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厌氧折流板反应器的水力特性实验与流场模拟研究

作　者: 耿亚鸽
导　师: 张浩勤；刘金盾
学　校: 郑州大学
专　业: 环境工程
关键词: 厌氧折流板反应器(ABR) 水力特性停留时间分布(RTD) 计算流体动力学(CFD) Fluent软件流场模拟
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 废水厌氧生物处理技术  11-12
    1.1.1 厌氧生物技术的优缺点  11-12
    1.1.2 厌氧生物处理工艺的分类  12
  1.2 厌氧折流板反应器  12-19
    1.2.1 ABR的工作原理  12-13
    1.2.2 ABR的结构类型  13-16
    1.2.3 ABR的主要特点  16
    1.2.4 ABR的工艺性能  16-18
    1.2.5 ABR的研究现状  18-19
  1.3 本课题研究内容与意义  19-21
第2章 CFD技术与Fluent软件介绍  21-31
  2.1 CFD技术简介  21-23
    2.1.1 CFD的计算方法  21-22
    2.1.2 CFD的求解过程  22
    2.1.3 CFD软件结构  22-23
    2.1.4 常用CFD软件  23
  2.2 Fluent软件介绍  23-25
    2.2.1 Fluent软件的结构  23-24
    2.2.2 Fluent软件求解步骤  24-25
  2.3 数值模拟理论基础  25-31
    2.3.1 流体运动基本方程  25-26
    2.3.2 湍流方程模型简介  26-31
第3章 ABR反应器的水力特性研究  31-41
  3.1 实验装置和方法  31-32
    3.1.1 实验装置  31
    3.1.2 实验方法  31-32
    3.1.3 实验药品  32
  3.2 计算方法和实例  32-36
    3.2.1 计算方法  32-35
    3.2.2 计算实例  35-36
  3.3 结果与讨论  36-40
    3.3.1 实验结果  36-37
    3.3.2 不同HRT下的C-θ曲线  37-38
    3.3.3 HRT对死区容积分数的影响  38
    3.3.4 HRT对反应器流态的影响  38-40
  3.4 本章小结  40-41
第4章 ABR清水流场的数值模拟  41-58
  4.1 湍流模型数值模拟  41-51
    4.1.1 模型建立与网格划分  41-43
    4.1.2 求解模型的选择  43-44
    4.1.3 Fluent软件求解过程  44-45
    4.1.4 结果与讨论  45-51
  4.2 层流模型数值模拟  51-56
    4.2.1 模型建立与网格划分  51-53
    4.2.2 求解模型的选择  53
    4.2.3 Fluent软件求解过程  53
    4.2.4 结果与讨论  53-56
  4.3 本章小结  56-58
第5章 ABR反应器的设计与优化  58-61
  5.1 结构形式的选择  58
  5.2 主要部件的确定  58-59
  5.3 工艺操作条件的选择  59-60
  5.4 本章小结  60-61
第6章结论与展望  61-63
  6.1 主要结论  61
  6.2 研究展望  61-63
参考文献  63-68
附录1 英文词汇缩写表  68-69
附录2 硕士期间发表的学术论文  69-70
致谢  70

厌氧折流板反应器的水力特性实验与流场模拟研究

内容摘要

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