曝气生物滤池中气液两相流运动规律的研究

摘要

曝气生物滤池(BAF)工艺是一种节能，高效的污水处理工艺，曝气是BAF工艺中的一个重要的环节。曝气方式、曝气过程产生的复杂的两相流动对提高污水处理效率有着重要的作用。目前仍对两相流动的运动规律、气相—液相之间的传质的研究不是很完善，还需要进行更进一步的研究。因此曝气生物滤池中气液两相流运动规律研究对于实际应用和两相流动的发展有着深远的影响。通过改变曝气池内的曝气流量、水深、气泡尺寸等实验条件，本研究采用粒子图像测速技术对不同实验条件下气液两相流的流动进行测量，获得气液两相流运动稳定性的影响因子及气泡分布对气泡羽流运动规律特性;采用FLUENT软件及MATLAB软件对曝气池中的气液两相流进行数值模拟，分析不同纵横比、曝气孔气流出流速度、曝气孔径和不同装置截面形状的计算条件下空隙率分布情况与气液两相流不稳定结构和其对氧传质效率的影响;最后数值模拟的结果，建立曝气生物滤池(BAF)试验模型装置，在曝气生物滤池中对污水处理效率的实验研究，进一步了解气液两相流流动特性并建立数学模型对其反应动力学进行分析。
　　本文得到的结论有:
　　(1)局部平均灰度和真实的局部空隙率的标定方法能够更简单更直观的获得高密度气泡下气泡羽流空隙率值的二维分布，并且在图像处理的基础上，该方法也更适合用于对气液两相流空隙率的测量。
　　(2)纵横比和曝气压强影响空隙率的分布。当增大曝气压强，增加曝气流量，气泡羽流的摆动变剧烈，同时气泡数量增多且在水体中自由运动，气泡羽流的空隙率分布改变。但在纵横比为1.0时，气泡羽流的空隙率最大值集中分布在气泡羽流中心，而空隙率分布未对气泡羽流的结构造成影响，在这种情况下羽流结构稳定且氧传质效率较高。
　　(3)数值模拟结果表明:气泡进入涡旋结构的现象在柱形装置中得到了充分发展。在柱形装置中，涡旋结构不明显，气泡在水中的停留时间相应较短，气液两相混合够均匀;在柱形装置中，涡旋状结构成对称分布，气泡在水中停留时间较长，气相速度矢量分布均匀，气液两相混合均匀。在孔径相同的情况下，随着曝气气流速度（速度范围0.1～0.3m/s）的增大，涡旋结构的发展更充分，流场紊动强度增大，气泡在整个流场中分布越来越均匀;曝气速度不变时，增大曝气孔径（孔径范围0.8～2.0mm），气泡体积随之增大，此时两相流的紊动强度变小，涡旋结构发展不充分，气泡停留时间缩短，气液两相混合不均匀。
　　(4)模拟的结果通过实际污水处理结果得到了验证，最优曝气方式的试验模拟条件为水深纵横比H/W=1，曝气孔径最小（0.8mm），气流速度最大(0.3m/s);该实验条件下气液两相流场中气相分布均匀，两相流紊动强度大，气液混合充分，水质改善的最快且效果最好。
　　(5)通过对模型的验证，实测数据与模型计算值较吻合。溶解氧作为一个变量在一定的假设条件下，曝气生物滤池建立的动力学反应模型如下:S=S0exp(-KAαδ/Q·SO2/KO2+SO2 h）。经过率定得到反应速率常数K，K与S成反比关系，得到K=0.0264u0.2549。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 曝气生物滤池的研究进展

1．2．2 气液两相流气泡羽流的研究进展

1．2．3 气液两相流测试技术的研究进展

1．3 目前存在的问题

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本文的技术路线

2 曝气生物滤池概况

2．1 曝气生物滤池的工作机理

2．2 曝气生物滤池的结构形式

2．3 曝气池内气液两相流研究方法概述

3．1 曝气生物滤池中气液两相流基本参数

3．2 用于测试两相流动的技术

3．3 影响气液两相流运动稳定性的因素

3．4 实验设备、实验条件及实验步骤

3．4．1 实验设备

3．4．2 实验参数设置

3．4．3 实验流程设置

3．5．1 气泡羽流图像前期预处理

3．5．2 空隙率计算

3．6 实验结果及分析

3．6．1 相同曝气压强下空隙率的分布

3．6．2 相同纵横比下空隙率的分布

3．6．3 相同实验空隙率下空隙率的分布

3．7 小结

4 曝气生物滤池中气液两相流的CFD数值模拟

4．1 气液两相流CFD数值模拟原理

4．2 FLUENT软件介绍

4．2．1 FLUENT的计算

4．2．2 前后处理

4．3．1 计算条件

4．3．2 几何模型的建立及网格划分

4．3．3 数学模型的选择

4．3．4 初始条件及边界条件

4．4 数值模拟结果及分析

4．4．1 矩形实验装置与圆柱形实验装置中气液两相流

4．4．2 柱形模拟装置中孔径和流速变化的两相(气液)流场

4．5 小结

5．1 影响污水处理效率因素的确定

5．2 实验装置

5．3 实验初始条件

5．3．1 起始的设置

5．3．2 处理影响因子的注意事项

5．4．1 准备工作

5．4．2 测试COD

5．5 实验结果及分析

5．6 小结

6 曝气生物滤池动力学模型的建立及参数的确定

6．1 建模假设

6．2 模型推导

6．3 参数率定

6．4 模型的验证

6．5 小结

7．1 结论

7．2 建议

致谢

参考文献

附录