基于CFD的多段內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器氣液流場研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計.pdf

1、現(xiàn)如今水體污染日益嚴(yán)重，污水處理市場逐漸擴大，迫切需要低成本、高效率的污水處理技術(shù)，厭氧反應(yīng)器一直以來是一個很好的選擇。其從開發(fā)至今經(jīng)歷了幾次更新替代，到目前為止已到了第三代厭氧反應(yīng)器。厭氧反應(yīng)器每次更新?lián)Q代都是圍繞增強泥水間傳質(zhì)效果進(jìn)行的，其實質(zhì)是改善反應(yīng)器內(nèi)部流場條件。本課題創(chuàng)新性的提出開發(fā)一種新型厭氧反應(yīng)器——多段內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，并采用計算流體力學(xué)技術(shù)(CFD)模擬研究各種結(jié)構(gòu)條件下反應(yīng)器的流場情況，用模擬結(jié)果指導(dǎo)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺

2、寸設(shè)計。該反應(yīng)器的設(shè)計原理是厭氧消化反應(yīng)的三個階段產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷階段在三個不同的反應(yīng)段進(jìn)行，每個反應(yīng)段中的反應(yīng)條件都調(diào)節(jié)到各個階段發(fā)生反應(yīng)的微生物所需要的最佳反應(yīng)條件，因此能發(fā)揮每一階段的微生物的最大功效。同時每個反應(yīng)室內(nèi)依靠產(chǎn)甲烷階段的自產(chǎn)沼氣的推動作用自動形成液體內(nèi)循環(huán)，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的存在，使得反應(yīng)器內(nèi)保持著大量的微生物。并且讓厭氧顆粒污泥與廢水處于攪拌狀態(tài)，使得泥水混合液能夠充分混勻，泥水的充分接觸能實現(xiàn)良好的傳質(zhì)，大大提

3、高了污水處理效率。此前已有大量學(xué)者研究厭氧反應(yīng)器，但是之前的研究大部分集中在工藝性的實驗研究，很少有人深入研究反應(yīng)器內(nèi)部的流場機理，并且在實際工程應(yīng)用中大多是依靠經(jīng)驗公式來設(shè)計反應(yīng)器，這樣在設(shè)計時存在一定的盲目性，不能充分利用反應(yīng)器內(nèi)部空間，很難達(dá)到最佳傳質(zhì)效果。采用數(shù)值模擬方法可以代替反應(yīng)器的中試實驗，大大節(jié)省了科研時間與經(jīng)費，并且可以解決中試實驗不能解決的問題，可以在短時間內(nèi)從模擬結(jié)果預(yù)測反應(yīng)器的運行效果與狀態(tài)。結(jié)合多段內(nèi)循環(huán)厭氧反

4、應(yīng)器的特殊性，本課題通過CFD中的FLUENT軟件模擬反應(yīng)器的運行，通過改變產(chǎn)氣量的大小、高徑比、曝氣盤安裝高度這三個因素，探索反應(yīng)器的最佳工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，以期能讓反應(yīng)器內(nèi)部泥水傳質(zhì)效果達(dá)到最佳狀態(tài)，提高處理效果;減小反應(yīng)器內(nèi)部死區(qū)比例，提高空間利用率。
　　數(shù)值模擬結(jié)果表明:(1)產(chǎn)氣量過大或者過小都會導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)存在大量死區(qū)，只有當(dāng)曝氣盤出口處的瞬時氣體速度維持在2.68m/s或者3.75m/s時，反應(yīng)區(qū)的流場才有利于厭氧反

5、應(yīng)的進(jìn)行，但是氣體速度越大，液體進(jìn)入集氣管后速度變化越劇烈，液體速度過大不利于厭氧顆粒污泥的形成，因此氣體速度為2.68m/s時，反應(yīng)器的流場更適合厭氧反應(yīng)的進(jìn)行;(2)高徑比對流場形態(tài)有明顯影響，實驗中選擇了0.8、1.0、1.25、1.5、1.75這幾個高徑比作為變量，結(jié)果表明，高徑比越大，液體速度分布越均勻，軸向與徑向都有速度延伸。因此有利于泥水混合傳質(zhì)，并且高徑比越大，反應(yīng)區(qū)速度變化越平緩，最終形成平推流狀態(tài)，有利于厭氧顆粒污泥

6、的形成。因此從模擬結(jié)果分析得到，高徑比為1.75時反應(yīng)器流場情況最適宜厭氧反應(yīng)器的運行。(3)曝氣盤安裝高度是影響反應(yīng)器內(nèi)部流場的一個重要因素，曝氣盤作為反應(yīng)器動力的來源口，其安裝高度對反應(yīng)器內(nèi)部流場影響較大，實驗中選用了20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、120mm這幾個實驗變量，結(jié)果表明，曝氣盤安裝高度越低，越有利反應(yīng)器內(nèi)泥水混合傳質(zhì)，曝氣盤安裝高度較低時，液體上升時與集氣罩壁的粘滯阻力越小，越有利于液體速度的徑向擴