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MBR膜池内气液两相流动和曝气优化研究

MBR膜池内气液两相流动和曝气优化研究

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作者：李永正浙江理工大学

学位级别：硕士

膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor,MBR)是一种新型污水处理装置,可以有效地进行污水的固液分离,曝气系统作为MBR中最重要的部分之一,主要有两大作用:1)对膜组件抽吸过程中表面积聚的污泥进行冲刷,降低膜污染,延长组件使用寿命;2)增加... 详细信息

膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor,MBR)是一种新型污水处理装置,可以有效地进行污水的固液分离,曝气系统作为MBR中最重要的部分之一,主要有两大作用:1)对膜组件抽吸过程中表面积聚的污泥进行冲刷,降低膜污染,延长组件使用寿命;2)增加膜池内溶解氧含量,使活性污泥中的微生物与污染物充分接触,进行有机分解。MBR膜池内部为复杂的多相耦合流动。为深入理解曝气时膜池内的气液两相流动,尤其是气泡对膜组件表面的作用机制,本文利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对膜池内气液两相流进行模拟,研究气泡在近壁区域上升的动力学行为及其对壁面的剪切冲刷机制,对优化曝气工艺、提升曝气效率和降低系统能耗有重要的指导意义。主要工作如下:首先通过可视化实验对膜池内部近壁单个气泡上升行为做机理研究,了解壁面以及近壁流场对气泡上升行为的影响。对三组不同尺寸的气泡在不同初始近壁距离下的上升轨迹与速度做了对比。结果发现,壁面的存在对气泡摆动行为产生了抑制作用,由于近壁流体层对气泡阻力较大,抑制了其摆动速度幅值,并且随着近壁距离减小抑制作用会增强。在无量纲近壁距离(气泡中心近壁距离与其直径的比值)S*=1和S*=2时,直径3mm的气泡平均摆动幅度相较于自由上升分别下降了12.8%和10%。当气泡碰撞壁面时其在水平方向受到的合力突增,同时气泡对壁面产生冲击力,其大小与接触壁面时的水平速度呈正相关。气泡上升轨迹与速度均呈现周期性波动,在朝向壁面运动时,其上升速度逐渐增加,在壁面处达到幅值。其次,研究了二维平面内气泡形态变化对近壁流场的影响,以及近壁气泡的聚并破碎行为对壁面产生的影响。通过数值模拟得出近壁单气泡上升过程发生偏转并且两侧不断有尾涡脱落,3mm气泡脱落的尾涡会在壁面处产生最大0.12m/s的剪切速度,尾涡数量的增加对壁面剪切范围增大。3mm气泡碰撞时聚合作用较强,聚合过程中会加速气泡偏转,使得壁面剪切速度有额外1.5%的提升。气泡在壁面处发生溃灭时会产生指向壁面的高速射流,在0.1MPa环境压力下,随着气泡直径由2mm增大至4mm,最大射流速度由17.6m/s上升至37m/s,近壁边界层对射流速度耗散较大,当近壁距离为0.1倍气泡直径时仅有不到10%的射流速度作用到壁面。在了解单气泡对壁面作用规律后,再拓展至二维连续气泡上升的研究,结果显示:在0.1～0.5m/s的范围内增大曝气速度,壁面中心剪切速度由0.18m/s上升至0.5m/s,壁面平均剪切应力由0.43Pa增至2.6Pa;继续增大曝气速度至1m/s,此时由于上升气流的速度与摆幅增加,壁面剪切速度与剪切应力虽有一定提升,但速度波动剧烈,波动幅度达0.3m/s,并且剪切应力分布不均匀。当壁面存在渗透时,垂直于壁面的法向渗透速度影响了曝气气泡的上升轨迹和速度分布,渗透速度在在10～10m/s内增加时,使得壁面剪切速度从无渗透壁面的0.46m/s降低至0.24m/s,由此可见,从连续性曝气工艺改进为间隔性曝气工艺,不但能极大降低系统能耗,还能提升曝气擦洗效果。最后,本文对某污水处理厂中现有曝气装置进行了建模和仿真,比较了不同曝气流量(速度)下膜片表面含气率、剪切应力、轴向液速(表征流场内部循环速度)、气泡直径等参数。结果表明:曝气速度为26.54m/s时效果最好,气泡群在膜片表面摆动幅度最大,产生流线涡数量多,轴向液速达到饱和速度1.29m/s,有利于提升气液混合效果与壁面剪切作用。之后对膜片间距进行了优化设计,发现膜片间距增大至1.2D时效果最佳,膜片表面平均含气率提升了8%,在三种曝气速度下对膜片间的气泡上升速度提升幅度分别为68%、73%和80.3%,即曝气速度较大时其受膜片间距影响更大。膜片间距增加可以有效提升膜片表面含气率与气泡上升速度,增加对膜表面的清洗效率。

关键词：气液两相流曝气优化 MBR 膜表面擦洗壁面效应

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