好氧颗粒污泥集成式工业反应器研究

摘要

好氧颗粒污泥是絮状活性污泥在合适的水力剪切力以及环形流场作用下，依靠微生物自身的相互吸附作用，形成的一种颗粒状污泥。具有生物结构致密、沉降速度快、耐负荷冲击能力强等优点，因此好氧颗粒污泥净水技术得到了人们的广泛关注。目前，好氧颗粒污泥主要在大高径比的圆柱型反应器中进行培养，大高径比的圆柱型反应器存在建造困难，单周期处理量低等问题，使得好氧颗粒污泥技术难以进行工业化应用。因此，设计一种建造简便、处理量大的好氧颗粒污泥工业反应器对于促进好氧颗粒污泥技术的工业化应用具有重要意义。
　　为此，本文提出一种以正四棱柱反应器为单元的好氧颗粒污泥集成式工业反应器的设计方案。利用CFD数值模拟方法，对正四棱柱及圆柱型反应器的流场特性进行对比。结果表明，两种反应器在气相状态、液相速度分布规律以及轴向液速沿径向变化规律等流场特性方面具有相似性，证明正四棱柱反应器与圆柱型反应器内部流场具有相似性。
　　利用可视化技术与PIV技术，对两种反应器内气液两相流场进行实验研究。结果表明，两种反应器内气相流场状态具有相似性。气相流场从反应器底部绕中心轴螺旋上升，且随着高度的提升，气相运动方式逐渐变为垂直上升，实验结果与模拟结果相符;在气相上升过程中，气泡尺寸在反应器底部区域增大较快，随着轴向高度的增加，气泡增大速度变慢。在液相流场方面，两种反应器液相速度场与轴向液速分布规律也具有相似性，且流场中均分布有明显的有利于颗粒污泥生成的环形流场，证明正四棱柱反应器具有培养好氧颗粒污泥的流场条件。
　　确定了一种好氧颗粒污泥反应器的放大判据，该放大判据以液相速度比为特征量，对反应器放大的有效性进行判定。利用CFD数值模拟方法，通过研究放大前后的反应器内流场特性，对放大判据的有效性进行验证。结果表明:放大前后两种反应器内部具有相似的气相流场状态与液相速度场分布规律;在反应器内相同的特征位置处，液相速度比满足放大判据的计算公式，证明该判据可以对好氧颗粒污泥反应器放大的有效性进行验证。提出一种好氧颗粒污泥集成式反应器的设计方案，对其结构参数和曝气系统进行设计，并以曝气均一性作为评价标准，对曝气系统进行评价与优化。最后利用层次分析法，以满足工业化应用为前提，对曝气系统设计方案的综合效能进行评价，确定了综合效能最优、最能满足工业化应用的需求设计方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1好氧颗粒污泥技术发展

1．2．2 好氧颗粒污泥反应器研究现状

1．2．3 多相流场实验测试技术

1．2．4 多相流场数值模拟方法

1．2．5 层次分析法

1．3 主要研究内容

2．1 引言

2．2 几何建模与网络划分

2．2．1 几何模型

2．2．2 网络划分

2．3 数值模拟方法

2．3．1 控制方程

2．3．2 湍流模型

2．3．3 模拟工况与参数设置

2．4 数值模拟方法验证

2．4．1 网格无关性验证

2．4．2 时间步长无关性验证

2．5 数值模拟结果分析

2．5．1 气相流场状态

2．5．2 液相流场

2．5．3 轴向液速

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 实验装置

3．3 实验过程

3．3．1 实验方法

3．3．2 实验步骤

3．4 图片处理

3．4．1 均值平滑处理

3．4．2 图像中值滤波

3．4．3 图像边缘检测

3．4．4 气泡特征提取

3．5 实验结果与数据分析

3．5．1 气相运动状态分析

3．5．2 气泡尺寸分析

3．5．3 局部液相流场分析

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 放大判据

4．3 可行性检验

4．3．1 几何模型与模拟方法

4．3．2 气相流场

4．3．3 液相速度场

4．3．4 局部液相速度

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 集成式反应器主体

5．2．1 反应器主体形式

5．2．2 反应器排水口高度设计

5．3 反应器曝气系统

5．3．1 曝气系统形式

5．3．2 曝气系统设计与优化

5．4 曝气系统评价

5．4．1 层次分析法简介

5．4．2 层次分析法基本步骤

5．4．3 污水处理系统的层次分析法

5．4．4 综合分析

5．5 组间集成方案

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢