集成式MBR船舶生活污水处理装置CFD设计及优化

摘要

船舶废水未达标排放对海洋所造成的污染日益严重，已引起社会及相关研究领域的广泛关注。结合近年发展起来的生活污水处理工艺和现有的船舶污水处理设备特点，设计出一种新型的船舶生活污水处理装置，即将厌氧及好氧膜生物反应器(MBR)进行集成，形成升流式附着生长反应器。采用计算流体力学(CFD)构建反应器二维数值模型，以此为基础进行三维数值模拟对该装置进行结构优化，以解析其内部流态，利于反应器后期运行的环境参数调控。
　　二维数值模型建立过程中，首先，分别构建反应器的上部、下部模型，采用多相流欧拉模型、湍流k-ε模型等基本方法，逐步分析反应器内相分布及流场的情况，探索合理的模拟方法，发现多孔介质模型的引入、黏度模型及曳力模型的设定均利于本反应器的数值模拟;随后，在整体模型中，为了全面反映实际状态，对曝气结构进行细化，在分解模型的基础上，建立一套适用于本反应器的模拟方法，模拟结果发现，相分布相对均匀，速度基本稳定，流场状态较分解模型有所改善，但在空间上的局限性使模拟结果与真实状况存在差异;为了验证本模型中多相流欧拉模型、湍流k-ε模型等基本方法的有效性，采用瓶装污泥进行实验，将污泥实际运动与模拟结果进行对比，发现各相之间的运动趋势基本一致，能够较好地反映出瓶内固、液、气三相的基本变化情况，说明该方法可行。
　　基于二维模拟计算结果，建立反应器的三维模型，并对曝气头底端至布水区上端的距离(H1)、回流口至布水区上端的距离(H2)及导流筒内径(D)进行优化。通过对比各结构参数的模拟结果发现:当H1=0.6m时，固相物质合理地分布在好氧区和厌氧区之内，且运动速度分布均匀，有利于内部流场的稳定;当H2=1.345m时，反应器内流场流向明确，具有一定规律性，有利于提高反应器空间的利用率;当D=0.195m时，气相对底端固相能形成较好地气提效果，速度变化能够在膜组件两端形成对称并具有一定规律，有利于流场的稳定及相间的混合。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 船舶生活污水及所需处理装置的特性

1．3 船舶污水的排放标准

1．4 国内外船舶生活污水处理技术的应用现状

1．5 MBR技术

1．5．1 MBR的特点及应用前景

1．5．2 MBR法在船舶生活污水处理方面的应用研究

1．6 厌氧工艺处理生活污水的研究

1．7 研究目的及内容

1．7．1 研究目的

1．7．2 研究内容

第2章 实验方法与反应器基本结构设计

2．1 CFD在环境领域内的研究现状

2．2 反应器数学模型的介绍

2．2．1 流体运动的基本控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 多相流模型

2．2．4 相间作用力及黏度模型

2．2．5 多孔介质模型

2．2．6 边界条件

2．3 数值模拟计算方法

2．3．1 离散方法

2．3．2 求解方法

2．4 反应器结构设计

2．4．1 日处理量

2．4．2 水力停留时间和反应器体积

2．4．3 反应器高、径及膜组件

2．4．4 曝气量和回流比

2．4．5 膜组件与曝气位置之间的距离

第3章 反应器二维数值模型

3．1 二维分解模型

3．1．1 反应器分解模型的建立

3．1．2 数值模拟方法

3．1．3 计算结果分析

3．2 二维整体模型

3．2．1 反应器模型建立与网格的划分

3．2．2 求解器的选择

3．2．4 多孔介质模型的设定

3．2．5 边界条件的设定

3．2．6 求解方法与初始状态

3．2．7 计算结果分析

3．3 模拟方法验证

3．3．2 验证结果

3．4 本章小结

第4章 反应器结构优化

4．1 研究对象

4．2 反应器模型建立及模拟方法

4．2．1 模型建立及网格划分

4．2．2 模拟计算方法及边界条件

4．2．3 初始状态设定

4．3 模拟结果分析

4．3．1 曝气头底端至布水区上端的距离

4．3．2 回流口至布水区上端的距离

4．3．3 导流筒内径

4．4 本章小结

第5章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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