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典型废水厌氧处理反应器流场分析与优化研究

张冰

哈尔滨工业大学

摘要:厌氧废水处理是把废水的处理和能源的回收利用相结合的一种技术。在厌氧生物处理工艺发展过程中,反应器研究是重要的领域之一。利用活性污泥处理废水的反应器是一个复杂的物理、化学、生物多反应系统,在气、液、固三相体系内部发生诸多内部反应。因此,研究废水厌氧处理反应器有必要描述反应器内的微生物学、化学和物理学特征。然而,目前关于厌氧处理反应器的研究主要集中在生物和化学特征方面,较少涉及到流场物理特征。目前大多数废水厌氧处理反应器仍采用经验或半经验关联的方法进行水力设计。为了优化和提高反应器性能,有必要开发和利用新的方法来提高对于反应器内部流场的理解。本课题采用计算流体力学(CFD)对两种具有代表性的废水厌氧处理反应器进行数值模拟,结合废水厌氧处理工艺实验,通过多种结构形式、结构尺寸和运行参数条件下的数值模拟结果分析流场对工艺的影响,确定优化运行水力条件及该条件下的流场特征,并通过流场实验测量数据进行模型验证,为研究反应器内部流场参数对废水生物处理工艺的影响提供基础,为反应器的设计、优化和工程放大提供依据。对于通过搅拌实现传质与混合的生物制氢连续流搅拌反应器(CSTR),研究不同类型搅拌桨和搅拌转速条件下的流场特性以及对制氢工艺的影响。采用气-液两相模型获得了速度场、生物气体积分率、湍动能和剪切率分布等详细流场信息,模拟结果与粒子成像测速(PIV)和停留时间分布(RTD)实验测量结果进行比对,获得了较好的一致性。直叶搅拌桨(PBT)转速为90转/分钟时,反应区停滞区明显减小,平均生物气产量达到峰值29.2L/d,转速为110转/分钟时,平均产氢量达到峰值10.76 L/d,继续增大转速,由于剪切力和气体分率随之增大,产气量出现下降。涡轮搅拌桨(RT)平均产气量在50转/分钟的较低转速下达到最大值24.3L/d,产气量随转速的继续增加而迅速下降。确定了桨槽径比为0.6的PBT搅拌桨,转速90转/分钟-110转/分钟为实验所采用CSTR制氢反应器的最优化运行水利条件。通过与实验反应器最优化运行条件下的流场特征进行比较,分析了工业规模CSTR制氢反应器流场存在的问题,并提出优化设计建议。对于通过回流水循环实现传质与混合的城镇污水处理厌氧颗粒污泥床(EGSB),研究不同的水回流位置和上升流速条件下的流场变化以及对城镇污水处理工艺的影响。采用固-液两相模型获得了流线、速度场、颗粒污泥体积分率和污泥床膨胀高度等详细流场信息。改进型EGSB采用了中部水回流,有效降低了三相分离器处的流速,改善流场均匀性,相同工况COD去除效果好于EGSB反应器。在上升流速从1.70 m/h增加到3.76m/h时,停滞区明显减小,污泥膨胀高度增加,COD下降较快,改进型EGSB反应器的出水COD平均值从123mg/L降低到69.9mg/L,而EGSB反应器的出水COD平均值从145.6mg/L降低到88.8mg/L,继续增大上升流速仅提高反应区中心区域的流速,对靠近壁面的停滞区改善有限,COD平均值下降很小。上升流速大于5.41m/h后,继续增大上升流速加大运行能耗,而对改善流场和优化运行影响很小。确定了实验采用的改进型EGSB城镇污水处理优化运行的上升流速区间为3.76m/h -5.41m/h,并得到优化运行的流场特征。
  • 专辑:

    工程科技Ⅰ辑

  • 专题:

    环境科学与资源利用

  • 分类号:

    X703.1

导师:

任南琪;

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