曝气池内水力特性及氧转移效率的试验和数值模拟研究

曝气池为污水生化处理工艺中最重要的构筑物之一，其运行状态及池中氧转移效率的高低直接影响到最终处理效果，并与运行成本直接相关。根据对现有国内外污水厂曝气池运行状况的调查，池中较普遍存在气泡时空分布不均的现象，导致氧转移在曝气池中的分布差异，从而影响处理效果和运行成本。本研究拟通过对曝气池机理模型中在不同曝气条件下气泡云团时空分布、气泡尺寸、气泡速度及其与水流速度、水温等因素关系的测量，探明曝气池中气泡与曝气方式及水流的相互作用机制；通过在机理模型中对不同气泡运动特征条件下总溶解气体及溶氧分布的测量，建立起总溶解气体、溶氧与气泡运动特征、水流特性等相关参数的关系；通过对实际曝气池中总溶解气体分布、溶氧分布及水流状态的测量，补充室内模型试验数据；根据获取的第一手数据，建立并验证可以模拟水流和气泡及总溶解气体/溶氧分布的数学模型；分析实测数据与数值模拟结果，提出改善曝气效率的关键问题及解决方案。

曝气池为污水生化处理工艺中最重要的构筑物之一，其运行状态及池中氧转移效率的高低直接影响运行成本。本项研究采用针式掺气浓度仪测量了不同通气量下气含率的分布和气泡上升速度，发现气含率分布为对称三角形分布形式，不同于常见的气泡羽流气含率的高斯曲线分布，气泡上升速度随通气量的增加而增大。辅以数字图像处理技术得到了气泡等效直径的分布规律。利用PIV测速系统测量了气泡羽流外围的水流速度，得到了平均流速和瞬时流速的特点。采用溶氧仪测得了典型曝气池内氧转移系数KLa的分布特点。研究了曝气器布置方式、水深和通气量对氧转移效率的影响。采用欧拉－拉格朗日方法建立了曝气池内气泡羽流的水气两相流数学模型，其中水流计算采用大涡模拟，气泡运动轨迹通过求解气泡受力平衡方程来计算，通过相间作用力的相互交换实现水相与气相的耦合计算。并对数学模型进行了验证。研究了气泡直径分布的设定对计算结果的影响。在已建立的气泡羽流数学模型基础上加入描述溶解氧生成和扩散的控制方程来计算氧转移过程，采用了双重时间尺度方法解决了计算时间过长的问题。得到氧浓度的变化过程和由此计算的KLa值均与实验结果吻合较好。气泡中氧气转移到水体中所需时间远大于水中溶解氧扩散到其它位置所需的时间，溶解氧的扩散过程主要受水流对流运动控制。在设计曝气池时应考虑加大水体对流以加快溶氧扩散，提高曝气效率。