气液固三相生物反应器流动与降酚特性动态行为研究

摘要

苯酚是工业废水中常见的污染物，其危害已引起世界各国的普遍重视。生物法能够利用微生物的新陈代谢作用将其降解并转化为无害物质，是目前最通用的苯酚废水处理技术之一。本文开展三相鼓泡塔及气升式环流生物反应器固定化热带假丝酵母处理苯酚废水过程中局部瞬态流体流动、相间传质及生物降解性能的实验、理论模型与数值模拟研究，在生物法处理苯酚废水技术领域具有广阔的应用前景，同时在多相复杂生物反应过程模型化方面也具有重要的学术研究价值。
　　 首先分别建立了模拟气液固三相鼓泡塔及气升式环流反应器局部流体力学特性动态行为特征的三维瞬态计算流体力学(CFD)模型，并采用多尺度组分(MUSIG)模型描述气泡尺寸分布行为。通过模型模拟计算分别得到了三相鼓泡塔及气升式环流反应器内的局部时均流体力学特性如气含率、轴向液相速度等随表观气速、轴向高度、固体粒子加入量等操作条件的变化规律，并采用电导探头及三维激光多普勒测速仪实验测量结果验证了该模型的可靠性。同时应用该CFD模型分别合理预测了三相鼓泡塔及气升式环流反应器内的局部瞬态流体力学特性如气含率、固含率、液相速度和气泡尺寸等的时空分布。
　　 然后分别建立了模拟气液固三相鼓泡塔及气升式环流生物反应器固定化热带假丝酵母细胞降解苯酚间歇过程降酚性能动态行为特征的三维瞬态CFD模型，模型耦合了三相流体流动、组分相间传质和本征生化反应的相互作用，并采用MUSIG模型描述气泡尺寸分布行为。通过模型模拟计算分别得到了三相鼓泡塔及气升式环流生物反应器内的体积平均流体力学特性、组分质量浓度及组分相间质量输运源项差等随表观气速、初始苯酚浓度、固体粒子加入量等操作条件的变化规律，并通过高效液相色谱及溶氧电极实验测量数据与体积平均液相溶氧和苯酚浓度随时间变化的模型模拟结果进行比较，验证了该模型的可靠性。通过组分相间质量输运源项的比较，发现组分相间传质是过程的限速步骤。同时应用该CFD模型分别合理预测了三相鼓泡塔及气升式环流生物反应器固定化苯酚降解过程中局部瞬态降酚性能的动态行为特征如气含率、平均气泡直径、液相速度、气液固各相氧浓度、液固各相苯酚浓度、固相菌体浓度和气泡尺寸等的时空分布。
　　 最后对三相鼓泡塔和气升式环流生物反应器固定化热带假丝酵母苯酚降解性能的CFD模型模拟结果进行了比较，证实气升式环流生物反应器流型规整，苯酚降解性能优于鼓泡塔生物反应器。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1引言

1.2苯酚废水处理研究进展

1.2.1苯酚废水的来源和危害

1.2.2苯酚废水的主要处理方法

1.2.3固定化微生物处理苯酚废水

1.2.4鼓泡塔及气升式环流生物反应器在苯酚废水处理中的应用

1.3鼓泡塔及气升式环流反应器CFD研究进展

1.3.1多相流CFD研究理论基础

1.3.2多相鼓泡塔及气升式环流反应器流体力学CFD研究

1.3.3多相鼓泡塔及气升式环流反应器生物反应过程CFD研究

1.4鼓泡塔及气升式环流反应器流体力学特性实验研究

1.4.1气含率测定

1.4.2液相速度测定

1.5本文主要研究思路

第二章实验材料与方法

2.1菌种及实验材料

2.2仪器设备

2.3实验装置

2.3.1方形鼓泡塔反应器

2.3.2方形气升式环流反应器

2.4培养基

2.4.1基础培养基

2.4.2选择培养基

2.5固定化颗粒制备方法

2.5.1不含菌体的海藻酸盐凝胶颗粒制备

2.5.2含菌体的海藻酸盐凝胶颗粒制备

2.6分析方法

2.6.1气含率测定

2.6.2液相速度测定

2.6.3溶氧浓度测定

2.6.4苯酚浓度测定

2.6.5菌体浓度测定

第三章三相鼓泡塔反应器局部瞬态流体力学CFD模型模拟与实验验证

3.1三相鼓泡塔反应器局部瞬态流体力学CFD理论模型

3.1.1控制方程

3.1.2相间作用力

3.1.3湍流封闭模型

3.1.4 MUSIG模型

3.1.5初始及边界条件

3.1.6数值求解

3.2模型实验验证

3.3结果与讨论

3.3.1局部时均流体力学特性模型模拟及实验验证

3.3.2局部瞬态流体力学特性模型模拟

3.3.3气泡尺寸分布模型模拟

3.4本章小节

第四章三相气升式环流反应器局部瞬态流体力学CFD模型模拟与实验验证

4.1三相气升式环流反应器局部瞬态流体力学CFD理论模型

4.1.1控制方程

4.1.2相间作用力

4.1.3湍流封闭模型

4.1.4 MUSIG模型

4.1.5初始及边界条件

4.1.6数值求解

4.2模型实验验证

4.3结果与讨论

4.3.1局部时均流体力学特性模型模拟及实验验证

4.3.2局部瞬态流体力学特性模型模拟

4.3.3气泡尺寸分布模型模拟

4.4本章小节

第五章三相鼓泡塔生物反应器局部瞬态苯酚降解CFD模型模拟与实验验证

5.1三相鼓泡塔生物反应器局部瞬态苯酚降解CFD理论模型

5.1.1组分输运方程

5.1.2初始及边界条件

5.1.3数值求解

5.2模型实验验证

5.3结果与讨论

5.3.1体积平均降酚特性模型模拟及实验验证

5.3.2局部瞬态降酚特性模型模拟

5.3.3气泡尺寸分布模型模拟

5.4本章小节

第六章三相气升式环流生物反应器局部瞬态苯酚降解CFD模型模拟与实验验证

6.1三相气升式环流生物反应器局部瞬态苯酚降解CFD理论模型

6.1.1组分输运方程

6.1.2初始及边界条件

6.1.3数值求解

6.2模型实验验证

6.3结果与讨论

6.3.1体积平均降酚特性模型模拟及实验验证

6.3.2局部瞬态降酚特性模型模拟

6.3.3气泡尺寸分布模型模拟

6.3.4三相鼓泡塔与气升式环流生物反应器降酚性能比较

6.4本章小节

第七章结论与展望

7.1本文结论

7.2建议和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致 谢