曝气池中混合液的紊动力学特性与氧传质机理研究

Based on the turbulence theory, multiphase flow theory, mass transfer diffusion theory, biological reaction kinetics theory,and the advanced testing technology, the three-phase gas-liquid-solid turbulent dynamic properties and oxygen transfer characteristics in an aeration tank, will be studied by numerical simulation and experimental methods. Considering the curvature effects of streamlines, the turbulence anisotropic effects and the particle phase(activated sludge)effects, the turbulence model of three-phase gas-liquid-solid mixture in an aeration tank will be established by using the three-dimensional time-averaged N-S equations, Reynolds-stress model and the Level-Set model. Considering the turbulent kinetic and biochemical characteristics of gas-liquid-solid interface of mixture in aeration tanks, the hydraulic and biological fields are coupled, and the relationship depending upon the turbulence gas-liquid-solid interface ,renewing rate, the energy dissipation coefficient , the rate of degradation of pollutants,and the oxygen mass transfer coefficient KLa will be obtained, and the mathematical model of oxygen transport will be established, and the oxygen mass transfer based on unsteady diffusion will be studied; The three-phase gas-liquid-solid turbulent dynamic properties and oxygen transfer characteristics in an aeration tank will be also experimentally studied by using the advanced testing technology ,such as Particle analyzer，Laser velocimeter, Particle image velocimetry , and Breathing metering device. These research results can provide scientific theoretical guidance for the high operating efficiency, optimization of designing, energy saving and emission reduction of an aeration tank system.

基于紊流理论、多相流理论、物质迁移扩散理论、生物反应动力学理论和先进测试技术，通过数值模拟和试验研究相结合的方法，对污水处理核心构筑物---曝气池中气液固三相混合液的紊动力学特性和氧传质机理进行研究。即：考虑曝气池中混合液流线曲率效应、紊流各向异性效应以及颗粒相（活性污泥）的影响，在三维时均N-S方程、雷诺应力模型和Level Set模型基础上，建立曝气池中气液固三相混合液紊动力学模型；考虑曝气池中气液固界面的紊动和生化特性，将水力场与生物场耦合，建立非恒定紊流气液固界面更新率、能量散失系数、污染物降解率与氧传质系数KLa的关系和氧输移数学模型，探讨非稳定扩散基础上氧传质过程；采用颗粒分析仪、激光测速仪、图像测速仪、多参数水质分析仪、呼吸计量装置等先进测试技术对曝气池混合液紊动力学特性和氧传质过程进行中试研究，获得相关特性参数，为曝气池系统的高效运行、优化设计和节能减排提供科学的理论依据。

通过数值模拟和试验研究相结合的方法，对曝气池中气液固三相混合液的紊动力学特性和氧传质机理进行研究。即：考虑曝气池中混合液流线曲率效应、紊流各向异性效应以及颗粒相（活性污泥）的影响，建立曝气池中气液固三相混合液紊动力学模型；将水力场与生物场耦合，探讨非稳定扩散基础上氧传质过程；对曝气池混合液紊动力学特性和氧传质过程进行中试研究，获得相关特性参数，为曝气池系统的高效运行、优化设计和节能减排提供科学的理论依据。.对曝气池内气液混合液两相流力学特性的数值模拟:采用欧拉-欧拉多相流模型对曝气池内气液两相流力学特性进行数值。对中心截面在测线上垂向速度的模拟值与实验值进行比较分析，吻合较好。当表观气速较小时，进口气速对曝气池上方混合液的垂向速度影响较小; 当表观气速较大时，整个曝气池中心截面呈现中心垂向速度大，靠近两侧边壁的垂向速度小，且为负值的规律。并且发现气泡在上升的过程中由于附壁效应容易产生摆动，表观气速越大，附壁效应越明显。对曝气池曝气管布置方式对流速分布影响的数值模拟研究:采用欧拉-欧拉多相流模型对一典型的推流式曝气池进行了模拟，通过分析曝气管分别布置在曝气池一侧和曝气池中间时池内的流速分布规律，比较各特征断面的流速不均匀系数和气液两相之间的速度差，发现当曝气管布置在一侧时池内流速更加均匀，气液两相之间的速度差值更小，有利于曝气池内气液两相的稳定混掺；通过分析比较不同时刻曝气管中心纵向断面的气相体积分数分布图，得出当曝气管布置在一侧时气相体积分数分布均匀。流场结构与气相体积分数分布规律皆有利于气液两相之间发生氧传质，从而提高氧气利用率，并减少能耗。对倒伞形表面曝气搅拌槽内气液两相流的模拟:在搅拌器内对单个表面曝气装置加以 5.23 rad/s 的角速度旋转的气液两相混合液的水力特性进行计算，旨在分析和研究该表面曝气搅拌槽内的总体和局部含气率的分布特征以及流场特性。