氧化沟液固两相湍流反应动力学仿真系统

论文摘要

废水生物处理工程涉及复杂水力学和生物化学过程,其设计优化和运行控制是当前国际水科学技术研究的前沿领域。在变水力条件下污泥沉降的研究至今尚未形成公认的试验方法,现有的水环境模拟软件仍无法对复杂边界条件下的多相湍流生物反应过程进行有效的模拟与运算。论文基于图像分析方法,开发了一套新的污泥沉降速率测量方法与装置,应用于不同水力条件下（静/动水）各类污泥（离散颗粒和絮凝颗粒）沉降速率的测试。采用两相湍流混合物模型描述活性污泥-废水两相流的水力特性,将两相流模型与活性污泥2号模型（ASM2）相耦合建立液固两相湍流生物反应动力学模型;以matlab7.0为开发平台编辑相关的模拟程序,开发相应的模拟仿真系统,实现对反应器内部液固两相三维流场及水质浓度场的模拟。应用所开发的模拟仿真系统对一个工业规模的卡鲁塞尔氧化沟污水处理厂进行模拟计算,采用灵敏度分析方法与基于拉丁超立方抽样的最大似然法相结合对模型参数进行校核。结果表明,所采用的模型校核方法能有效地减少模拟值与实测值的误差。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外水力学与反应动力学相关软件概述
• 1.2.1 生物反应模型软件
• 1.2.2 流体力学模型软件
• 1.2.3 河流水质模型软件
• 1.3 氧化沟研究现状综述
• 1.3.1 氧化沟的概述
• 1.3.2 氧化沟处理废水技术
• 1.3.3 氧化沟仿真与模拟技术
• 1.4 本文所研究的主要内容与方法
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 2 污泥沉降速率测试系统开发
• 2.1 污泥沉降测速实验背景简介
• 2.2 硬件系统
• 2.2.1 流场照明系统
• 2.2.2 污泥粒子选择添加系统
• 2.2.3 图像采集系统
• 2.2.4 图像处理系统
• 2.3 软件系统
• 2.3.1 数字粒子图像测速（DPIV）系统
• 2.3.2 污泥粒径图像分析系统
• 2.4 本章小结
• 3 测速系统的应用
• 3.1 试验目的
• 3.2 材料与方法
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 静水实验
• 3.3.2 动水实验
• 3.4 传统沉降模型的湍动效应修正
• 3.5 本章小结
• 4 卡鲁塞尔氧化沟液-固两相湍流反应动力学耦合模型
• 4.1 模型的假设
• 4.2 耦合模型的建立
• 4.2.1 液-固两相湍流模型
• 4.2.2 生物反应动力学模型
• 4.2.3 建立耦合模型方程
• 4.2.4 参数的确定
• 4.2.5 组分浓度的确定
• 4.3 数值计算方法
• 4.4 程序开发
• 4.4.1 程序主体介绍
• 4.4.2 耦合模型计算模块
• 4.4.3 实测数据模块
• 4.4.4 误差模块
• 4.4.5 参数校核模块
• 4.4.6 输出结果的可视化研究
• 4.5 程序优化研究与实现
• 4.5.1 提高程序运行速度
• 4.5.2 减少内存空间
• 4.6 本章小结
• 5 耦合模型的应用
• 5.1 实现交替曝气条件下氧化沟工艺的模拟路线
• 5.2 模型初始化计算与验证
• 5.2.1 稳态进水条件下水质的模拟
• 5.2.2 动态模拟
• 5.3 模型参数校核
• 5.3.1 灵敏度分析方法
• 5.3.2 GLUE 方法
• 5.4 模拟结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 攻读学位期间发表论文目录
• B. 攻读学位期间申请发明专利
• C. 攻读学位期间参与课题