SUFR反应器流型分析及导流参数对其脱氮除磷效果的影响研究

发布时间：2020-06-01 03:51

【摘要】： 论文对螺旋升流式反应器系统(The spiral up flow reactor,简称SUFR)反应器的流动模型进行分析,并就导流参数对该系统脱氮除磷的影响进行了研究。SUFR系统是本课题组所研发的一项国家发明专利技术(发明专利号:ZL 031 17335.7),该系统由多层导流叶片构成厌氧、缺氧及好氧螺旋升流式反应器,内部流场较为复杂。论文利用CFD软件Phoenics对SUFR反应器流场进行了模拟,并根据模拟结果计算推流流型容积利用率。在此基础上,论文分别以系统中的厌氧、缺氧及好氧反应器为研究对象,就导流参数对系统脱氮除磷效果以及流型等的影响进行分析与探讨。论文的主要成果简述如下: ①利用停留时间分布函数(RTD)对一定导流参数设置的单个SUFR反应器进行清水流型试验,试验及计算结果说明SUFR单元反应器兼有推流与完全混合流的特点。利用Phoenics技术对该反应器进行流场的数值模拟,建立了与反应器实际较为吻合的组合流动模型。结果表明: SUFR反应器内的流体主要以螺旋方式行进,SUFR反应器流动模型为推流单元反应器与完全混合流单元反应器串联而成,其中推流单元反应器与全混流反应器间隔排列;具有一定导流参数设置的SUFR反应器的推流流型容积利用率为63%。 ②论文采用灰关联熵分析方法就导流参数与SUFR系统脱氮除磷效果的影响进行了相关性分析,研究结果表明:在SUFR系统的各个反应区,导流转速、导流叶片的倾角、d/D值以及导流叶片串联层数的熵关联度值几乎都在0.98以上,其中导流转速的熵关联度值较高。 ③论文就导流参数对系统各反应区脱氮除磷的影响进行试验研究,提出了系统取得较好的氮磷去除效果所需的各个反应区设计导流参数。在试验进水水质条件下,不同导流参数时的SUFR系统运行结果表明: 1)对于厌氧区,当导流参数设计为:导流转速N=30rpm、d/D=0.8、导流叶片的倾角α=150°以及导流叶片的串联层数n=2时,厌氧释磷效果较好;在此基础上,当导流叶片转速增加、导流叶片的串联层数增加、d/D值减少以及导流叶片倾角增加到180°时,厌氧释磷效果会出现不同程度的下降。 2)对于缺氧区,当导流参数设计为:N=90rpm、d/D=0.3、α=180°以及n=4时,缺氧区脱氮效果较好;在此基础上,当导流叶片转速减少、导流叶片的串联层数减少、d/D值增加以及导流叶片倾角变化到150°时,脱氮效率降低。 3)对于好氧区,当导流参数设计为:N=20rpm、d/D=0.8、α=150°以及n=2时,好氧区硝化及吸磷效果较好;在此基础上,当导流叶片转速增加、导流叶片的串联层数增加、d/D值减少以及导流叶片倾角增加到180°时,氨氮及磷酸盐的去除率减少。 ④论文研究了导流参数变化对系统有机物及氮磷降解动力学参数的影响,结果表明: 1)在厌氧区,以HAc为碳源的厌氧释磷试验表明,当N从30rpm增加到90rpm、n从2增加到4、d/D值从0.8减少到0.3以及α从150°变化为180°时,最大COD比吸收速率q max值变化范围为1.6～2.7 mgCOD/gVSS·min,饱和常数KA值变化范围为0.85～13 mgCOD/L。 2)在缺氧区,在上述导流参数变化的情况下,硝酸盐氮最大比还原速率q反ma硝x化变化范围为0.23～0.75mg NO3 ?-N /gVSS·min,而对应有机物的饱和常数K s变化范围为3.55～87mg/L,在缺氧区导流参数变化对K s值影响较大。 3)在好氧区,当N从20rpm增加到77rpm、n从2增加到4、d/D值从0.8减少到0.3以及α从150°变化为180°时,氨氮最大比吸收速率q硝ma化x变化范围为0.031～0.11 mg NH 4+ ?N/gVSS·min,两者相差3.5倍多,对应于氨氮的饱和常数K NH4变化范围为14～18.7mg/L;磷酸盐最大比吸收速率q吸ma磷x变化范围为0.17～0.22mg PO 43?-P /gVSS·min,对应于磷酸盐的饱和常数K p变化范围为0.4～27 mg/L。 ⑤试验结果表明,SUFR反应器设计导流参数的变化导致系统流型及流体速度梯度的变化,进而影响处理效果,其中流型的变化是处理效果变化的主要原因。当N从30rpm增加到90rpm、n从2增加到4、d/D值从0.8减少到0.3以及α从150°变化为180°时,SUFR反应器推流效果减弱。在实际运行中,应根据原水水质和处理要求调整设计导流参数。
【图文】：

单元反应器,导流叶片,流程,示意图

( )N1!dθ 2θσ ( )N1edθ1(N1)!NθθEθdθ1Nθ0NN102 = = = ∞+∞∫ ∫（2.13）由上式可见，当 N＝1 时，2θσ = 1，，为连续理想全混反应器（CSTR）；当 N→∞时，2θσ →0，为推流反应器（PFR）。2.1.2 试验装置与试验方法① 试验装置考虑到 SUFR 系统内厌氧、缺氧以及好氧反应器的构造相似，本文将对系统中的单个反应器进行流型分析。试验装置如图 2.6 所示。其中 SUFR 反应器高 H =200cm ,直径 D = 20 cm, 有效水深 h = 160 cm, 深径比 h/ D = 8。容积 V = 45 L 。反应器内导流叶片转速为 30rpm（转速由上海三振机电设备有限公司生产的 74ND06交流可逆电机控制）, d/D（导流叶片直径 d 与反应器直径 D 的比值）值为 0.8，导流叶片的串联层数为 4，导流叶片的倾角为 150°（叶片的倾角为叶片折起部分的曲面与未折起部分的平面之间的夹角，夹角为 150 度时的叶片具有一定的轴向上推动作用）。采用清水试验,流量 Q = 40 L/ h ,由底部进水,上部出水,形成上升流,理想平均停留时间 1. 125h。

程序流程图,程序流程图,流动模拟

SATELLITE（预处理模块）：作为 PHOENICS 的前处理程序，主要功用户关于某一特殊流动模拟的指令翻译成 EARTH 能够懂的语言，通过数据信息传送给 EARTH。SATELLITE 含有子程序 SATLIT，由 FORTRAN 语供那些用 FORTRAN 语言编写输入文件的用户使用。使用 PHOENICS 进行拟，需用户自己确定模型和公式，描述流动模拟的语句可以通过在快速输Q1 文件中使用 PHOENICS 输入语言 PIL 语句编写，或者在 SATLIT 和 G中使用 FORTRAN 语句编写。用户也可自己编写子程序，这些子程序由 SGROUND 调用。SATELLITE 可用多种方式接受数据，新版 PHOENICS 有处理方式：VR（虚拟现实）窗口（VR EDITOR）、菜单、命令、Fortran 程EARTH（主处理模块）：包含了主要的流动模拟程序，是软件真正进行部分，它需要用户在 SATELLITE 中对程序发出指令。EARTH 包含一个随图 2.6 PHOENICS 程序流程图Fig. 2.6 Flow chart of PHOENICS program
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703.3

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