高效分离生物流化复合反应器的研究

论文题目: 高效分离生物流化复合反应器的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 环境科学与工程

作者: 张玉魁

导师: 施汉昌

关键词: 生物流化反应器,蜂窝断面结构,橡胶载体,气含率

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 高效分离生物流化复合反应器(HSBFR)是在内循环三相生物流化床基础上改进的一种新型高效生物反应器。该反应器根据传统双筒结构内循环三相流化床存在的问题,采用了蜂窝断面结构,实现了好氧、缺氧反应区的一体化,并且完成了生物流化反应器与高效气浮分离器的耦合。通过改进使反应器实现了总体高径比的降低、单台反应器体积的增大和悬浮固体去除效果的提高。为了实现反应器中生物载体的分离,研究开发出了一种迷宫式载体分离器;为了降低反应器的气水比和运行能耗,优选了轻质、经济的橡胶颗粒载体。通过试验研究,获得了反应器气含率、液体循环速度和氧转移系数随反应器结构参数和操作参数的变化规律。通过理论分析,不仅推导出了HSBFR 反应器中升流区气含率与降流区气含率的关系,而且确定了影响液体循环速度的参数,主要参数有表观气速、反应器沿程和局部阻力系数、以及降流区与升流区面积比,并且得出液体循环速率与反应器高度的0.5次方成正比。通过停留时间分布曲线的测定,利用非等体积的CSTR 串联模型得出在试验范围内反应器相当于1.6 个CSTR 反应器串联。根据连续性方程,动量方程和能量方程,利用Fluent 软件对HSBFR 反应器进行了流动状况模拟。通过模拟计算获得了反应器升、降流区及局部区域的静压分布、气含率和液体循环速度的变化规律。分析了反应器高径比、降流区与升流区面积比及反应器底隙高度对反应器性能的影响,确定了反应器底隙高度的取值范围。对HSBFR 反应器中悬浮生长微生物和附着生长微生物共存关系的研究表明,提高负荷、减少悬浮状态MLSS 和降低反应器液体循环速度和气含率有利于生物膜厚度的增加。处理生活污水的研究表明,反应器去除容积负荷能达到平均值8.53 kgCOD/m3.d,反应器硝化效果随HRT 的延长而提高。好氧-缺氧HSBFR 反应器对TN 的去除主要受硝化效果的影响,反应器出水SS 在20mg/L 以内。反应器同步强化化学除磷,可以使反应器出水TP 低于1.0mg/L;化学除磷增加的运行费用为0.10-0.15 元/m3 污水。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章引言

1.1 课题研究的意义

1.2 国际国内研究状况和进展

1.2.1 气液固三相流态化

1.2.1.1 散式流态化及循环流态化

1.2.1.2 气泡的流动行为

1.2.2 内循环三相流化床的机理研究

1.2.2.1 流体力学特征参数

1.2.2.2 氧转移系数

1.2.2.3 结构参数

1.2.2.4 操作参数

1.2.3 内循环三相流化床结构形式的改进研究

1.2.3.1 内循环三相生物流化床

1.2.3.2 复合流化床反应器

1.2.3.3 好氧-缺氧一体化流化床

1.2.3.4 提高混合与传质的改进流化床

1.3 课题目的和论文主要内容

第二章反应器设计及载体优选

2.1 流化床应用中存在的问题

2.2 反应器结构分析

2.2.1 反应器断面结构

2.2.2 断面结构改进的理论分析

2.2.3 反应器三相分离

2.2.3.1 存在的问题

2.2.3.2 改进方法

2.3 悬浮载体优选

2.4 好氧反应器研究

2.4.1 好氧HSBFR 反应器

2.4.2 好氧HSBFR 反应器运行方式

2.5 好氧-缺氧反应器开发

2.5.1 好氧-缺氧HSBFR 小试反应器

2.5.2 好氧-缺氧HSBFR 中试规模反应器

2.6 迷宫型载体分离器开发及研究

2.6.1 分离器构造及分离原理

2.6.2 影响分离器分离效果的结构因素

2.6.2.1 反射锥顶角β

2.6.2.2 反射锥之间的距离a 和底面宽度b

2.6.2.3 两层反射锥之间的距离h

2.6.3 载体分离效果试验研究

2.6.3.1 实验方法及条件

2.6.3.2 结果与讨论

2.7 小结

第三章反应器气含率及氧转移特性的研究

3.1 描述气含率关系的数学模型

3.1.1 依据两相Drift-flux 的模型

2.1.2 依据流体力学的模型

3.2 气相含率ε_g 的测定方法

3.2.1 总平均气含率的ε_(g t) 的测定

3.2.2 升流区气含率ε_(gr) 的测定

3.2.3 降流区气含率ε_(gd) 的测定

3.3 好氧HSBFR 反应器气含率特征

3.3.1 总平均气含率

3.3.2 载体性质对总平均气含率的影响

3.3.3 升降流区面积比对总平均气含率的影响

3.3.4 εgt 、εgr 和εgd 关系分析

3.4 好氧-缺氧HSBFR 反应器气含率特征

3.4.1 升流区与降流区气含率关系理论分析

3.4.2 试验结果与讨论

3.4.3 载体分离器的影响

3.5 反应器氧转移特性研究

3.5.1 实验方法

3.5.2 氧转移的基本规律及参数

3.5.2.1 氧转移的基本规律

3.5.2.2 氧转移特性参数

3.5.3 结果与讨论

3.5.3.1 KLa 与曝气量的关系

3.5.3.2 A_d/A_r 对K_(La) 的影响

3.5.3.3 E_A 变化情况

3.5.3.4 充氧动力效率

3.6 小结

第四章反应器液相流态特征的研究

4.1 液体循环速度、循环时间和混合时间

4.1.1 循环速度的测定

4.1.2 循环时间与混合时间

4.1.3 好氧HSBFR 反应器结果分析与讨论

4.1.3.1 降流区液体流速

4.1.3.2 循环时间

4.1.4 好氧-缺氧HSBFR 反应器结果分析与讨论

4.1.5 液体循环速度理论分析

4.2 反应器混合特性

4.2.1 描述反应器液相流态特征的模型

4.2.1.1 模型Ⅰ-离散模型

4.2.1.2 模型Ⅱ-串联等体积的CSTR 模型

4.2.1.3 模型Ⅲ-非等体积的CSTR 串联模型

4.2.2 液龄分布曲线的测定

4.2.2.1 实验方法

4.2.2.2 数据处理方法

4.2.3 结果及讨论

4.2.3.1 实验结果

4.2.3.2 分析讨论

4.3 小结

第五章运用CFD 对HSBFR 反应器的数值模拟研究

5.1 CFD 技术和FLUENT 软件介绍

5.1.1 CFD 技术概况

5.1.2 Fluent 软件的主要特点

5.1.2.1 问题解决方法

5.1.2.2 应用前景

5.2 CFD 模拟方程

5.2.1 混合物连续性方程

5.2.2 混合物动量方程

5.2.3 混合物能量方程

5.2.4 相对(滑移)速度和漂移速度

5.2.5 第二相的体积分数方程

5.3 反应器形式及模拟条件

5.3.1 实际反应器基本尺寸要求

5.3.1.1 反应器直径

5.3.1.2 反应器高度

5.3.2 反应器形式

5.3.3 基本假设

5.4 HSBFR 反应器内流动状况的模拟

5.4.1 模拟反应器尺寸及参数

5.4.2 反应器内静压力分布

5.4.2.1 断面分布图

5.4.2.2 分布曲线图

5.4.3 反应器内液体循环速度分布

5.4.3.1 断面分布图

5.4.3.2 分布曲线图

5.4.4 反应器内气含率分布

5.4.4.1 断面分布图

5.4.4.2 分布曲线图

5.5 不同结构参数HSBFR 反应器的模拟

5.5.1 高径比对反应器水力学的影响

5.5.1.1 反应器尺寸

5.5.1.2 反应器内静压力分布

5.5.1.3 循环液速

5.5.1.4 气含率

5.5.2 降流区与升流区面积比对反应器水力学的影响

5.5.2.1 反应器断面形式及尺寸

5.5.2.2 气含率

5.5.2.3 循环液速

5.5.3 底隙高度对反应器水力学的影响

5.5.3.1 反应器尺寸

5.5.3.2 气含率

5.5.3.3 循环液速

5.6 不同形式气体分布器对HSBFR 的影响

5.6.1 气体分布器形式及安装位置

5.6.2 静压力分布

5.6.3 气含率分布

5.6.4 液体循环速度

5.7 小结

第六章 HSBFR 反应器处理生活污水的特性研究

6.1 HSBFR 中的附着相微生物与悬浮相微生物

6.1.1 试验装置与测试方法

6.1.1.1 附着生长生物膜厚度的计算

6.1.1.2 附着相微生物量的计算

6.1.2 进水容积负荷对生物膜生长的影响

6.1.3 MLSS 浓度对生物膜生长的影响

6.1.4 反应器流态对生物膜生长的影响

6.2 好氧HSBFR 反应器处理生活污水

6.2.1 反应器启动和生物膜的形成

6.2.1.1 反应器启动

6.2.1.2 载体上微生物的观察

6.2.2 载体投加量596时的运行结果

6.2.2.1 COD 去除率

6.2.2.2 COD 负荷

6.2.2.3 NH_3-N 去除效果

6.2.2.4 耗氧量的计算

6.2.3 载体投加量10%时运行结果

6.2.3.1 COD 去除率

6.2.3.2 NH_3-N 去除率

6.3 好氧-缺氧HSBFR 反应器处理生活污水

6.3.1 试验装置与流程

6.3.2 COD 去除效果

6.3.2 NH_3-N 去除效果

6.3.3 TN 去除效果

6.3.4 TP 去除效果

6.4 小结

第七章 HSBFR 反应器污染物降解的数学模型

7.1 数学模型的建立

7.1.1 基本假定

7.1.2 生物膜内有机物浓度分析

7.1.3 生物膜内的扩散限制

7.1.4 反应器模型

7.1.4.1 基质扩散通量

7.1.4.2 反应器模型

7.2 参数计算

7.2.1 本征反应动力学系数K 的测定

7.2.1.1 测定方法

7.2.2 生物膜干密度ρf 的测定

7.2.3 生物膜扩散系数Df 的计算

7.2.4 液膜扩散厚度L 的计算

7.2.5 反应器内生物膜表面积的计算

7.3 模型验证

7.4 模型适用性分析及误差讨论

7.5 小结

第八章一体化好氧-缺氧HSBFR 处理生活污水的中试研究

8.1 试验装置及处理流程

8.1.1 一体化中试装置

8.1.2 实验装置流程

8.2 气浮装置运行参数的研究

8.2.1 概述

8.2.1.1 气浮技术应用概况

8.2.1.2 HSBFR 反应器的泥水分离状况

8.2.2 气浮代替沉淀的适用性分析

8.2.3 试验结果与讨论

8.2.3.1 水力负荷对SS 去除的影响

8.2.3.2 工作压力对 SS 去除的影响

8.2.3.3 回流比对SS 去除的影响

8.2.3.4 污泥负荷对SS 去除的影响

8.3 处理生活污水的效果分析

8.3.1 反应器挂膜启动

8.3.1.1 启动条件选择

8.3.1.2 生物膜的生长与观察

8.3.2 对COD 的去除效果分析

8.3.2.1 COD 去除效果

8.3.2.2 反应器的有机负荷

8.3.3 对氮元素的去除效果分析

8.3.3.1 NH_3-N 去除效果

8.3.3.2 总氮去除效果

8.3.4 对磷元素的去除效果分析

8.3.5 气浮装置SS 的去除效果分析

8.4 反应器同步化学除磷研究

8.4.1 生活污水化学除磷概况

8.4.1.1 污水化学除磷原理

8.4.1.2 污水化学除磷的特点

8.4.2 反应器同步化学除磷研究

8.4.2.1 反应器同步化学除磷可行性分析

8.4.2.2 最佳投药量确定

8.4.2.3 反应器同步化学除磷效果分析

8.4.2.4 药剂费用估算

8.5 小结

第九章 HSBFR 反应器的放大设计研究及技术经济分析

9.1 放大设计的基本规律

9.1.1 反应区设计

9.1.1.1 好氧反应区容积

9.1.1.2 载体投加量

9.1.1.3 缺氧反应区容积

9.1.1.4 反应区高度H、直径D_1 和反应器的分隔数N

9.1.1.5 降流区与升流区面积之比 A_d/A_r

9.1.1.6 好氧反应区隔板下端距反应器底部的距离(底隙)B

9.1.1.7 载体分离器上下的距离 E 和G

9.1.1.8 气液分离器中的距离 D_3、J 和K

9.1.2 载体分离器设计

9.1.3 气浮分离器设计

9.2 技术经济分析

9.2.1 设计规模

9.2.2 进、出水水质

9.2.3 工艺流程

9.2.4 主要处理单元

9.2.5 工艺参数

9.2.6 工程投资估算

9.2.7 运行成本

9.2.8 占地面积

9.3 小结

结论和建议

参考文献

致谢及声明

个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文

发布时间: 2005-11-16

参考文献

[1].氨氮的电化学氧化技术及其应用研究[D]. 陈金銮.清华大学2008

高效分离生物流化复合反应器的研究

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