卡魯塞爾氧化溝液固兩相湍流與生物反應動力學研究.pdf

1、廢水生物處理工程涉及復雜水力學和生物化學過程，其設(shè)計優(yōu)化和運行控制是當前國際水科學技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。由于至今關(guān)于對廢水生物處理復雜生物反應器內(nèi)流體動力學規(guī)律及其對反應器效能的影響認識不清，致使在反應動力學與流體動力學耦合方面的研究尚未取得實質(zhì)性進展。論文以卡魯塞爾氧化溝為研究對象，發(fā)展了多相流區(qū)域流速場原位非接觸式測試新技術(shù)，進行了實驗室模型試驗和現(xiàn)場測試，研究氧化溝反應器內(nèi)液-固兩相湍流與生物反應動力學，以及多相湍流反應動力學數(shù)值模

2、擬方法。論文取得的主要研究成果如下：
　　①研制出一套新的多相流數(shù)字粒子圖像測速系統(tǒng)，并應用于復雜流體反應器多相流二維及三維區(qū)域流速場的測試，克服了傳統(tǒng)接觸式點測量方法無法獲取區(qū)域流動同步信息的缺陷。
　?、谒兄频腜IV測速系統(tǒng)改進了傳統(tǒng)PIV系統(tǒng)的信息提取算法，通過采用標準化相關(guān)系數(shù)作為測度和優(yōu)化搜索區(qū)域的方法，提高了系統(tǒng)的圖象處理運算速率；利用數(shù)學形態(tài)學原理，采用灰度加權(quán)標定法和粒徑匹配法，實現(xiàn)了多相流的識別、劃分和標

3、定。
　　③采用數(shù)字粒子圖像測速技術(shù)對卡魯塞爾氧化溝模型三維單相和二維兩相全場流速進行測量。結(jié)果表明，固相流速總體小于液相；縱、垂兩向的流動分布是決定溝內(nèi)水力特性的主要因素；橫、垂兩向的流動是決定污泥沉積位置的主要因數(shù)，污泥沉積是橫、垂兩向流速與該處水體動能共同作用下的結(jié)果。
　?、茏兤貤l件下氧化溝流場的實測結(jié)果表明，開啟兩臺曝氣機條件下，外溝易成為發(fā)生淤積的危險地帶；內(nèi)溝段較高的水動能利于組分混合，防止污泥的沉積；開啟三臺

4、曝氣機可使外溝流速增長10％以上，對內(nèi)溝段流動結(jié)構(gòu)改變不大；在啟/停曝初始階段，流速變化快慢隨其與曝氣機距離的增加而減少；整個外溝啟/停曝氣達到工況穩(wěn)定所需時間約占運行時間的40%。
　　⑤氧化溝內(nèi)水質(zhì)實測結(jié)果表明，溶解氧與流速呈正相關(guān)、污泥濃度（MLSS）與流速呈負相關(guān)；流速是影響溶解性組分混合的重要因素，提高進水口附近局部流速有利于縮短進水組分均布的距離與時間。
　　⑥應用所研制的PIV測速系統(tǒng)對不同粒徑污泥在水力湍動條

5、件下的沉降特性進行研究，得到了污泥靜沉降速率與污泥粒徑的關(guān)系，建立了水力湍動條件下的污泥湍動沉降速率模型。
　?、邔⑽勰嗤膭映两邓俾誓Ｐ团c兩相湍流混合物模型耦合，建立了氧化溝液固兩相湍流混合物模型，實現(xiàn)了垂向上液固兩相運動的分離；利用計算流體軟件Fluent對工業(yè)規(guī)模污水廠氧化溝的污水-污泥兩相流進行模擬，結(jié)果表明兩相流混合物模型較好的揭示了氧化溝內(nèi)混合液流場和污泥的分布情況。
　　⑧將卡魯塞爾氧化溝液-固兩相湍流混合物模型