废水生物处理工程涉及复杂水力学和生物化学过程,其设计优化和运行控制是当前国际水科学技术研究的前沿领域。由于至今关于对废水生物处理复杂生物反应器内流体动力学规律及其对反应器效能的影响认识不清,致使在反应动力学与流体动力学耦合方面的研究尚未取得实质性进展。论文以卡鲁塞尔氧化沟为研究对象,发展了多相流区域流速场原位非接触式测试新技术,进行了实验室模型试验和现场测试,研究氧化沟反应器内液-固两相湍流与生物反应动力学,以及多相湍流反应动力学数值模拟方法。论文取得的主要研究成果如下:①研制出一套新的多相流数字粒子图像测速系统,并应用于复杂流体反应器多相流二维及三维区域流速场的测试,克服了传统接触式点测量方法无法获取区域流动同步信息的缺陷。②所研制的PIV测速系统改进了传统PIV系统的信息提取算法,通过采用标准化相关系数作为测度和优化搜索区域的方法,提高了系统的图象处理运算速率;利用数学形态学原理,采用灰度加权标定法和粒径匹配法,实现了多相流的识别、划分和标定。③采用数字粒子图像测速技术对卡鲁塞尔氧化沟模型三维单相和二维两相全场流速进行测量。结果表明,固相流速总体小于液相;纵、垂两向的流动分布是决定沟内水力特性的主要因素;横、垂两向的流动是决定污泥沉积位置的主要因数,污泥沉积是横、垂两向流速与该处水体动能共同作用下的结果。④变曝条件下氧化沟流场的实测结果表明,开启两台曝气机条件下,外沟易成为发生淤积的危险地带;内沟段较高的水动能利于组分混合,防止污泥的沉积;开启三台曝气机可使外沟流速增长10%以上,对内沟段流动结构改变不大;在启/停曝初始阶段,流速变化快慢随其与曝气机距离的增加而减少;整个外沟启/停曝气达到工况稳定所需时间约占运行时间的40%。⑤氧化沟内水质实测结果表明,溶解氧与流速呈正相关、污泥浓度(MLSS)与流速呈负相关;流速是影响溶解性组分混合的重要因素,提高进水口附近局部流速有利于缩短进水组分均布的距离与时间。⑥应用所研制的PIV测速系统对不同粒径污泥在水力湍动条件下的沉降特性进行研究,得到了污泥静沉降速率与污泥粒径的关系,建立了水力湍动条件下的污泥湍动沉降速率模型。⑦将污泥湍动沉降速率模型与两相湍流混合物模型耦合,建立了氧化沟液固两相湍流混合物模型,实现了垂向上液固两相运动的分离;利用计算流体软件Fluent对工业规模污水厂氧化沟的污水-污泥两相流进行模拟,结果表明两相流混合物模型较好的揭示了氧化沟内混合液流场和污泥的分布情况。⑧将卡鲁塞尔氧化沟液-固两相湍流混合物模型与活性污泥2号模型(ASM2)相耦合,建立了卡鲁塞尔氧化沟液-固两相湍流反应动力学模型,编辑开发了求解程序,实现了对反应器内部液固两相三维流场及水质浓度场的同时模拟。⑨应用卡鲁塞尔氧化沟液-固两相湍流反应动力学模型对污水处理厂氧化沟运行进行优化,结果表明在现有氧化沟主沟开启进水处水下推进器,有利于改善弯道处流场分布,降低进水波动对沟内运行的冲击,防止该区域污泥淤积所造成的负面影响。