基于CFD模拟改良型厌氧折流板反应器(mABR)水力特性及其优化研究

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改良型厌氧折流板反应器(mABR,modified anaerobic baffled reactor)的处理效率受水力特性的影响很大,而反应器的升流速度和污泥浓度又是影响反应器内水力特性的重要参数。本课题模拟使用ANSYS Fluent 16.0软件,利用数值模拟方法,引入欧拉多相流模型和标准k-ε模型,对反应器进行二维瞬态模拟。针对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)在不同升流速度和不同的污泥浓度条件下,对反应器内部水流速度与固含率(污泥颗粒占水百分比)分布两个方面对反应器内流场特性的影响进行探究,并对mABR反应器存在的不足进行优化设计。结果表明:(1)从两相流的模拟结果可知,随着升流速度的增加,反应器内涡流越来越明显,泥水混合效率高,从而提高了微生物的传质效果,同时上升水流速度的扰动幅度变化亦是如此。而在过低的升流速度时,在反应器的底部有大量的固含率分布(污泥堆积)。升流速度的增加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反应室内部污泥流失,使生物量的保持能力下降。因此合理的升流速度有利于提高反应器的处理效率,减小底部死区。然而,在过低的污泥浓度(根据固含率计算)条件下,反应器内污泥分布范围不均匀,过高浓度又会造成反应器底部堆积或流失现象严重。所以两相流时,升流速度与固含率(污泥浓度)分别为v=2.02.5 m·h-1和0.3(3 g·L-1),1.52.0 m·h-1和0.4(4 g·L-1)水力搅动及固含率分布较好,因此可以提高反应器的运行效果。(2)三相流时与两相流不同的是在反应器的底部产生沼气。因为甲烷在上升的过程中对污泥有一定的推力,所以相比于两相流,三相流时,在相同的升流速度和污泥浓度(固含率)条件下,污泥层能够抬升到更高的位置。因为甲烷的上升过程中能够引起对泥水的搅拌作用,但在低升流速度时,上升水流速度过小,气体对升流室的上部搅拌效果明显,同时也会产生涡流。随着升流速度的加大,上升水流速度逐渐增大,甲烷气体会被相对较快的速度带出,所以搅拌效果越来越小,但整体而言,升流速度的增加,更加有利于泥水的混合,增加泥水间的传质效率。因此三相流时,升流速度与污泥浓度分别为v=1.52.0 m·h-1和3 g·L-1,1.25 m·h-1附近和4 g·L-1的范围内,有利于泥水混合,使得反应器去除污染物效率最佳。(3)通过对mABR反应器两相流和三相流的模拟,从结果看出,在反应器的底部,无论操作参数如何优化,都有一定的污泥颗粒堆积,都达不到理想的处理效果。因此,在升流速度和污泥浓度分别为2.0m·h-1和3 g·L-1为操作参数条件下对反应器进行结构优化。结构优化后,非常明显的看出,在反应器内涡流的分布得到了提升,以及底部基本上不存污泥的堆积,并且污泥的在反应器内的分布效果很好,不存在大量污泥流失现象。
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