SMBR内气液两相流三维CFD模拟

应用CFD软件Fluent对浸没式膜生物反应器(submerged membrane bioreactor,SMBR)内气液两相流进行数值模拟研究,重点考查曝气系统的改变对气液两相流态的影响,并结合PIV实验验证模拟结果,从而为反应器的优化设计及膜污染的控制提供理论依据。模拟结果表明,SMBR内曝气强化了气液两相紊动,膜表面液相速度沿反应器高度增加且形成循环流动,有利于膜面污染物的脱落;反应器内气含率分布不均匀,出现死区,不利于微生物的生长;经实验验证,模拟结果吻合良好。     

曝气条件对浸没式膜生物反应器内流场的影响

为深入研究流场动力学特性对浸没式膜生物反应器系统内膜面污染的控制,应用fluent软件对浸没式膜生物反应器内气液两相流动进行了三维数值模拟研究。采用标准k-ε湍流模型和欧拉多相流模型,考察了改变曝气条件对膜面气液速度场及气含率分布的影响。模拟结果表明,在相同曝气强度下,1 mm曝气孔径下膜面气液两相的速度增加较孔径2mm、3 mm的快;曝气孔径为1 mm时,膜面的液相速度随着曝气强度的增加逐渐增大;曝气孔径为1 mm时,曝气量为5.5m3/h所形成的漩涡区较大,膜面气含率值较高且分布较均匀,气液两相接触面积较大,膜面冲刷效果较好;模拟观察到反应器底部靠近壁面局部气含率较低,不利于活性污泥中微生物的生长,需要进一步优化曝气和反应器结构。     

膜生物反应器内流场动力学特性的PIV实验研究

浸没式膜生物反应器系统内膜面附近的气液两相流动力学特性对控制浓差极化和膜污染具有重要影响。应用粒子图像测速(PIV)技术对浸没式膜生物反应器内近膜面的液相流场动力学特性进行了研究。采用相分离技术灰度分辨法将通过PIV技术得到的气液两相流场图像中的液相速度场进行辨别,得到膜面附近的液相流场数据,并应用Tecplot软件计算得出液相流的涡量特性。在3 mm曝气孔径,2.5、3.0、3.5、4.5、5.5和6.5 m3/h 6种曝气强度下分析了膜面附近的液相速度场和涡量场。结果表明,曝气强度对液相流场和涡量场的影响较大,在一定范围内增加曝气强度可以使得液相速度和涡量增加,同时,分析了3 mm孔径下圆帽状气泡的动力学特性。研究结果为膜生物反应器系统的优化设计提供了研究经验和实验数据。     

三相生物流化复合反应器中上升区与下降区气含率的关系

在自行设计的新型蜂窝断面三相生物流化复合反应器中进行了气含率的测定,试验结果表明,总平均气含率和上升区气含率均随表观气速的增加呈直线增加;并且随固含率的增加,气含率也相应增加.根据流体力学的连续性原理,推导出了三相生物流化复合反应器中上升区气含率与下降区气含率的理论关系式,并对其中的重要参数a的取值进行了讨论.试验结果上升区气含率与下降区气含率满足直线的关系,说明随着表观气速和气含率升高,上升区实际液速与下降区实际液速的比值（VLr/VLd）没有明显变化.     

三相生物流化复合反应器中上升区与下降区气含率的关系

在自行设计的新型蜂窝断面三相生物流化复合反应器中进行了气含率的测定,试验结果表明,总平均气含率和上升区气含率均随表观气速的增加呈直线增加;并且随固含率的增加,气含率也相应增加.根据流体力学的连续性原理,推导出了三相生物流化复合反应器中上升区气含率与下降区气含率的理论关系式,并对其中的重要参数a的取值进行了讨论.试验结果上升区气含率与下降区气含率满足直线的关系,说明随着表观气速和气含率升高,上升区实际液速与下降区实际液速的比值(VLr/VLd)没有明显变化.     

用于普通小球藻固碳的气升式内环流平板光生物反应器设计参数优化

为构建适宜普通小球藻快速生长及生物固碳的内环流气升式平板光生物反应器,通过正交实验方法考察了表观气速(SGV)、高径比(H/D)、降流区与升流区的面积比(Ad/Ar)等设计参数对传递特性变量(气含率、液相循环流速、体积传质系数)和微藻固碳速率的影响。结果表明,SGV对微藻固碳速率影响最为显著,Ad/Ar次之,H/D最小。最适设计参数为SGV=0.3 vvm,Ad/Ar=3∶1,H/D=6∶1。SGV主要通过提高了藻液的气含率而对微藻固碳起到积极作用;微藻生长受多重因素影响,仅仅考察体积传质系数对反应器性能的提升并不全面,气含率的提高对微藻高效固碳更为有利。     

基于CFD模拟改良型厌氧折流板反应器(mABR)水力特性

改良型厌氧折流板反应器(modified anaerobic baffled reactor,mABR)的处理效率受水力特性的影响很大,而反应器升流室的升流速度又是影响反应器内水力特性的重要参数。使用CFD-fluent软件平台进行二维多相流数值模拟,在难降解废水水解酸化(固-液两相流)与高浓度有机废水发酵产气(气-液-固三相流)条件下,针对水流速度与固含率的变化,探究不同升流速度对反应器内流场特性的影响。结果表明:升流速度的增加及反应器厌氧产气有利于抬升泥水界面,促进泥水混合,提高传质效率;但过高的升流速度将导致污泥流失,使生物量的保持能力下降。通过分析可知,当两相流和三相流升流速度分别为2.0～2.5 m·h~(-1)和1.5～2.0 m·h~(-1)时,水力搅动及固含率分布较为显著,有利于泥水混合,使得反应器去除污染物效率最佳。     

射流曝气的气液两相流的数值模拟

射流曝气在活性污泥处理方法中起着重要的作用.采用数值模拟的方法研究自吸式单级单喷射流器中的气液两相流动状况,通过对不同长径比和喷嘴面积比的射流曝气器模型的气液两相流的计算,定量分析长径比和喷嘴面积比对射流曝气器流场和空气与工作介质流量比的影响,为进一步设计开发新型高效的射流曝气器提供参考.     

射流曝气的气液两相流的数值模拟

射流曝气在活性污泥处理方法中起着重要的作用。采用数值模拟的方法研究自吸式单级单喷射流器中的气液两相流动状况，通过对不同长径比和喷嘴面积比的射流曝气器模型的气液两相流的计算，定量分析长径比和喷嘴面积比对射流曝气器流场和空气与工作介质流量比的影响，为进一步设计开发新型高效的射流曝气器提供参考。     

气升式反应器中微生物烟气脱硫研究

基于微生物酸性铁溶液烟气脱硫特性,实验构建了一套内循环气升式反应器.在反应器中,利用处于对数生长期的氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)酸性铁溶液进行了模拟烟道气SO2脱除实验研究.为寻求高脱硫率,实验研究了铁离子浓度、入口氧含量、细菌数和pH值的变化对脱硫率的影响.考察了反应液中Fe(Ⅱ)离子浓度的变化规律.实验表明,含T.f菌酸性铁溶液的脱硫效果较高;Fe离子浓度在7.67 g/L左右时脱硫率最佳;入口气中氧含量、反应液中细菌数和pH值越高,反应液的脱硫率也就越高.反应液中的Fe(Ⅱ)离子浓度是一先扬后抑的变化过程.     

Importance of considering intraborehole flow in solute transport modeling under highly dynamic flow conditions

Correct interpretation of tracer test data is critical for understanding transport processes in the subsurface. This task can be greatly complicated by the presence of intraborehole flows in a highly dynamic flow environment. At a new tracer test site (Hanford IFRC) a dynamic flow field created by changes in the stage of the adjacent Columbia River, coupled with a heterogeneous hydraulic conductivity distribution, leads to considerable variations in vertical hydraulic gradients. These variations, in turn, create intraborehole flows in fully-screened (6.5m) observation wells with frequently alternating upward and downward movement. This phenomenon, in conjunction with a highly permeable aquifer formation and small horizontal hydraulic gradients, makes modeling analysis and model calibration a formidable challenge. Groundwater head data alone were insufficient to define the flow model boundary conditions, and the movement of the tracer was highly sensitive to the dynamics of the flow field. This study shows that model calibration can be significantly improved by explicitly considering (a) dynamic flow model boundary conditions and (b) intraborehole flow. The findings from this study underscore the difficulties in interpreting tracer tests and understanding solute transport under highly dynamic flow conditions.     

Identification of material flow systems

Material Flow Analysis (MFA) has become an important instrument in environmental science and pollution research. In this paper, we look at the MFA problem as a particularly structured system identification problem. Special emphasis is given to the linear, static case, where we describe a procedure for reconciliating the flow measurements and for estimating the unmeasured flows and the transfer coefficients by taking into account a priori restrictions such as balance equations.     

旋转流厌氧附着膜膨胀床运行及水力流态研究

试验以树脂为载体,用自行设计的旋转流厌氧附着膜嘭胀床处理高浓度有机废水.经过启动、中等负荷稳定运行及高负荷稳定运行等阶段,成功地培养出高效生物膜颗粒,最高有机负荷达46.4 kg/(m3·d).相应的COD去除率大于80%.在反应器运行过程中采用脉冲示踪法,以LiCl作示踪剂,对反应器的水力流态规律进行了系统的试验研究.研究表明,水力上升流速及气体负荷是影响反应器容积利用率及反应器内固液两相混合程度的重要因素.     

水平潜流人工湿地流场数值模拟与结构优化分析

为了解决传统水平潜流人工湿地在床体结构设计方面的随意性与经验化问题,以流场均匀分布为目标,利用数值模拟方法对人工湿地床体结构参数进行优化,包括人工湿地基质填充厚度、床体长宽比例、构建尺度、主体填料区的分层填充方式,解析基质结构的配置规律,实现各参数的定量化。模拟结果表明,填料的分层配置对流场分布的影响很大。在基质厚度为0.6 m,长宽比为5∶3,且填料按照渗透系数指数规律分层填充的情况下,流场分布较均匀。在此基础上,根据模拟结果所确定的结构参数构建潜流人工湿地小试装置,并与传统结构人工湿地进行对照,对模拟结果进行验证。实验结果表明,当水力停留时间(HRT)为36 h时,分层填充与单层填充方式的人工湿地对COD、TP和TN的平均去除率分别为64.89%、82.72%、69.69%和29.84%、39.15%、31.83%,结构优化后的人工湿地净化效果得以显著提升。     

潜流、垂直流人工湿地污染物净化效果及耐污染负荷冲击能力研究

依托建立在新沂河河漫滩上的人工湿地中试工程进行现场试验,研究分析潜流和垂直流2种人工湿地对污染河水的净化效果及其耐污染负荷冲击能力。结果表明:在相同的进水高锰酸盐指数浓度条件下,垂直流对高锰酸盐指数的净化效果明显优于潜流;2种人工湿地对NH4+-N的去除率均比较高(平均去除率均高于80%),且没有明显差异;2种人工湿地构造不同引起的水流运行方式及截留、过滤作用的差异对高锰酸盐指数的去除影响较大,而对NH4+-N去除的影响较小;进水污染负荷变化对人工湿地污染物去除的影响显著,垂直流耐高锰酸盐指数污染负荷冲击能力明显强于潜流,而对NH4+-N污染负荷变化,两者都表现出了较强的耐受能力,差异不明显。     

常温下连续流短程硝化反硝化研究

常温(26～30℃)下应用连续流短程硝化反硝化工艺处理模拟城市生活污水,对连续流短程硝化反硝化污泥的运行参数进行了研究.结果表明,在常温、进水NH4 -N为50 mg/L、曝气区pH为7.5～8.0、曝气量为0.3 L/min、曝气区水力停留时间为4 h的条件下,NO2- -N/(NO3- -N NO2- -N)达0.677,TN去除率为35%左右;在上述条件下,无需调节曝气区pH,选择前置反硝化区与曝气区的体积比为1:2、前置反硝化区水力停留时间为2 h、回流比为2:1时,连续流短程硝化反硝化工艺的TN去除率达88.9%,COD去除率达92.7%;pH的变化规律正确反映了系统运行状况,可作为系统运行的实时控制参数.     

Hydrogen peroxide stabilization in one-dimensional flow columns

Rapid hydrogen peroxide decomposition is the primary limitation of catalyzed H(2)O(2) propagations in situ chemical oxidation (CHP ISCO) remediation of the subsurface. Two stabilizers of hydrogen peroxide, citrate and phytate, were investigated for their effectiveness in one-dimensional columns of iron oxide-coated and manganese oxide-coated sand. Hydrogen peroxide (5%) with and without 25 mM citrate or phytate was applied to the columns and samples were collected at 8 ports spaced 13 cm apart. Citrate was not an effective stabilizer for hydrogen peroxide in iron-coated sand; however, phytate was highly effective, increasing hydrogen peroxide residuals two orders of magnitude over unstabilized hydrogen peroxide. Both citrate and phytate were effective stabilizers for manganese-coated sand, increasing hydrogen peroxide residuals by four-fold over unstabilized hydrogen peroxide. Phytate and citrate did not degrade and were not retarded in the sand columns; furthermore, the addition of the stabilizers increased column flow rates relative to unstabilized columns. These results demonstrate that citrate and phytate are effective stabilizers of hydrogen peroxide under the dynamic conditions of one-dimensional columns, and suggest that citrate and phytate can be added to hydrogen peroxide before injection to the subsurface as an effective means for increasing the radius of influence of CHP ISCO.