悬浮载体材质—结构的生物特性及新型转笼生物反应器

论文摘要

目前,河流水环境污染已十分严重。高效、低成本、机动灵活的河流水污染治理新技术和新装备的研究是环境工程的前沿和热点之一。本论文运用材料加工工程和环境工程学科交叉方法,从研究生物载体材质-结构的生物特性入手,构造高效的河流污水处理环境——转笼生物反应器,为污水处理提供新型水环境治理材料和高效河流水污染治理装备,具有十分重要的理论和实际意义。经过大量试验、分析及数值模拟,得到如下主要研究成果:（1）进行了大量生物载体挂膜试验研究,探讨了生物载体材质-结构的生物特性。研究发现,生物载体的挂膜性能与材质的主要成分有关,材质的多样性有利于提高生物载体的挂膜性能,载体混合的移动床的挂膜试验就表现出良好污水处理效果,这为载体混合使用、提高移动床处理效果、及载体设计中的材质搭配提供了参考。生物载体的结构以提供微生物容身的比表面积越大越好,同时,载体构造多连通结构能提高载体表面利用率,并有利于布气和获得较佳的表面剪切力,使生物载体挂膜性能良好。对动态环境下生物载体挂膜过程所受的力进行了详细地描述,采用附着动力学模型定量地分析生物载体挂膜效果。（2）实现了多相流和动网格的耦合计算,并对生物载体的流体力学特性行数值模拟计算,以此来评价生物载体空间结构合理性,两者具有较好的相关性,为生物载体空间结构评价及优化提供了便捷的手段。根据数值计算结果,设计了一种新型缠绕型悬浮生物载体,并进行污水处理试验,在移动床有效容积1.8L、水流量30mL/min、HRT为1h、曝气流量0.3L/min的情况下,CODCr、NH3-N的去除率分别为79.5%、80.3%,优于同等条件下的多面空心球、鲍尔环、阶梯环、生物陶粒等生物载体,并具有良好的抗冲击负荷的能力。（3）根据河流水污染治理的特点,采用主动移动床的理念,构造高效河流污水处理环境——转笼生物反应器,初步探讨了其工作原理,估算了其启动液流速度,发现转笼生物反应器能在多数河流中被液流启动。进行了启动试验、运行参数优化试验、稳定运行试验研究,在优化参数条件:转笼周壁的开孔率为58%,内叶片长度为35mm,转笼转速为1.5r/min,曝气量为2 m3/h,污水流量1 m3/h,HRT为1.2h,悬浮生物载体为缠绕型悬浮生物载体的条件下,CODCr的平均去除率为86.9%,NH3-N的平均去除率为87.6%。在基质去除率和容积去除负荷方面,均优于曝气生物滤池、移动床等生物反应器。（4）对转笼生物反应器的污水处理机理进行了深入研究,根据莫诺特方程导出转笼生物反应器的降解不同基质的动力学方程,并由动力学试验回归得到动力学方程中的反应速度常数,讨论了不同生物载体对反应速度常数的影响;根据反应器物料平衡原理,导出转笼生物反应器的初步设计计算模型,根据试验回归出模型常数,分析了不同生物载体对设计模型常数的影响,并进行试验验证,设计计算模型误差在15%以内,为转笼生物反应器的放大设计和实际应用提供理论依据。（5）实现了多相流与滑移网格的耦合计算,在此基础上,对转笼反应器流体力学特性进行数值模拟计算,工况计算结果与试验结果具有较好的相关性,能为转笼生物反应器结构评价和优化提供有效的手段。并进行了本文设计的转笼生物反应器结构的内部结构及外叶片的优化计算,得到具有良好的流体力学特性的转笼结构为:内叶片长度为0.15Rz、内叶片数目为10片、内叶片形状为正曲面,外叶片端面型线为样条曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 河流水污染治理与材料在污水治理中的重要作用
• 1.1.1 河流水污染及其治理技术
• 1.1.2 生物载体在水污染治理中的重要作用
• 1.2 污水生物处理原理与微生物固定化技术
• 1.2.1 污水生物处理的基本原理
• 1.2.2 生物膜法的基本原理
• 1.2.3 微生物固定化技术
• 1.2.4 生物膜法污水处理的关键技术
• 1.3 悬浮生物载体及其研究状况
• 1.3.1 悬浮生物载体的作用及特性
• 1.3.2 国外悬浮生物载体研究现状
• 1.3.3 国内悬浮生物载体研究状况
• 1.3.4 悬浮生物载体的研究中有待解决的问题
• 1.4 河流水污染治理装备的研究状况
• 1.4.1 悬浮生物载体移动床的研究状况
• 1.4.2 悬浮生物载体移动床结构的研究进展
• 1.4.3 移动式河流水污染治理装备研究需要解决的问题
• 1.5 主要研究内容与论文的框架结构
• 1.6 课题来源
• 第二章 生物载体挂膜试验及机理分析
• 2.1 试验材料与方法
• 2.1.1 试验装置
• 2.1.2 试验材料
• 2.1.3 测试指标、分析仪器及试验用水
• 2.2 试验结果及讨论
• 2.2.1 不同材质载体挂膜效果的比较
• 2.2.2 不同结构载体污水处理效果的比较
• 2.2.3 混合载体污水处理效果的比较
• 2.2.4 不同环境下的载体污水处理效果的比较
• 2.2.5 生物载体上微生物观察
• 2.3 悬浮载体材质－结构的生物特性分析
• 2.4 悬浮生物载体挂膜机理分析
• 2.4.1 悬浮生物载体的挂膜过程
• 2.4.2 悬浮生物载体挂膜过程中的作用力
• 2.4.3 生物载体材质和结构对载体挂膜过程的影响
• 2.4.4 微生物附着定量分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 新型悬浮生物载体的设计与试验研究
• 3.1 基于多相流动网格的生物载体空间结构评价方法
• 3.1.1 悬浮生物载体移动床气液两相流模型
• 3.1.2 悬浮生物载体移动床内湍流模型
• 3.1.3 悬浮生物载体运动的动网格模型
• 3.1.4 模型的离散和求解
• 3.2 悬浮生物载体流体力学特性的数值模拟分析
• 3.2.1 悬浮生物载体流体力学特性
• 3.2.2 悬浮生物载体移动床的数值模拟
• 3.2.3 试验验证
• 3.3 缠绕型悬浮生物载体设计及数值模拟
• 3.3.1 缠绕型悬浮生物载体的结构
• 3.3.2 缠绕型悬浮生物载体流体力学特性的模拟
• 3.4 缠绕型悬浮生物载体污水处理试验研究
• 3.4.1 试验材料和装置
• 3.4.2 试验结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 悬浮生物载体转笼生物反应器的研制及性能试验
• 4.1 转笼生物反应器的构造、原理及特点
• 4.1.1 悬浮生物载体转笼生物反应器的结构
• 4.1.2 悬浮生物载体转笼生物反应器的原理
• 4.1.3 悬浮生物载体转笼生物反应器的启动液流速度估算
• 4.1.4 转笼生物反应器的特点
• 4.2 转笼生物反应器的启动试验研究
• 4.2.1 试验装置及材料
• 4.2.2 启动试验及结果
• 4.2.3 悬浮生物载体对启动性能及去除效果的影响
• 4.3 转笼生物反应器运行参数优化试验研究
• 4.3.1 参数优化试验的因素及水平的分析
• 4.3.2 参数优化试验方案的确定
• 4.3.3 参数优化试验结果及分析
• 4.4 稳定运行去除效果及与其它污水处理方法对比
• 4.4.1 稳定运行去除效果
• 4.4.2 转笼生物反应器与其他污水处理方法的对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 悬浮生物载体转笼生物反应器反应动力学
• 5.1 转笼生物反应器的氧传质及生物载体填充率的选取
• 5.1.1 转笼生物反应器的氧传质基本理论
• 5.1.2 转笼生物反应器的氧传质实验及生物载体填充率的选取
• 5.2 转笼生物反应器的生物反应动力学模型
• 5.2.1 模型假设及基质状况
• 5.2.2 莫诺特（Monod）方程
• 5.2.3 转笼生物反应器动力学模型
• 5.2.4 转笼生物反应器动力学常数的确定
• 5.2.5 关于转笼生物反应器动力学模型的讨论
• 5.3 转笼生物反应器的初步设计计算模型
• 5.3.1 转笼生物反应器的设计计算模型推导
• 5.3.2 转笼生物反应器的设计计算模型的参数确定
• 5.3.3 设计计算模型的讨论
• 5.4 转笼生物反应器设计计算模型的应用
• 5.4.1 悬浮生物载体表面积的计算
• 5.4.2 转笼生物反应器有效容积VZ 的计算
• 5.4.3 转笼生物反应器尺寸的确定
• 5.4.4 悬浮生物载体量的确定
• 5.4.5 设计计算模型的验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 悬浮生物载体转笼生物反应器的结构优化
• 6.1 转笼生物反应器内流场分析模型
• 6.1.1 转笼生物反应器内多相流及湍流模型模型
• 6.1.2 滑移网格技术
• 6.1.3 模型的离散求解和边界条件
• 6.2 转笼生物反应器流体力学特性
• 6.2.1 转笼反应器流体力学特性的表征量
• 6.2.2 流体力学特性量对反应器性能的影响
• 6.3 转笼生物反应器内流场数值模拟分析
• 6.3.1 几何模型及网格划分
• 6.3.2 数值模拟分析
• 6.3.3 试验验证
• 6.4 转笼生物反应器的结构优化
• 6.4.1 内部结构的优化
• 6.4.2 外叶片优化
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的论文情况
• 攻读博士学位期间的其他成果
• 致谢