件偏離理想條件所致;隨著雷諾數(shù)的增加,反應器內各部分水流F (t 的差別逐漸縮小。關鍵詞:示蹤實驗;計算流體力學(CFD ;水處理;紫外線消毒器;累積停留時間分布中圖分類號:TQ085.4文獻標識碼:A文章編號:1000-3770(200802-016-05收稿日期:

5、2006-11-15基金項目:國家高技術研究發(fā)展計劃(863項目(2003AA601130作者簡介:張光輝(1976-,男,講師,研究方向為水處理及污水資源化;聯(lián)系電話:022-*;E-mail :z_gh 。圖1示蹤試驗裝置示意圖Fig.1Schematic diagram of tracer test第34卷第2期2008年2月水處理技術TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT16指標數(shù)值反應器內徑(cm石英套管外徑(cm反應器總長(cm進出口距離(cm長徑比表1UV 消毒器參數(shù)Table 1Parameters of UV disinfector圖3簡化的UV 消毒器幾

6、何體Fig.3Simplified geometry of UV disinfector切。出口1和2均為法向出口,位于反應器主體的兩側。示蹤試驗中通過改變進出口的組合方式及反應器的流量,分析其對水力特性參數(shù)的影響。1.2CFD 幾何模型和計算網格根據示蹤實驗中的UV 消毒器參數(shù),構造用于CFD 計算的反應器幾何模型,如圖3所示。反應器的主體部分為空心圓柱,兩端為近似半球形,過水斷面為圓環(huán),水從石英套管外壁和反應器內壁之間的環(huán)形區(qū)域通過。反應器的兩端、石英套管和不銹鋼壁之間的密封性良好,以保證紫外線燈不與水接觸。UV 消毒器的幾何體需要被劃分為若干個網格單元,以滿足計算的需要。由于石英套管外壁

7、和反應器內壁附近水流的速度梯度遠大于中心區(qū)域,如果采用相同的網格密度,則壁面附近的計算會產生較大的誤差,因此劃分網格之前需要在壁面區(qū)域設定邊界層,以增大網格密度并提高計算的精度。本次計算中劃分的網格總數(shù)約為32萬個。1.3CFD 計算模型和邊界條件利用CFD 計算之前,需要確定計算模型和邊界條件。本文的研究對象為水,其流態(tài)為紊流,因研究中雷諾數(shù)(Re 在24349734之間波動(見表2,變化范圍較大,故選用重整化群(Renormalization Group ,RNG k -雙方程模型,以適應計算低雷諾數(shù)Re 流體的需要。該模型基于連續(xù)方程和動量守恒方程。進口邊界條件:設置水流速度在反應器的進

8、口處均勻分布,且垂直于進口斷面;出口邊界條件:定義為自由流出條件。壁面條件:采用靜止壁面條件,因壁面材質為石英玻璃和不銹鋼,表面比較光滑,參照水力學的相關資料8,壁面的粗糙系數(shù)取0.009,絕對粗糙度取0.01mm 。2結果與討論2.1示蹤試驗在示蹤試驗中改變反應器進出口的方向和相對位置,研究其對水力特性參數(shù)的影響(見表2,表中t 10、t 50、t 90分別為示蹤劑流出10%、50%、90%所需的時間;t 、HRT 分別為示蹤劑的實際和理論停留時間;t p 為示蹤劑峰值出現(xiàn)的時間。由表2可知,反應器進口的方向選擇切向或者法向,進口和出口位于反應器的同側或異側,均對其水力特性參數(shù)沒有顯著的影響

9、。由此可以判斷,進口方向和相對位置不是反應器水力條件的決定因素。這是因為反應器的長徑比高達21.8,此時徑向尺寸的影響可以忽略不計,而且進口和出口都非常接近反應器的兩端,無論采用何種進出口組合方式,水流在反應器內的運動跡線的長度都不會有太大的變化,也不會發(fā)生明顯的短表2不同進出口組合在各流量下的水力特性參數(shù)Table 2Parameters of hydraulic characteristics at different flowrates流量(m 3/h Re 參數(shù)1.02434t 90/t 104867t 90/t 10t 50/t t p /HRT t /HRT3.07301t 90/

10、t 10t 90/t 10t 50/t t p /HRT t /HRT組合方式進口1出口1進口1出口2進口2出口1進口2出口2圖2紫外線消毒器剖視圖Fig.2Cross-section of UV disinfector45張光輝等,紫外線消毒器水力特性的研究17流現(xiàn)象,因此進口方向對水力特性參數(shù)的影響不大。雷諾數(shù)的影響本研究中UV 消毒器的流量為1.04.0m 3/h ,Re 由2434增大到9734,故反應器的流態(tài)屬于紊流。參數(shù)t 50/t 、t p /HRT 、t /HRT 隨流量(或Re 的增加呈遞增的趨勢,逐漸向1.0靠近,說明反應器的水力條件逐漸接近推流。參數(shù)t 50/t 低于1.

11、0,說明反應器內存在死角,這是由UV 消毒器的結構本身造成的。首先,反應器的進出口距端頭有一小段距離,該區(qū)域為潛在的死角;其次,由于研究的需要,示蹤實驗所用的消毒器有2個進口和2個出口,但每次實驗時只有一個進口和出口處于工作狀態(tài),而閑置的進口和出口就會成為死角,因而延長了示蹤劑在該區(qū)域滯留的時間,造成累積停留時間分布F (t 出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象,F (t 的定義見文獻9。隨著流量(或Re 的增大,水流的紊動程度不斷增加,死角內的示蹤劑與附近區(qū)域水流之間的動量和質量傳遞作用越來越強烈,因而滯留在反應器內的示蹤劑逐漸被水流所置換,死角的影響逐漸被弱化,反映到累積停留時間分布曲線上則為拖尾時間越來越

12、短(見圖4。當Re 增大到9734時,參數(shù)t p /HRT 和t /HRT 仍然小于1.0,說明反應器的有效容積小于實際容積。這是因為進出口至反應器鄰近端頭的部分屬于無效容積,所以一般UV 消毒器的有效容積都小于其實際容積。隨著流量(或Re 的增大,過水斷面的圓環(huán)中心區(qū)域和反應器壁面附近的流速差異逐漸縮小,水流的徑向混合程度愈來愈劇烈,死角的影響逐漸被削弱,示蹤劑在反應器內的停留時間越來越接近理論平均停留時間,因而t p /HRT 和t /HRT 的數(shù)值逐漸增大,水流在整體上越來越接近推流狀態(tài)。從這層意義上考慮,在相同的紫外線劑量輻射下,增大Re 有利于提高反應器的消毒效果。2.2CFD 模擬

13、CFD 模擬的水流跡線CFD 模擬的水流跡線試驗表明,無論采用何種進出口組合方式,反應器的進口端附近區(qū)域都形成了渦流場,水流產生劇烈的混合,但水流運動到反應器的三分之一段開始逐漸穩(wěn)定下來,直至流出反應器為止。雖然切向進口方式的紊動段稍長一些,但水流跡線在總體上沒有明顯的區(qū)別。由此可以推測,反應器的長徑比較大時,即使入口段產生劇烈的紊流,但由于徑向尺寸較小,這股水流運動到反應器的一定位置時就會減弱下來,從而穩(wěn)定地通過反應器。因此,只要Re 足夠大,反應器的流態(tài)就可以保持紊流,且運動也比較穩(wěn)定。圖5是采用CFD 技術模擬計算的水流在UV 消毒器內的累積停留時間分布F (t 。當流量為1.0m 3/

14、h 時,F (t 的分布范圍較寬,反應器內存在明顯的拖尾現(xiàn)象,但隨著流量(或Re 的增大,反應器內各部分水流的紊動程度不斷增加,拖尾現(xiàn)象逐漸被弱化。當流量繼續(xù)增加到4.0m 3/h 時,反應器內各部分水流之間的F (t 分布已經非常接近,拖尾現(xiàn)象基本消失。2.3CFD 模擬與示蹤試驗的比較圖6是CFD 模擬與示蹤試驗的結果比較,二者圖4示蹤試驗的累積停留時間分布Fig.4Distribution of cumulative residence time in tracer test 010203040506070800.81.0ÁÂÃÄÅ

15、93;ÆÃÄÅÁÇÃÄÅÁÃÄÅF tt (sÁÂ010203040506070800.00.21.0ÁÂÃÄÅÁÆÃÄÅÁÇÃÄÅÁÃÄÅF tt sÁÂ圖5CFD模擬的累積停留時間分布Fig.5Distribution of cumul

16、ative residence time in CFD simulation水處理技術第34卷第2期18的F (t 分布基本吻合,說明CFD 模擬能夠在一定程度上反映UV 消毒器的水力特性。然而,整體上CFD 模擬的F (t 分布范圍比示蹤試驗的結果要窄一些,這種現(xiàn)象主要是由實驗中示蹤劑注入反應器所形成的實際信號與脈沖信號之間的差異所造成的:理想示蹤實驗的條件是在某時刻向反應器的進口以脈沖信號方式注入示蹤劑,但在實際的示蹤試驗中,因反應器進水管段的水壓作用,將一定體積的示蹤劑溶液完全注入反應器進口需要一定的時間,因而示蹤劑的實際信號偏離了脈沖信號。鑒于實際試驗中的示蹤劑需要經歷一小段時間才能完

17、全進入反應器,進而發(fā)生紊流擴散,最終從反應器流出,因此其F (t 的分布范圍必然大于理想示蹤試驗的結果;而CFD 模擬計算中示蹤劑的注入滿足理想脈沖信號的條件,故其F (t 的分布范圍比實際示蹤試驗小,與圖6的結果一致。從圖6還可以看出,當流量為4.02.0m 3/h 時,CFD 模擬與示蹤試驗的F (t 分布均有一定的差異;而當流量為1.0m 3/h 時,二者的F (t 分布最為接近。這是因為隨著流量的降低,反應器進水管路的水壓下降,則示蹤劑注入反應器所需要的時間也會隨之縮短,故示蹤劑的實際信號越來越接近脈沖信號,所以F (t 分布逐漸接近理想示蹤試驗的結果,二者之間的差別也逐漸縮小。鑒于C

18、FD 模擬建立在理論分析和試驗研究的基礎上,該方法能夠在一定程度上反映UV 消毒器內的流場,因此可以利用CFD 技術對反應器的水力條件進行深入研究和優(yōu)化,以改善短流和拖尾現(xiàn)象,從而提高反應器的消毒效果,對UV消毒技術的推廣具有重要意義。3結論當紫外線消毒器的長徑比較大時,徑向尺寸的影響基本可以忽略,進口垂直或平行于反應器主體以及進出口位于反應器的同側或異側對水力特性沒有顯著的影響。隨著雷諾數(shù)Re 的增大,紫外線消毒器的其它水力特性參數(shù)總體上呈增加的趨勢,水流的拖尾現(xiàn)象也隨之被弱化,水流狀態(tài)逐漸接近推流,因而在相同的UV 劑量下,增大雷諾數(shù)可以提高反應器的消毒效果。利用CFD 技術模擬水流在UV

19、 消毒器內的流場,計算累計停留時間分布F (t 并與示蹤試驗相比較,結果表明CFD 模擬能夠較好地反映UV 消毒器的實際水力條件,二者F (t 的差別主要是由于示蹤試驗中的實際條件偏離理想條件所致。隨著Re 的增加,反應器的各部分水流F (t 之間的差別在逐漸縮小。參考文獻:1王福軍.計算流體動力學分析-CFD 軟件原理與應用M.北京:清華大學出版社,2004:1-4.2Ernest R Blatchley III ,Zdrazka Do-Quang ,Marie-Laure Janex ,et al .Process modeling of ultraviolet disinfection

20、J.Water Science and Technology,1998,38(6:63-69.10203040506070801.0ÁÂÃÄÅÆÇÈÉF tt s圖6(aQ =1.0m 3/h圖6(bQ =2.0m 3/h510152025301.0t sF tÁÂÃÄÅÆÇÈÉ05101520251.0t sF tÁÂÃÄÅÆÇÈ

21、01;圖6(cQ =3.0m 3/h36912151.0t sF tÁÂÃÄÅÆÇÈÉ圖6(dQ =4.0m 3/h圖6示蹤試驗與CFD 模擬的累積停留時間分布比較Fig.6Comparison of cumulative residence time distribu-tion between CFD simulation and tracer test張光輝等,紫外線消毒器水力特性的研究19HEAVY METAL REMOVAL FROM INDUSTRIAL WASTEWATER BY ION EX

22、CHANGE TECHNOLOGYLI Hong-yan 1,LI Ya-xin 1,LI Shang-ming 2(1.School of Environmental Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,ChinaAbstract:Heavy metal ions in industria

23、l wastewater have more toxicity and are diffcult to be degradated biologically.The concentration of these ions in wastewater has become high,and the standards of wastewater disposal have been strict more and more.Thus the wastewater discharging has turned into a diffcult issue.Presently,ion exchange

24、 technology has achieved many fruits in the field of heavy metal wastewater discharging with qualified standards,and has had many successful application in this field.Their applied fruits are reviewed,and various parameter,such as pH value,solution concentration,resin dosage,contact time and operati

25、ng conditons,affecting the technology are discussed in this paper.Key words:heavy metal;industrial wastewater;ion exchange11Tae-Hyoung Eom,Chang-Hwan Lee,Jun-Ho Kim,et al .Development of an ion exchange system for plating wastewater treatment J.Desalination,2005,(180:163-172.12S Kocaoba,G Akcin.Remo

26、val of chromium (IIIand cadmium (IIfrom aqueous solutions J.Desalination,2005,(180:151-156.13S Rengaraj,Kyeong-Ho Yeon,So-Young Kang,et al .Studies on adsor ptive removal of Co (II,Cr (IIIand Ni (IIby IRN77cation-exchange resin J.Journal of Hazardous Materials,2002,(B92:185-198.14Rong Zhang ,Saravan

27、amuthu Vigneswaran,Huu Hao Ngo,et al .Magnetic ion exchange (MIEXresin as a pre-treatment to asubmerged membrane system in the treatment of biologicallytreated wastewater J.Desalination,2006,(192:296-302.15Nasiman Sapar,Azni Idris ,Noor Hisham Ab Hamid.Total removal of heavy metal from mixed plating

28、 rinse wastewaterJ.Desalination,1996,106:419-42216Sevgi Kocaoba,Go ¨ksel Akcin.Removal and recovery ofchromium and chromium speciation with MINTEQA2J.Talanta,2002,(57:23-30.17So-Young Kang,Jong-Un Lee,Seung-Hyeon Moon,et al .Competitive adsorption characteristics of Co 2+,Ni 2+,and Cr 3+by IRN-

29、77cation exchange resin in synthesized wastewater J.Chemosphere,2004,(56:141-147.3Fariborz Taghipour,Angelo Sozzi.Modeling and design ofultraviolet reactors for disinfection by-product precursor removal J.Desalination,2005,176(1-3:71-78.4Seokjong Byuna,Jeongik Ohb,Bo-Young Lee,et al .Improvement of

30、coagulation efficiency using instantaneous flash mixer (IFMfor water treatment J.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2005,268(1-3:104-110.5劉文君,崔磊.應用計算流體力學優(yōu)化清水池J.中國給水排水,2005,21(5:1-5.6屈強,馬魯銘,朱偉.周邊式二沉池流態(tài)數(shù)值模擬J.水處理技術,2006,32(5:23-25.7繆佳,李繼,張金松,等.CFD 在臭氧接觸系統(tǒng)優(yōu)化中的應用J.中國給水排水,2006,22(10:46-49.8吳持恭