氧化沟中气-液-固三相混合液数值模拟与生物反应动力学研究

本课题基于紊流理论、多相流理论、活性污泥反应动力学理论和先进的测试技术，通过数值模拟和实验研究相结合的方法，对污水处理的核心构筑物- - -氧化沟中气-液-固三相混合液生物反应动力学进行研究。即：考虑氧化沟弯曲壁面的曲率效应、紊流各向异性效应以及颗粒相（活性污泥）的影响，在三维定常时均N-S方程、雷诺应力模型和Level Set模型基础上，建立氧化沟内气-液-固三相混合液紊流模型；再通过物质输运方程将三相混合液紊流模型与活性污泥2号扩展模型（ASM2D）相耦合，实现对氧化沟内三相混合液三维流场及水质浓度场的数值模拟，直观描述沟内复杂的生物反应过程；最后采用颗粒分析仪、激光测速仪、图像测速仪等先进测试技术对氧化沟模型中三相混合液水力特性和水质变化情况进行实验研究，获得相关特性参数，对所建生物反应动力学模型进行验证和修正。研究成果可为氧化沟系统的高效运行、合理设计提供科学的理论基础。

本课题基于紊流理论、多相流理论、活性污泥反应动力学理论和先进的测试技术，通过数值模拟和实验研究相结合的方法，对氧化沟中气-液-固三相混合液进行数值模拟与生物反应动力学研究。取得的主要研究成果如下：.（1）考虑氧化沟弯曲壁面曲率效应、紊流各向异性效应以及颗粒相（活性污泥）的影响，在三维定常时均N-S方程、雷诺应力模型基础上，建立了氧化沟内气-液-固三相混合液紊流模型，采用有限体积法求解微分方程；紊动能、紊流耗散均采用Quick离散格式；速度与压力耦合求解使用压力隐式算子分裂PISO，获得了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量在空间的分布规律。.（2）提出了一种新型的非等厚度导流墙，在同等边界条件下，能够更好地改善氧化沟弯道水流流态，减小隔墙末端回流区域的大小，并能增加沟道内高流速区域所占的比例；在曝气转盘下游加装导流板，能够增大氧化沟底部水流速度，改善沟内垂线上的流速分布，对消除氧化沟池底积泥现象，延长水气混掺时间具有明显效果；提出了最优淹没比（淹没深度h与水深H之比），分析了在最优淹没比时氧化沟内的流场。.（3）研究得到了氧化沟推流转轮半径与水流回流区长度的关系表达式及最优半径比，表明回流区长度和直道段长度之比与叶轮半径和小弯道半径之比呈直线关系，转轮半径与氧化沟弯道直径的比值r/d=0.218时，氧化沟直道中回流区域的长度最小；并探讨了氧化沟中垂直方向和水平方向溶解氧的分布规律。.（4）基于活性污泥ASM2D模型，对氧化沟工艺系统动力学参数进行了敏感度分析，推理了ASM2D中物料平衡、质量平衡关系，并与三相紊流混合液模型相耦合建立了气-液-固三相紊流生物反应动力学模型，开发了相应的模拟系统，实现了对氧化沟反应器内部气-液-固三相三维流场及水质的精确模拟。.（5）设计建立了氧化沟中试试验系统，对不同工况下氧化沟内不同位置的流速、压强、DO分布、脉动特性等进行了实验研究，获得了相应工况下的水力特性；采用呼吸计量法对氧化沟系统中相关的化学计量系数、动力学参数污水组分进行测定与分析，确定了相关参数值，为模型验证与工艺优化提供基础数据。.（6）构建、校准了氧化沟工艺模拟模型，并对氧化沟工艺系统处理效果进行模拟研究，提出了工艺运行优化策略和改造方案，利用修正之后的模型对改进方案进行模拟预测，为实现氧化沟系统的高效运行和合理设计提供了科学的理论基础。