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紊流脉动对生物膜法污水处理效果的影响

水处理技术 2018年第9期44卷 107-111页

作者：龙天渝贾黎明杜梦楠重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆大学低碳绿色建筑国际联合研究中心重庆400045

通过构建振动格栅生物反应器,模拟生物膜表面剪切流诱发的紊流脉动,研究紊流脉动速度对污水处理与氧气传质效果的影响。结果表明,与对照的静止格栅反应器相比,振动格栅反应器中的格栅低频振动所形成的紊流脉动能明显提高生物膜法污水处... 详细信息

通过构建振动格栅生物反应器,模拟生物膜表面剪切流诱发的紊流脉动,研究紊流脉动速度对污水处理与氧气传质效果的影响。结果表明,与对照的静止格栅反应器相比,振动格栅反应器中的格栅低频振动所形成的紊流脉动能明显提高生物膜法污水处理的效果。当振动频率为0.25 Hz时,在HRT分别为3、2.5、2、1.5 h和气水体积比分别为4:1、5:1、6:1、7:1时,振动格栅反应器对COD、TN的平均去除率分别比对照组高13个、9.1个百分点;在曝气体积流量分别为50、100、200 L/h时,清水充氧水中DO的质量浓度比对照组高出超过10%。

关键词：振动格栅紊流脉动生物膜污水处理传质

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紊流脉动对反应器处理效果的影响

紊流脉动对反应器处理效果的影响

作者：赵运重庆大学

学位级别：硕士

随着工业产业结构的转变,污水处理厂需要改变仅以去除BOD、SS为目标的传统工艺,添加具有脱氮除磷相关功能的新工艺。因此,当今污水处理领域的研究热点之一就是采用创新的处理方式来提高污水的氮和磷去除效率。本文通过查阅相关的国内外... 详细信息

随着工业产业结构的转变,污水处理厂需要改变仅以去除BOD、SS为目标的传统工艺,添加具有脱氮除磷相关功能的新工艺。因此,当今污水处理领域的研究热点之一就是采用创新的处理方式来提高污水的氮和磷去除效率。本文通过查阅相关的国内外文献,研究紊流脉动对反应器处理效果的影响,探讨其反应动力学机理;并且,根据研究结果设计并改进一种紊流脉动强度独立作用的紊流装置,并对装置的稳定运行进行检验后,形成振动格栅反应器,用于污水处理。通过预实验拟定和改进试验计划,进行组间对比,得出了表征紊流脉动强度强弱——振动周期的最佳值。并且在这最佳振动周期的基础上,优化改良运行条件,建立相应的反应动力学模型,分析其相关的反应机理。通过研究得到的结果如下:振动格栅反应器,由于其特殊的结构和独特的水流特性,可以使水体当中的溶质充分扩散,接近于理想的均化间歇反应器。同时为填料周边提供了充沛而合适的剪切力,给微生物转化为生物膜和后期生物膜的新陈代谢创造了良好环境。传统处理方法为填料固定水体流动的模式,该模式微生物活动范围窄,捕获水体污染物能力有限。而振动格栅反应器可以改变这种被动的处理方式,提高微生物的活动范围,使生物膜动起来,大大提高了微生物对污水的去除效率。在26℃、合适的溶解氧的条件下,反应器的最佳振动周期为4s,此时反应器能够获得比较满意的处理效果。化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)的去除率可分别达到约72.9%、82.7%和79.2%。在26℃、溶解氧充足、振动周期为4s的条件下,其化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)的反应速率常数k分别为:0.0038min-1、0.0052min-1和0.0041min-1,其化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)的反应半衰期t1/2分别为:182.41min、133.30min和169.06min。且氮元素去除主要为短程反硝化、同程反硝化(SND)的脱氮反应。同程硝化反硝化(SND)反应对于生物膜法而言,溶解氧应控制在2.0-3.0mg/L左右,但该数值容易受到影响。应当结合具体情况,如生物膜厚度、反应器类型等,并通过进一步针对性实验来确定。

关键词：紊流脉动反应器反应动力学同程反硝化

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紊流脉动对藻类生长及水环境的影响研究

紊流脉动对藻类生长及水环境的影响研究

作者：雷雨重庆大学

学位级别：硕士

藻类的生长与营养盐浓度、环境因子和水动力条件关系密切。三峡水库蓄水后，受到干流倒灌顶托的影响，库区次级河流回水区的水文特征发生显著变化，流速减缓，水体更新周期变长，自净能力下降，富营养化现象严重，春夏季节水华频发，对... 详细信息

藻类的生长与营养盐浓度、环境因子和水动力条件关系密切。三峡水库蓄水后，受到干流倒灌顶托的影响，库区次级河流回水区的水文特征发生显著变化，流速减缓，水体更新周期变长，自净能力下降，富营养化现象严重，春夏季节水华频发，对库区水环境安全造成巨大危害。分析该类水域的水力条件，虽然流速极低，但由于其水力半径较大，流动仍处于紊流状态，紊流脉动是其重要的水动力因素。为探讨紊流脉动强度对藻类生长及水环境的影响，采用自行设计的垂直振动格栅紊流装置，在一定的光照和水温条件下，通过改变各组实验装置中格栅的振动频率调节水体中的紊流脉动强度，在营养盐充足的封闭水体中开展了实验研究。在此实验基础上，进一步在紊流水体中开展不同温度下的模拟实验，探究紊动条件下温度与藻类生长的关系。通过模拟实验与分析，得出以下结论：1）在实验设定的紊动强度范围内，紊流脉动会显著影响水体中藻类的生长过程、生物量峰值及氮磷营养盐等水环境因子的变化情况。2）较微弱的紊流脉动能促进水体中藻类的生长，而较强的紊流脉动则会抑制藻类的生长，格栅的振动频率为0.5Hz时，藻类生长最佳。随着紊流脉动强度的增加，藻类生物量峰值的抵达时间会逐渐推迟。在0-1.5Hz振动频率范围内，叶绿素a浓度与TN、TP显著负相关，其中TP与叶绿素a浓度的相关性最为显著，并且藻类生长越好，相关性越强。3）不同强度紊流脉动下，氮磷含量的变化情况具有显著的差异，其中磷的变化差异最大。当格栅振动频率达到2.0Hz时，较之振动频率为0.5Hz的实验，水体中TN和TP的最大消减量分别降低了55.2%和69.0%。不同强度的紊流脉动均能促进水体的pH值迅速调节至藻类生长所需的稳定水平，且稳定值的波动范围较小，维持在8.40左右，温度的变化对水体最适宜pH值的影响较小。4）在15℃、20℃、25℃和30℃下，微弱紊动的水体中藻类的生长和营养盐的变化过程在各个温度下表现出相同规律，但叶绿素a最大现存量和氮磷的最大削减量随温度的变化发生了明显差异。25℃下，藻类生长最佳，TN和TP的削减量也最大，但30℃时氮磷浓度的下降速率最大。5）在实验设定的温度范围内，温度越高，藻类的适应期越短，生物量峰值越早到达。30℃时，叶绿素a的比增长率最大，藻类生长速率最快。

关键词：藻类生长水动力紊流脉动振动格栅温度

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紊流脉动对反应器及膜传质影响的数值模拟

紊流脉动对反应器及膜传质影响的数值模拟

作者：曾诗重庆大学

学位级别：硕士

生物膜法污水处理技术凭借着微生物种类丰富对污水水质适应能力强、形成的污泥沉降性好、运行设施易于管理和处理成本低廉等优点,一直受到国内外众多学者的关注。目前生物反应器内水力条件对生物膜生长传质影响相关研究,由于反应器中流... 详细信息

生物膜法污水处理技术凭借着微生物种类丰富对污水水质适应能力强、形成的污泥沉降性好、运行设施易于管理和处理成本低廉等优点,一直受到国内外众多学者的关注。目前生物反应器内水力条件对生物膜生长传质影响相关研究,由于反应器中流态多为紊流,研究结果多是基于紊流的时均参数作用,比如流体的平均流速、雷诺数等对生物膜的影响,而对于紊流独特的随机无序性——脉动作用则鲜有研究。为针对性研究紊流脉动产生的剪切力与流动扰动对反应器内传质和形成的生物膜生长、传质特性的影响,本文采用自主设计的振动格栅生物膜反应装置,可通过改变格栅的振动频率,得到不同强度的近似各向同性湍流以研究紊流脉动作用。并采用CFD软件分别建立气-液两相流振动格栅紊流仿真模型及生物膜渗流模型,结合试验数据验证后,进一步模拟不同工况下的动态流场,研究了紊流脉动对振动格栅反应器传质与生物膜内部传质的影响,主要研究成果如下:(1)基于计算流体力学和动网格技术,构建了振动格栅反应器气-液两相流仿真模型。并结合自设计的试验装置,测定流场水力参数,选择代表性工况对数值模拟结果进行了验证以保证后续模拟的准确性。(2)对振动格栅反应器流场进行模拟,结果表明生成的格栅紊流为近似各向同性紊流。同一运行工况下,反应器中均方根流速在格栅附近处波动较大,而在格栅下方较远处稳定。在一段时间内,研究区域各点的平均雷诺应力趋于0。紊流积分尺度分布是随着与格栅距离的缩小而呈线性减小,在格栅附近达到最小值。当格栅振动幅度一定时,研究区域的均方根流速随着格栅振动频率加大而线性增加。(3)结合实验数据与反应器气-液传质相关模拟参数,分析紊流脉动的作用。紊流脉动能够延长氧气在水体停留时间、提高了氧传质效率。增大紊流脉动可有效提高反应器内的气含率和氧转移系数,促进气液两相进行高效传质,为微生物提供良好生存环境。紊流脉动虽能加强微生物营养成分的传质、促进生物膜生长,但雷诺应力对微生物有剪切破坏作用,会使生物膜变薄加密。综合对比,本反应器中紊流强度q=3.4～4.8cm/s时,气液混合良好、污染物去除效率较高。(4)建立了二维生物膜多孔介质渗流模型,以紊流强度q=1.46cm/s、2.11cm/s、2.79cm/s、3.33cm/s和3.90cm/s为边界条件,模拟生物膜表面液相及生物膜内部的传质过程。模拟出的流速云图与污染物浓度云图显示紊流强度的变化对流速的影响呈边界效应递减现象。当紊流强度增大时,生物膜表层内流速分布、污染物浓度梯度分布与膜厚度近似线性关系,说明表层厚度0.6mm内对流传质起主导作用。而各工况下生物膜底层0.15mm内流速均小于0.1cm/s,流速梯度仅为表层流速梯度的20%,说明生物膜底层以扩散传质为主,污染浓度为主要推动力。

关键词：振动格栅紊流脉动生物膜多孔介质渗流模型

紊流脉动和孔隙率不确定性对多孔生物膜传质的影响

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紊流脉动和孔隙率不确定性对多孔生物膜传质的影响

作者：黄颢哲重庆大学

学位级别：硕士

生物膜内底物的质量传输是决定生物膜法污水处理性能的关键因素,因为传质通常被认为是底物消耗的速率限制过程。水动力条件和生物膜结构对传质规律和机制的影响至关重要。污水处理的水动力环境基本上为紊流,自然界和工程中大多数紊流都... 详细信息

生物膜内底物的质量传输是决定生物膜法污水处理性能的关键因素,因为传质通常被认为是底物消耗的速率限制过程。水动力条件和生物膜结构对传质规律和机制的影响至关重要。污水处理的水动力环境基本上为紊流,自然界和工程中大多数紊流都具有时均速度和脉动速度,这两者相互影响、相互耦合,难以区分各自的效果。目前为止,几乎所有关于紊流对生物膜传质影响的研究尽管表面上聚焦于某个时均参数或脉动参数,但实际结果均来自二者的耦合效应。关于紊流脉动的单独作用对生物膜传质的报道并不多见,因此,如何生成代表紊流脉动单独作用的流场条件是该研究的一个难点。再者,目前对于生物膜传质模型的建立和求解均基于确定性分析。视生物膜为多孔介质模型,多孔介质的孔隙率实际上具有很强的随机变异性,这种不确定性在数值计算的控制方程中传播亦会引发流动与传质的随机性。蒙特卡罗方法在固体力学、流体流动和换热不确定性问题上的应用已经在国内外发展数年,而该方法还未应用于多孔介质区域内对紊流流动方程和污染物质量传输方程的共同求解。通过该研究不仅可以探究多孔生物膜物理特性参数的变异性对于传质过程的影响,亦可拓展蒙特卡罗方法在生物膜理论模型领域的可行性。为此,本文主要研究内容及成果如下:(1)构建自设计的振动格栅生物膜反应装置,通过实验室规模的粒子图像测速技术和计算流体动力学的数值模拟相结合的方法,探究了时均流速、脉动均方根流速和雷诺切应力在流场的分布,证明自设计的振动格栅反应器所生成的振动格栅紊流为近似各向同性的紊流,可用于单独脉动作用的研究。同时,确定了不同振动频率下相对应的紊流强度,为后续模拟提供有效的边界条件。(2)为探究紊流脉动对生物膜内传质的影响,通过对多孔生物膜内“对流-扩散-反应”传质方程和紊流流动模型的共同数值求解,分析所得各工况下流速场和浓度场的分布规律。研究表明,随着紊流强度的增大,流速场的分层越显著,平均流速梯度增大,脉动作用的增强对膜内对流传质有积极影响的效果。随着紊流强度的增大,浓度场的下降趋势更明显。表层下降趋势更陡峭,去除速率更快,而底层去除率先达到稳定值不再降解。同时,总的污染物去除率也随紊流强度的增大而增至最大值88.52%。紊流脉动对扩散传质虽有增强的效果,但主要贡献于对流传质作用。(3)在确定紊流脉动条件下,分别数值求解不同初始污染物浓度、膜厚度、密度和孔隙率工况内流动与传质模型。研究表明,底物浓度的增加使污染物的去除率降低,0.250 kg·m的低浓度工况下污染物去除率高达92.68%;生物膜厚度为800μm时达到最高的污染物去除率90.17%和最高浓度梯度,随着膜厚度的降低,较薄层的生物膜内污染物降解曲线变化趋势变得平缓,整体的去除率也降低;以反应动力学为主导因素所影响底物消耗的低密度范围内随着密度的增加扩散传输效应也相应增强,污染物去除效率在密度为30 kg·m的生物膜内达到91.37%;较低的孔隙率对质量传输和反应速率呈现积极作用,0.75孔隙率的生物膜内扩散效应和污染物去除效果较为理想。(4)通过对孔隙率的Karhunen-Loeve展开和基于Latin超立方抽样法实现孔隙率的随机输入场,结合计算流体动力学的数值求解流程,对随机输出场进行统计分析。研究表明,随机多孔生物膜内输出的随机场与孔隙率确定性分析的结果存在一定的偏差。渗流流速的分布偏差主要存在于多孔生物膜表层,污染物的浓度场分布偏差在多孔生物膜的底层较为活跃。不确定性在计算的求解传播中,对流作用的贡献较大,扩散传质效果的变化越显著对于不确定性传播的抵抗作用有所减弱。

关键词：生物膜传质紊流脉动孔隙率蒙特卡罗方法

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气流紊流脉动对气动喷嘴雾化影响的实验研究

燃气涡轮试验与研究 1996年第3期9卷 10-13页

作者：邹正平黄学民王洪铭北京航空航天大学

对气动喷嘴下游雾场及脉动速度场进行了实验研究。实验中,采用一组结构大致相同但具有不同气流脉动强度的气动喷嘴作为试件,利用PDA（粒子动态分析仪）等测试仪器对试件出口后的两相流场进行了测量。结果表明强化气流紊流脉动对气动喷... 详细信息

对气动喷嘴下游雾场及脉动速度场进行了实验研究。实验中,采用一组结构大致相同但具有不同气流脉动强度的气动喷嘴作为试件,利用PDA（粒子动态分析仪）等测试仪器对试件出口后的两相流场进行了测量。结果表明强化气流紊流脉动对气动喷嘴的雾化有好处,使其雾化颗粒直径变小。

关键词：气动喷嘴紊流脉动雾化液体燃料气流脉动强度实验研究

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振动格栅反应器处理污水的效果研究

重庆工商大学学报（自然科学版） 2017年第4期34卷 84-88页

作者：龙天渝杜梦楠重庆大学城市建设与环境工程学院重庆400045

为研究反应器内紊流脉动的水力环境对污水处理效果的影响,探讨反应器内的填料在振动条件下对污水传质效果的影响,试验采用自行设计、改进的振动格栅反应器对处理出水指标进行检测,经过一系列对比试验,结果表明:在水温环境为26℃、合适... 详细信息

为研究反应器内紊流脉动的水力环境对污水处理效果的影响,探讨反应器内的填料在振动条件下对污水传质效果的影响,试验采用自行设计、改进的振动格栅反应器对处理出水指标进行检测,经过一系列对比试验,结果表明:在水温环境为26℃、合适溶解氧值的试验条件下,反应器达到最优处理效率的最佳振动周期为4 s,COD、TN和TP的去除效率分别可达72.9%、82.7%和54.55%。

关键词：紊流脉动振动格栅振动周期传质