絮凝反应器内流场对微生物絮凝剂MBFGA1絮凝效果的影响研究

摘要

本研究所使用的产絮菌株经鉴定为多粘类芽孢杆菌，即PaenibacilluspolymyxaGA1，其代谢所产微生物絮凝剂MBFGA1对多种废水具有高效絮凝能力，具备工业化生产潜力，实际应用发展前景广阔。本研究探讨了絮凝反应器内流场对微生物絮凝剂MBFGA1絮凝效果的影响。
　　按照实际工业标准设计制作实验室型絮凝反应器，搅拌桨为Rushton桨。MBFGA1絮凝实验均在该反应器中进行，并且使用标准k-ε模型和MRF方法对反应器内流场进行CFD(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)数值模拟。絮凝处理对象为高岭土悬浊液，絮凝实验的流场操控因素为搅拌桨安装高度、絮凝快搅阶段和慢搅阶段的搅拌转速;絮凝效果主要通过絮体平均粒径、残留浊度、絮凝率和Zeta电位等参数来进行评价;数值模拟主要通过速度梯度、剪切速率、湍流动能和湍流粘度的分布来进行流场分析。综合MBFGA1的絮凝实验和CFD数值模拟的结果表明，不同的搅拌桨安装高度和搅拌速度所形成的水力条件下的絮凝效果有着较大的差异。对于2g/L和3g/L的高岭土悬浊液，均在搅拌桨离底50mm，快搅转速400rpm，慢搅转速80rpm的水力条件下达到最佳絮凝效果:最大絮体平均粒径分别为527.8μm和538.2μm;最低残留浊度分别为5.03NTU和3.03NTU;最高絮凝率分别为97.8％和98.2％;最低Zeta电位分别为-6.34mV和-6.03mV。流场模拟结果表明快搅速度为400rpm时絮凝反应器内高岭土颗粒分散均匀，并且“双循环”流型利于MBFGA1和Ca2+快速而均匀地分散到整个反应器内，为絮凝反应提供了良好的条件;搅拌桨区域的速度最大，絮凝反应器近壁面处速度最小，随着慢搅阶段转速的提升，整个区域内的速度梯度逐渐扩大，且分布越均匀;以80rpm进行慢速搅拌时的流场既能满足絮体生长的水力条件，又能将流体剪切力对絮体造成的破碎降低到最小的程度;反应器内流型的“下循环”湍流动能大，湍流粘度小，利于促进絮体悬浮增加其相互碰撞频率以达到更好的絮凝效果。同时，Zeta电位变化结合前期研究成果表明MBFGA1的絮凝作用主要通过快速搅拌阶段的电性中和作用和慢速搅拌阶段的吸附架桥作用完成。
　　本研究采用絮凝实验和CFD数值模拟相结合的方法分析了絮凝反应器内流场对MBFGA1絮凝效果的影响，以期为进一步优化絮凝工艺提供相关理论依据，并借助CFD技术为絮凝反应器的结构设计提供参考。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 中国水资源与水环境

1．2 絮凝与水处理

1．2．1 胶体结构及胶体稳定性

1．2．2 絮凝机理

1．2．3 影响絮凝效果的主要因素

1．2．4 絮凝在水处理中的地位和作用

1．3 微生物絮凝剂概述

1．3．1 微生物絮凝剂产生菌种类

1．3．2 微生物絮凝剂的特点

1．3．3 微生物絮凝剂研究现状

1．3．4 微生物絮凝剂应用研究

1．3．5 微生物絮凝剂研究趋势

1．4 CFD数值模拟在絮凝研究中的应用

1．4．1 CFD数值模拟概述

1．4．2 CFD数值模拟软件FLUENT简介

1．4．3 絮凝反应器内流场的CFD数值模拟

1．5 研究内容与创新点

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究创新点

第2章 絮凝实验与CFD数值模拟方案

2．1 引言

2．2 研究目的

2．3 研究途径

2．4 絮凝实验与CFD数值模拟方案

2．4．1 MBFGA1絮凝实验研究

2．4．2 流场的CFD数值模拟

第3章 MBFGA1絮凝实验研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验药品及设备

3．2．2 MBFGA1的制备

3．2．3 絮凝实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 流场数值特征化

3．3．2 絮凝实验结果与分析

3．3．3 絮凝机理分析

3．4 小结

第4章 流场的CFD数值模拟

4．1 引言

4．2 CFD基本控制方程与数值模拟流程

4．2．1 CFD基本控制方程

4．2．2 CFD数值模拟流程

4．3 CFD模型

4．3．1 湍流模型

4．3．2 网格划分

4．4 数值求解

4．4．1 求解器的设定

4．4．2 模型的设定

4．4．3 物料属性的设定

4．4．4 边界条件的设定

4．4．5 求解控制与收敛残差的设定

4．5 数值模拟验证

4．6 流场可视化

4．6．1 快搅阶段流场可视化

4．6．2 慢搅阶段流场可视化

4．7 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表论文目录

附件一：论文送审证明材料

附件二：论文原文