厌氧折流板反应器的水力特性实验与流场模拟研究

论文摘要

随着世界能源日益短缺、废水污染日益严重及废水中污染物种类日趋复杂,废水厌氧生物处理技术以投资省、能耗低、可回收沼气、负荷高、产泥少、耐负荷冲击等优点而受到越来越多的重视。厌氧折流板反应器（Anaerobic BaffledReactor,简称ABR）作为一种新型高效、极具应用前景的厌氧反应器,近年来得到了高度重视和大量的研究,目前这些研究主要集中在ABR对各种废水的处理效果方面,而对反应器的流场分布与水力特性方面的理论研究还较少。ABR反应器内的流体动力学特性决定着基质和微生物的接触程度,控制着反应器内物质的传输,因而水力特性是影响其处理效率的重要因素。ABR反应器的水力特性主要表现在反应器中流体的流动方式、厌氧污泥与基质的混合程度、反应器的容积利用率以及废水在反应器内的实际停留时间等方面。本实验室在河南省杰出人才创新基金（项目号No.0521001400）的资助下,做了ABR反应器处理奶牛场废水的研究,取得了较好的效果。本文拟研究ABR反应器的水力特性和流场分布情况,为进一步的应用研究提供理论基础。实验采用以NaCl作示踪剂,通过脉冲刺激响应实验,用停留时间分布（Residence Time Distribution,简称RTD）法,对ABR反应器的水力特性进行了宏观分析和定量研究。实验研究了HRT从60 min到540 min的变化情况,结果表明,随HRT的增大,ABR的死区容积分数减小,串级模型参数N增大,扩散模型参数Pe增大,ABR内的返混程度减小。HRT小于433 min的区域,死区容积分数减小很快;在HRT=433 min,死区容积分数约为0.076,但继续增大HRT,死区容积分数减小很慢。综合来看:在很宽的流速范围内,ABR反应器的水力死区较小,说明其结构优良。HRT的数值决定了死区容积分数,对于本实验所选的ABR反应器,在处理实际废水时,最好保持HRT在420 min以上。为进一步研究ABR反应器内部的详细流场分布情况,采用Fluent软件对所选ABR反应器在清水流场下的流动情况进行了数值模拟。在模拟时,分别以HRT=60 min和HRT=420 min为例,选用k-ε湍流模型和层流模型进行了两种模拟。结果显示:湍流运动时,ABR反应器的水力死区主要发生在反应器底部角落处和上流室的中部;层流运动时,反应器的水力死区显著减小;数值模拟研究结果和宏观表征研究结果相一致。借鉴早期实验结果和模拟分析,作者对实际工程应用中ABR反应器结构尺寸和工艺参数的选取进行了分析讨论,提到了一些工程实例可以为ABR反应器的设计提供有益的参考。众所周知,在ABR反应器内,活性污泥与污染物之间的生物反应以及通过活性污泥的传递过程对ABR效果具有决定性的影响,建议进一步做好这方面的计算机模拟研究工作,如何对模拟结果进行验证也需要认真地研究。虽然软件模拟有其局限性,CFD软件在废水处理设备的研发和设计方面还有广阔的应用前景和市场。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 废水厌氧生物处理技术
• 1.1.1 厌氧生物技术的优缺点
• 1.1.2 厌氧生物处理工艺的分类
• 1.2 厌氧折流板反应器
• 1.2.1 ABR的工作原理
• 1.2.2 ABR的结构类型
• 1.2.3 ABR的主要特点
• 1.2.4 ABR的工艺性能
• 1.2.5 ABR的研究现状
• 1.3 本课题研究内容与意义
• 第2章 CFD技术与Fluent软件介绍
• 2.1 CFD技术简介
• 2.1.1 CFD的计算方法
• 2.1.2 CFD的求解过程
• 2.1.3 CFD软件结构
• 2.1.4 常用CFD软件
• 2.2 Fluent软件介绍
• 2.2.1 Fluent软件的结构
• 2.2.2 Fluent软件求解步骤
• 2.3 数值模拟理论基础
• 2.3.1 流体运动基本方程
• 2.3.2 湍流方程模型简介
• 第3章 ABR反应器的水力特性研究
• 3.1 实验装置和方法
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 实验药品
• 3.2 计算方法和实例
• 3.2.1 计算方法
• 3.2.2 计算实例
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 实验结果
• 3.3.2 不同HRT下的C-θ曲线
• 3.3.3 HRT对死区容积分数的影响
• 3.3.4 HRT对反应器流态的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 ABR清水流场的数值模拟
• 4.1 湍流模型数值模拟
• 4.1.1 模型建立与网格划分
• 4.1.2 求解模型的选择
• 4.1.3 Fluent软件求解过程
• 4.1.4 结果与讨论
• 4.2 层流模型数值模拟
• 4.2.1 模型建立与网格划分
• 4.2.2 求解模型的选择
• 4.2.3 Fluent软件求解过程
• 4.2.4 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 ABR反应器的设计与优化
• 5.1 结构形式的选择
• 5.2 主要部件的确定
• 5.3 工艺操作条件的选择
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录1 英文词汇缩写表
• 附录2 硕士期间发表的学术论文
• 致谢