卡魯塞爾氧化溝液固兩相湍流與生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、廢水生物處理工程涉及復(fù)雜水力學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程，其設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行控制是當(dāng)前國(guó)際水科學(xué)技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。由于至今關(guān)于對(duì)廢水生物處理復(fù)雜生物反應(yīng)器內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其對(duì)反應(yīng)器效能的影響認(rèn)識(shí)不清，致使在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)耦合方面的研究尚未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。論文以卡魯塞爾氧化溝為研究對(duì)象，發(fā)展了多相流區(qū)域流速場(chǎng)原位非接觸式測(cè)試新技術(shù)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究氧化溝反應(yīng)器內(nèi)液-固兩相湍流與生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，以及多相湍流反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(cè)速系統(tǒng)，并應(yīng)用于復(fù)雜流體反應(yīng)器多相流二維及三維區(qū)域流速場(chǎng)的測(cè)試，克服了傳統(tǒng)接觸式點(diǎn)測(cè)量方法無(wú)法獲取區(qū)域流動(dòng)同步信息的缺陷。
　?、谒兄频腜IV測(cè)速系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)PIV系統(tǒng)的信息提取算法，通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)系數(shù)作為測(cè)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(yùn)算速率；利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理，采用灰度加權(quán)標(biāo)定法和粒徑匹配法，實(shí)現(xiàn)了多相流的識(shí)別、劃分和標(biāo)

3、定。
　　③采用數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)卡魯塞爾氧化溝模型三維單相和二維兩相全場(chǎng)流速進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，固相流速總體小于液相；縱、垂兩向的流動(dòng)分布是決定溝內(nèi)水力特性的主要因素；橫、垂兩向的流動(dòng)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(dòng)能共同作用下的結(jié)果。
　?、茏兤貤l件下氧化溝流場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，開(kāi)啟兩臺(tái)曝氣機(jī)條件下，外溝易成為發(fā)生淤積的危險(xiǎn)地帶；內(nèi)溝段較高的水動(dòng)能利于組分混合，防止污泥的沉積；開(kāi)啟三臺(tái)

4、曝氣機(jī)可使外溝流速增長(zhǎng)10％以上，對(duì)內(nèi)溝段流動(dòng)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(jī)距離的增加而減少；整個(gè)外溝啟/停曝氣達(dá)到工況穩(wěn)定所需時(shí)間約占運(yùn)行時(shí)間的40%。
　?、菅趸瘻蟽?nèi)水質(zhì)實(shí)測(cè)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(fù)相關(guān)；流速是影響溶解性組分混合的重要因素，提高進(jìn)水口附近局部流速有利于縮短進(jìn)水組分均布的距離與時(shí)間。
　?、迲?yīng)用所研制的PIV測(cè)速系統(tǒng)對(duì)不同粒徑污泥在水力湍動(dòng)條

5、件下的沉降特性進(jìn)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(dòng)條件下的污泥湍動(dòng)沉降速率模型。
　?、邔⑽勰嗤膭?dòng)沉降速率模型與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(shí)現(xiàn)了垂向上液固兩相運(yùn)動(dòng)的分離；利用計(jì)算流體軟件Fluent對(duì)工業(yè)規(guī)模污水廠氧化溝的污水-污泥兩相流進(jìn)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(chǎng)和污泥的分布情況。
　?、鄬⒖斎麪栄趸瘻弦?固兩相湍流混合物模型