PAC-UF系统中流场性对于膜污染的影响研究

发布时间：2017-10-07 00:05

  本文关键词：PAC-UF系统中流场性对于膜污染的影响研究

  更多相关文章： 计算流体力学 粉末活性炭-超滤工艺 膜污染 滤饼层 粗糙度

【摘要】：在膜法饮用水处理技术应用中,由于膜污染的存在,提高了膜运行成本和制水成本,降低了膜的使用寿命,因此有效控制膜污染成为膜法水处理研究领域的重点。本文利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)方法,针对粉末活性炭-超滤(PAC-UF)工艺体系中的工艺条件(搅拌转速)及滤饼层粗糙度对膜污染的影响进行研究,借助CFD技术和吸附、跨膜压差、电镜等实验和测试手段,利用湍流强度、湍流动能、错流速度、速度流线、膜面剪切力、PAC颗粒含量等流场分析指标,对PAC-UF体系内的水力条件和滤饼层粗糙等影响因素进行数值模拟及实验分析。首先,研究不同搅拌转速(60rpm、100rpm、150rpm、200 rpm)条件下反应器内的流场特征。研究结果表明,随着转速的提高,膜污染层的厚度有所降低,会导致膜表面滤饼层厚度的不均匀现象的加剧,膜面滤饼层顶部厚度高于底部,并削弱减缓膜污染的效果;膜过滤工艺中,通过减少反应器中的水力死区、增大反应器中的涡旋流和回流、提高PAC颗粒悬浮程度、降低膜面PAC含量等实验条件,可提高固液两相混合能力和PAC的吸附速率,进而控制膜污染。其次,为验证模拟运算的准确性,匹配模拟参数进行PAC吸附速率及膜过滤实验。实验结果表明,随着搅拌转速的提高,增大了反应器内的流速,提高了PAC吸附中的外扩散过程,从而提高了PAC的吸附速率；PAC对膜面的刮擦效应,提高了膜过滤过程的产水效率,但转速过大会降低减缓膜污染的速率,对模拟运算结果进行了很好的验证。再次,利用实验电镜照片等参数构建模拟模型,研究不同膜面粗糙度(3μm、6μm)条件下滤饼层的外部流场特性。研究结果表明,凹陷结构处的湍流强度、膜面错流速度、膜面剪切力均小于凸起结构处,说明PAC颗粒和有机污染物易于在凹陷结构内部堆积和附着。粗糙度越大的结构,不仅受到的湍流强度和膜面错流速度越大,还能降低颗粒堆积到滤饼层的几率,有利于减缓膜污染；但从膜面剪切力角度分析,凹陷结构处的粗糙度对剪切力影响不大,而凸起结构处粗糙度小的结构受到的剪切力更大,滤饼层表面的颗粒和污染物易被水流带走,从而降低膜污染。反应器模型与工艺实验的吻合程度良好,模型计算结果可靠、可信性强。
【关键词】：计算流体力学 粉末活性炭-超滤工艺 膜污染 滤饼层 粗糙度
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU991.2
【目录】：

• 学位论文的主要创新点3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 膜法饮用水处理工艺10-12
• 1.2.1 膜法饮用水处理技术的应用现状及研究进展10
• 1.2.2 膜污染的形成及控制方法10-11
• 1.2.3 预处理工艺11-12
• 1.3 PAC-UF工艺12-14
• 1.3.1 PAC预处理技术12-13
• 1.3.2 PAC-UF工艺研究进展13-14
• 1.4 膜面粗糙度对膜分离性能的影响14-15
• 1.4.1 膜面粗糙度的表征14
• 1.4.2 膜面粗糙度对膜污染影响的研究现状14-15
• 1.5 计算流体力学在膜污染研究中的应用15-17
• 1.5.1 CFD方法概述15-16
• 1.5.2 CFD在膜污染中的应用16-17
• 1.6 课题的提出及研究内容17-19
• 1.6.1 课题研究目的和意义17
• 1.6.2 课题研究内容17-19
• 第二章 实验材料、装置及分析方法19-25
• 2.1 PAC-UF系统的CFD数值分析模拟19-21
• 2.1.1 CFD三维数值模拟法19-20
• 2.1.2 边界条件的确定及数学模型的建立20-21
• 2.2 PAC-UF系统中膜污染分析方法21-25
• 2.2.1 实验材料与仪器21-23
• 2.2.2 实验装置23
• 2.2.3 实验分析方法23-25
• 第三章 系统水力条件对膜污染影响的数值模拟及实验研究25-45
• 3.1 计算模型的建立与简化25-26
• 3.2 网格划分及边界条件26-27
• 3.2.1 网格划分26
• 3.2.2 边界条件的设置26-27
• 3.3 Fluent求解器参数设置27-31
• 3.4 不同水力条件下反应器流场分析31-40
• 3.4.1 膜丝轴向受力不均匀性影响分析31-34
• 3.4.2 PAC吸附速率影响分析34-37
• 3.4.3 PAC颗粒分布规律分析37-40
• 3.5 工艺实验验证40-42
• 3.5.1 不同水力条件对PAC吸附速率的影响40-41
• 3.5.2 不同水力条件对膜污染速率的影响41-42
• 3.6 本章小结42-45
• 第四章 膜面粗糙度对膜污染影响的数值模拟及实验研究45-59
• 4.1 计算模型的建立与简化45-48
• 4.1.1 模型的实验依据45-47
• 4.1.2 模型的建立与简化47-48
• 4.2 网格划分及边界条件48-49
• 4.2.1 网格划分48-49
• 4.2.2 边界条件设置49
• 4.3 Fluent求解器参数设置49-51
• 4.4 不同膜面粗糙度下膜面流场分析51-58
• 4.4.1 膜面湍流强度分析51-53
• 4.4.2 膜面速度场分析53-56
• 4.4.3 膜面剪切力分析56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 结论与建议59-63
• 5.1 实验及研究结论59-61
• 5.2 研究中的不足与建议61-63
• 参考文献63-69
• 发表论文和参加科研情况69-71
• 致谢71

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本文编号：985757