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EGSB反应器处理低浓度挥发酸废水cfd-生化反应耦合模型及模拟研究

EGSB反应器处理低浓度挥发酸废水CFD-生化反应耦合模型及模拟研究

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作者：杨艳清重庆大学

学位级别：硕士

膨胀颗粒污泥床（Expanded Granular Sludge Bed,EGSB）反应器作为一种高效厌氧反应器具有很高的推广价值和广阔的应用前景。EGSB反应器中,传质过程会影响反应器的去除效果。然而,目前关于EGSB反应器数值模拟的研究中,鲜有计算流体力学... 详细信息

膨胀颗粒污泥床（Expanded Granular Sludge Bed,EGSB）反应器作为一种高效厌氧反应器具有很高的推广价值和广阔的应用前景。EGSB反应器中,传质过程会影响反应器的去除效果。然而,目前关于EGSB反应器数值模拟的研究中,鲜有计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,cfd）和生化反应模型两者结合的数值模拟研究。因此,论文在EGSB反应器处理挥发酸（Volatile Fatty Acid,VFA）废水试验研究的基础上,结合计算流体力学和生化动力学,采用COMSOl Multiphysics软件,进行cfd-生化反应耦合模型构建及模拟。利用cfd-生化反应耦合模型对废水处理反应器进行模拟,可以获取反应器内部基质去除规律,为反应器工艺参数的选取、结构的优化设计提供理论指导和技术支持。EGSB反应器处理低浓度挥发酸废水的试验研究表明,常温（20～29℃）条件下,当EGSB反应器进水COD为350～430mg/L,其中乙酸:丙酸:丁酸的COD浓度比例约为2∶1∶1,HRT为2.5h,上升流速为5m/h,COD有机负荷为0.28kg COD/（kg MLVSS·d）时,反应器VFA的去除率达到99%以上,COD去除率介于89.0%3.6%,反应器中小于2.0mm范围的颗粒污泥数量约占总颗粒污泥数量的90%。反应器中主要存在Proteobacteria,candidate division OP9,Anaerolineaceae厌氧产甲烷菌属;Proteiniphilum,Syntrophobacte丙酸降解菌属,Intestinimonas等丁酸降解菌属微生物。试验结果可为反应器cfd-生化反应耦合模型提供参数。传质模型作为耦合cfd与生化反应模型的“桥梁”,既可以引入反应器内部流速分布数据,又能为生化反应数学模型的导入提供接口。以传质方程为核心,通过cfd模拟获取EGSB反应器内部速度分布数据后,导入传质方程,进行cfd-传质耦合模型研究。研究结果表明,所建立的cfd-传质耦合模型良好,能够较好地表征基质在EGSB反应器中的传质过程。模拟结果与实验结果相比,相对误差在6.1%4.2%范围内。根据EGSB反应器试验参数,假设污泥层区为多孔介质反应区,在传质方程中嵌入厌氧消化模型（Anaerobic Didestion Model,ADM）中的乙酸、丙酸和丁酸生化反应速率方程,进行反应器cfd-生化反应耦合模型研究。结果显示,所建立的cfd-传质耦合模型较好地模拟EGSB反应器中乙酸、丙酸和丁酸的降解。所得模拟结果中,乙酸、丙酸、丁酸的最大浓度绝对误差分别为2.2 mg/L,3.2mg/L,1.7 mg/L,反应器污泥层底部15cm区域内VFA去除率达80%,反应器污泥层底部25cm区域内实现了90%VFA去除,底部15cm的区域内乙酸降解速率大于150 mg/（L·d）,甲烷生成速率大于0.20 L/（L·d）。进一步采用cfd-生化反应耦合模型对EGSB反应器不同水力停留时间（HRT）进行模拟,模拟结果表明,常温（25℃）条件下,EGSB反应器处理COD浓度为400mg/L的VFA废水时,当上升流速为5/h,为使反应器VFA去除率达到99%以上,ESBG反应器的HRT不应低于1.75h,反应器器有机负荷不宜超过0.43kg COD/（kg MLVSS·d）。研究表明,借助EGSB反应器cfd-生化反应耦合模型,可以为反应器水力停留时间和有机负荷的优选提供理论指导。

关键词： EGSB VFA cfd-传质耦合模型 cfd-生化反应耦合模型

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