氧化沟优化运行的CFD模拟及实验研究

论文摘要

氧化沟工艺由于出水水质较好和抗冲击负荷能力较强等优势,在我国污水处理系统中得到了广泛的应用。然而,氧化沟运行过程中存在能耗过大所造成高处理成本等问题,导致一些污水处理厂面临“建得起、用不起”的窘境。氧化沟内的流场和溶解氧分布不仅对处理效果影响显著,而且与能量消耗密切相关。本论文以小试氧化沟的模拟实验装置以及平顶山污水处理厂实际氧化沟工艺为对象,进行基于流场和溶解氧分布的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）的数值模拟技术研究,同时开展了流场分布及溶解氧分布的监测校验研究,提出保证出水水质前提下的氧化沟优化运行模式,对污水处理工艺的节能降耗具有一定参考价值。主要开展了以下工作:1.以华中科技大学实验室0.73 m3的小试氧化沟装置为研究对象,采用滑移壁面模型与风扇模型分别对曝气转碟与水下推进器进行建模,对网格划分与参数定义进行优化,模拟并实测校验了小试氧化沟的流场分布,结果表明滑移壁面模型与风扇模型可以较好地模拟曝气转碟和水下推进器开启时的流场分布。2.以平顶山污水处理厂50000 m3的实际氧化沟工艺为研究对象,对实际氧化沟现有运行模式与优化运行模式下的流场分布进行模拟与实测,基于两种运行模式下流场分布的对比分析,对氧化沟运行模式提出能量优化配置建议:弯道入口处的曝气转碟一般情况下不必开启,可用弯道处的水下推进器进行替代;一般情况下,相邻的两个推流装置不必同时开启。3.利用单元分析法、氧传输模型及修正BOD-DO水质模型对实际氧化沟典型单沟直沟段的溶解氧分布特性进行了模拟,在典型单沟直沟段的好氧区与缺氧区分别设置测量断面进行了溶解氧浓度实际测量工作,并基于两种运行模式下溶解氧分布特性的对比分析,对氧化沟运行模式提出建议:曝气转碟开启过多不利于形成良好的溶解氧浓度梯度,氧化沟脱氮效应得不到正常发挥;同一沟段的相邻两组曝气转碟不必同时开启,否则造成能量浪费,且导致溶解氧浓度过高,不利于同步硝化反硝化作用。4.将现有运行模式与优化运行模式分别在东西两座氧化沟同时连续运行一个月,对比分析两种运行模式下氧化沟出水水质与能耗,优化运行模式下改良型氧化沟的脱氮效应得以正常发挥,并且比现有运行模式每小时节省电能98.43 kWh,约节省28.5%的电能,节能效果较为显著。氧化沟内的曝气转碟和水下推进器根据进水水量和水质的变化情况进行合理调节配置,可以使氧化沟内的流场分布均匀且形成良好的溶解氧浓度环境,从而达到节能减排的目的。氧化沟优化运行的动态模拟研究工作有待进一步深入。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 我国水污染与处理现状
• 1.3 国内外污水处理能耗研究进展
• 1.4 氧化沟工艺概述
• 1.5 氧化沟数值模拟研究进展
• 1.6 本课题的研究内容及研究路线
• 2 小试氧化沟流场分布模拟研究
• 2.1 小试氧化沟概述
• 2.2 几何模型的构建
• 2.3 曝气转碟的模拟方法研究
• 2.4 水下推进器的模拟方法研究
• 2.5 小试氧化沟实测方案
• 2.6 流场分布模拟与实测结果对比分析
• 2.7 本章小结
• 3 基于流场模拟的实际氧化沟运行优化研究
• 3.1 实际氧化沟及现有运行模式概述
• 3.2 流场模拟与实测方案
• 3.3 现有运行模式下流场的模拟与校验
• 3.4 曝气转碟开启数量的理论计算
• 3.5 优化运行建议与模式
• 3.6 优化运行模式下流场的模拟与校验
• 3.7 本章小结
• 4 基于溶解氧模拟的实际氧化沟运行优化研究
• 4.1 溶解氧分布与生物脱氮及能耗的关系
• 4.2 溶解氧分布特性模拟方案
• 4.3 溶解氧分布特性实测方案
• 4.4 现有运行模式下溶解氧的模拟与校验
• 4.5 优化运行建议与模式
• 4.6 优化运行模式下溶解氧的模拟与校验
• 4.7 本章小结
• 5 两种运行模式下氧化沟水质和能耗的对比
• 5.1 氧化沟的进水水质
• 5.2 现有与优化运行模式下氧化沟的出水水质比较
• 5.3 现有与优化运行模式下氧化沟的能耗比较
• 5.4 本章小结
• 6 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 本文主要符号表
• 附录2 小试氧化沟实测数据表
• 附录3 实际氧化沟实测数据表
• 附录4 攻读硕士学位期间发表论文