雙室生物電化學(xué)系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、在廢水處理領(lǐng)域，生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)作為一種新型技術(shù)受到廣泛關(guān)注。BES的基本原理是微生物作為催化劑，將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此BES具有處理廢水和回收能源雙重效果的突出優(yōu)勢(shì)。眾所周知，水動(dòng)力學(xué)是廢水處理反應(yīng)器運(yùn)行性能的重要影響因素，而目前關(guān)于BES水動(dòng)力學(xué)特性方面的研究較為缺乏?？紤]水動(dòng)力學(xué)影響B(tài)ES反應(yīng)器產(chǎn)電性能的機(jī)理比較復(fù)雜，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的思路更有助于理解水動(dòng)力學(xué)調(diào)控反應(yīng)器產(chǎn)電性能的影響機(jī)制。本文主

2、要運(yùn)用停留時(shí)間分布（RTD）技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬相結(jié)合的方法來(lái)研究典型雙室BES陽(yáng)極室和陰極室的水動(dòng)力學(xué)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.生物電化學(xué)反應(yīng)器陽(yáng)極室水力學(xué)特性的研究。設(shè)置四個(gè)不同水力停留時(shí)間(HRT)，進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取RTD曲線，然后對(duì)RTD數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)定量分析，再結(jié)合RTD曲線特征的定性分析，從而判斷反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)。研究結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)部存在大量死區(qū)，反應(yīng)器水動(dòng)力學(xué)條件不佳;進(jìn)一步分析，HRT越小

3、，相應(yīng)的反應(yīng)器死區(qū)越小，即水動(dòng)力學(xué)條件越好。運(yùn)用CFD模擬反應(yīng)器內(nèi)部的流場(chǎng)分布，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的可視化來(lái)判斷反應(yīng)器死區(qū)主要集中在遠(yuǎn)離進(jìn)出口的拐角區(qū)域。然后通過(guò)加回流裝置和加擋板兩種方法來(lái)改善流態(tài)，結(jié)合相同的RTD實(shí)驗(yàn)分析和CFD模擬，可以得出這兩種方法能夠很好地改善反應(yīng)器流態(tài)，減小反應(yīng)器死區(qū)。最后，通過(guò)BES反應(yīng)器產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出水動(dòng)力學(xué)條件越好，相應(yīng)的產(chǎn)電性能越高。同樣地，加回流裝置和加擋板兩種方法也確實(shí)可以提高反應(yīng)器產(chǎn)電性能。

4、r>　　2.生物電化學(xué)反應(yīng)器陰極室水力學(xué)特性的研究。陰極室的水動(dòng)力學(xué)通過(guò)影響電極周圍的流場(chǎng)分布，進(jìn)而影響電極附近的氧氣傳質(zhì)-反應(yīng)過(guò)程。運(yùn)用CFD中的氣液兩相流模型對(duì)不同曝氣條件下陰極室的水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬，采用歐拉-歐拉算法體系，穩(wěn)態(tài)模擬獲得氣液流場(chǎng)分布和空氣體積分?jǐn)?shù)分布。主要從曝氣強(qiáng)度、電極（碳紙）的相對(duì)空間位置、氣泡尺寸、曝氣裝置個(gè)數(shù)等四個(gè)方面探究不同操作因素對(duì)水動(dòng)力學(xué)的影響機(jī)制，同時(shí)考慮對(duì)陰極室陽(yáng)離子交換膜氧氣擴(kuò)散通量的影響，得出各