Fenton流化床反应器CFD数值模拟及应用研究

摘要

《水污染防治行动计划》（“水十条”）中特别提出要重点整治十大污染行业，如炼焦、印染和造纸等，并在“十三五”期间执行更加严格的废水排放标准。目前，相关企业的废水处理均以传统生物工艺为主，辅以少量物理化学工艺，出水中含有大量难生物降解有机物，无法满足日趋严格的排放标准。由于芬顿（Fenton）技术研究的展开，基于铁离子在线结晶的Fenton流化床技术，以其绿色、高效、反应条件温和等优点受到工业界的关注。此背景下，本文进行了Fenton流化床反应器的研制和运行研究，并借助计算流体力学（CFD）软件进行了模拟优化，最后研制出Fenton流化床放大反应器并进行了应用研究。研究旨在解决现行装置存在的不足，研制出一套更高效、通用、经济的装置，并总结出最优操作条件。通过实验和模拟，得出以下几点主要内容：
　　（1）通过传统均相Fenton体系研究了废水初始pH值、H2O2投加量、Fe2+投加量（下文分别简称为pH、H2O2和Fe2+）三因素对活性红3BS模拟染料废水降解的影响强弱和最优条件。各因素影响强弱顺序为：pH>H2O2>Fe2+；最优条件为pH=3.5、H2O2=5mM、Fe2+=2.5mM，此时，TOC和COD去除率分别为58%和73%。
　　（2）通过Fenton流化床反应器研究了降解活性红3BS模拟染料废水的最优条件，pH=3.5、H2O2=2.5mM、Fe2+=1.0mM、HRT=60min、担体膨胀度100%、担体量300g/L，此时，TOC、COD和总铁去除率分别为62%、71%和58%；同时，利用3D显微镜、SEM、XRF等表征手段证明了铁离子的在线结晶。
　　（3）借助CFD软件，对反应器预反应区、分布承托板和流化区进行了模拟优化。得到最佳设计组合，分布管式进水、0.5mm孔径等间距布孔、内循环式固相流化；通过放大反应器实际运行测量，验证了模拟结果可靠。
　　（4）研制出Fenton流化床放大反应器，利用其降解活性红3BS模拟染料废水。得到最佳操作条件为，pH=3.5、H2O2=2.5mM、Fe2+=1.0mM、HRT=60min、回流比=30、H2O2预混加药方式，此时，TOC、COD和总铁去除率分别为65%、78%和62%。
　　（5）利用Fenton流化床放大反应器进行了实际废水应用研究，良好的处理效果说明Fenton流化床放大反应器优化设计取得了初步成功，同时也证明了反应器具有良好的通用性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究思路与内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器与装置

2.3 实验方法

3 Fenton流化床反应器降解模拟染料废水研究

3.1 传统均相Fenton体系降解模拟染料废水研究

3.2 Fenton流化床反应器降解模拟染料废水研究

3.3 本章小结

4 Fenton流化床反应器CFD数值模拟

4.1 模型的选择与建立

4.2 Fenton流化床反应器预反应区数值模拟

4.3 Fenton流化床反应器布水承托板数值模拟

4.4 Fenton流化床反应器流化区数值模拟

4.5 本章小结

5 Fenton流化床放大反应器应用研究

5.1 两类典型难降解有机废水概述

5.2 Fenton流化床放大反应器降解模拟染料废水研究

5.3 Fenton流化床放大反应器处理实际废水应用研究

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献