厌氧折流板反应器的水力特性实验与流场模拟研究

摘要

随着世界能源日益短缺、废水污染日益严重及废水中污染物种类日趋复杂,废水厌氧生物处理技术以投资省、能耗低、可回收沼气、负荷高、产泥少、耐负荷冲击等优点而受到越来越多的重视。厌氧折流板反应器(Anaerobic BaffledReactor,简称ABR)作为一种新型高效、极具应用前景的厌氧反应器,近年来得到了高度重视和大量的研究,目前这些研究主要集中在ABR对各种废水的处理效果方面,而对反应器的流场分布与水力特性方面的理论研究还较少。ABR反应器内的流体动力学特性决定着基质和微生物的接触程度,控制着反应器内物质的传输,因而水力特性是影响其处理效率的重要因素。ABR反应器的水力特性主要表现在反应器中流体的流动方式、厌氧污泥与基质的混合程度、反应器的容积利用率以及废水在反应器内的实际停留时间等方面。本实验室在河南省杰出人才创新基金(项目号No.0521001400)的资助下,做了ABR反应器处理奶牛场废水的研究,取得了较好的效果。
　　本文拟研究ABR反应器的水力特性和流场分布情况,为进一步的应用研究提供理论基础。实验采用以NaCl作示踪剂,通过脉冲刺激响应实验,用停留时间分布(Residence Time Distribution,简称RTD)法,对ABR反应器的水力特性进行了宏观分析和定量研究。实验研究了HRT从60 min到540 min的变化情况,结果表明,随HRT的增大,ABR的死区容积分数减小,串级模型参数N增大,扩散模型参数Pe增大,ABR内的返混程度减小。HRT小于433 min的区域,死区容积分数减小很快;在HRT=433 min,死区容积分数约为0.076,但继续增大HRT,死区容积分数减小很慢。综合来看:在很宽的流速范围内,ABR反应器的水力死区较小,说明其结构优良。HRT的数值决定了死区容积分数,对于本实验所选的ABR反应器,在处理实际废水时,最好保持HRT在420 min以上。为进一步研究ABR反应器内部的详细流场分布情况,采用Fluent软件对所选ABR反应器在清水流场下的流动情况进行了数值模拟。在模拟时,分别以HRT=60 min和HRT=420 min为例,选用k-ε湍流模型和层流模型进行了两种模拟。
　　结果显示:湍流运动时,ABR反应器的水力死区主要发生在反应器底部角落处和上流室的中部;层流运动时,反应器的水力死区显著减小;数值模拟研究结果和宏观表征研究结果相一致。借鉴早期实验结果和模拟分析,作者对实际工程应用中ABR反应器结构尺寸和工艺参数的选取进行了分析讨论,提到了一些工程实例可以为ABR反应器的设计提供有益的参考。众所周知,在ABR反应器内,活性污泥与污染物之间的生物反应以及通过活性污泥的传递过程对ABR效果具有决定性的影响,建议进一步做好这方面的计算机模拟研究工作,如何对模拟结果进行验证也需要认真地研究。虽然软件模拟有其局限性,CFD软件在废水处理设备的研发和设计方面还有广阔的应用前景和市场。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 废水厌氧生物处理技术

1.1.1 厌氧生物技术的优缺点

1.1.2 厌氧生物处理工艺的分类

1.2 厌氧折流板反应器

1.2.1 ABR的工作原理

1.2.2 ABR的结构类型

1.2.3 ABR的主要特点

1.2.4 ABR的工艺性能

1.2.5 ABR的研究现状

1.3 本课题研究内容与意义

第2章 CFD技术与Fluent软件介绍

2.1 CFD技术简介

2.1.1 CFD的计算方法

2.1.2 CFD的求解过程

2.1.3 CFD软件结构

2.1.4 常用CFD软件

2.2 Fluent软件介绍

2.2.1 Fluent软件的结构

2.2.2 Fluent软件求解步骤

2.3 数值模拟理论基础

2.3.1 流体运动基本方程

2.3.2 湍流方程模型简介

第3章 ABR反应器的水力特性研究

3.1 实验装置和方法

3.1.1 实验装置

3.1.2 实验方法

3.1.3 实验药品

3.2 计算方法和实例

3.2.1 计算方法

3.2.2 计算实例

3.3 结果与讨论

3.3.1 实验结果

3.3.2 不同HRT下的C-θ曲线

3.3.3 HRT对死区容积分数的影响

3.3.4 HRT对反应器流态的影响

3.4 本章小结

第4章 ABR清水流场的数值模拟

4.1 湍流模型数值模拟

4.1.1 模型建立与网格划分

4.1.2 求解模型的选择

4.1.3 Fluent软件求解过程

4.1.4 结果与讨论

4.2 层流模型数值模拟

4.2.1 模型建立与网格划分

4.2.2 求解模型的选择

4.2.3 Fluent软件求解过程

4.2.4 结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 ABR反应器的设计与优化

5.1 结构形式的选择

5.2 主要部件的确定

5.3 工艺操作条件的选择

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

附录1 英文词汇缩写表

附录2 硕士期间发表的学术论文

致谢