气升式反应器的结构优化模拟与废水生物脱氮功能的适应

Successful operation of simultaneous nitrification and denitrification biological nitrogen removal reactor is based on the characteristics of sludge particles and proper distribution of dissolved oxygen. The difference for the success of bench scale reactor with the field scale reactor is so essential to be solved by simulation of the fluid, which can avoid the consumption of materials and time for scaling up of the reactor. Because the airlift reactor has some advantages, such as simple structure, low energy requirement, gentle shear and little footprint, it has attracted great attentions in the field of wastewater treatment. However, up to date, there is no valid method which can relate the structure and operation parameters of airlift reactor with basic characteristics of the fluid flow, which includes retension time distribution, phase volume distribution, phase velocity distribution and mass transfer coefficient. There is also no method to acquire the principles for scaling up of the reactor. The computational fluid dynamics (CFD) method is employed in this project to achieve the simulation of parameters in the processes of flow and mass transfer in reactors. The data aquired from the experimental measurements is used to verify and modify the CFD models. Structure and operation method of airlift reactors with functional partitions are rasied up. CFD models are used to direct the design and parameters optimzation for ALR with simultaneous nitrification and denitrification (SND) ability. The destination is to achieve the harmony of reactor characteristics and SND process. Coking wastewater and landfill leachate with high ammonia concentration are selected as reseach objects to investigate the SND process guided by simulation results and to illustrate the mechanisms of the process.

同步硝化反硝化脱氮反应器的成功运行是基于污泥颗粒特性与溶解氧的合理分布，实验室阶段反应器的成功与放大后的生产规模之间的差距非常需要通过流体模拟解决，以避免逐级放大带来的耗材与耗时。气升式反应器(ALR)由于结构简单、能耗低、剪切柔和及占地面积小等优点而在废水处理领域备受关注。但目前缺乏有效关联ALR结构参数、工艺参数与流动基本特性参数，包括停留时间分布、相体积分布、相速度分布、传质系数等关系的模式，无法实现反应器的规律放大。本项目采用计算流体力学(CFD)方法实现对反应器流动和传质过程参数的模拟，并用实验测量的数据校验和修正CFD模型；提出具有功能划分的ALR反应器的结构及操作模式，利用CFD模型指导同步硝化反硝化（SND）功能性ALR的设计与参数优化，实现反应器特性与SND过程特性的适配；选用含高氨氮浓度焦化废水和垃圾渗滤液作为研究对象，探索基于模拟结果引导的SND过程，阐明过程机理。

气升式反应器作为一种多相气液接触反应设备，具有占地小、混合与传质效率高、维护管理方便、比能耗低等一系列优点，目前正被广泛应用于生物、化工、环保、冶金等多种工程领域。但是，由于多相流自身固有的复杂性，当前该反应器的设计和放大还主要依赖于经验，尤其对基于特定应用目标的反应器，还缺乏具有特殊针对性和指导性的设计方法。 尽管国内外关于气升式反应器也开展了不少相关的研究，但目前该领域研究工作还处于数据累积阶段，相关研究结果具有较强的实验条件局限性，系统性和广泛可应用性的相关研究还比较缺乏。本项目主要研究内容包括四个主要方面：（1）不同结构及运行参数组合条件下，反应器流动实验平台的构建与流体力学及传质性能实验研究；（2）不同结构及运行参数组合条件下，反应器流动及传质过程的CFD数值模拟研究及子模型选择优化；（3）基于应用目标或适应性的气升式反应器结构及运行参数设计与优化；（4）利用气升式反应器实现活性污泥法生物脱氮的可行性分析及过程机理探讨。主要研究结果包括：（1）通过实验测定与分析，建立了气升式反应器关键性结构和运行参数对流动与传质过程影响的定量关联；（2）针对气升式反应器多相复杂流动特征，建立了具有特定适用性的CFD数值模拟技术和方法，并以该方法为基础在更广泛的结构和运行参数条件范围内对反应器结构与效率之间的关系进行了更为精细的表达；（3）建立了基于废水生物处理目标的反应器结构和运行参数的适用性范围，并重点分析了底隙十字挡板和顶部漏斗型导流挡板两种结构优化设计方案对反应器流动与传质过程的影响；（4）建立了具有生物脱氮适用性的气升式反应器，通过实际废水处理实验成功在单个反应器中实现了生物脱氮，并通过条件控制实验和理论模型阐明了生物脱氮过程发生的具体机制。本项目的研究结果对反应器的精确设计和放大具有一定的指导意义，同时为气升式反应器拓展了生物脱氮应用的潜力。