基于CFD的人工曝氣生態(tài)凈化系統(tǒng)數(shù)值模擬與分析.pdf

1、近些年鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展迅速、城鄉(xiāng)人口不斷聚集，使得水環(huán)境和水生生態(tài)系統(tǒng)遭到了一定程度的破壞，污水產(chǎn)生量也隨之不斷增加。水污染嚴(yán)重是我國(guó)目前實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展利用水資源的難題之一。因此，為保護(hù)水資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，如何有效治理廢水污染是亟待解決的問(wèn)題關(guān)鍵所在。
　　目前，我國(guó)用于解決水體污染的各種治理方法層出不窮。例如被廣泛采用的人工濕地系統(tǒng)處理工藝，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，雖然該技術(shù)目前已經(jīng)獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但是在實(shí)際

2、工程項(xiàng)目中，該技術(shù)還存在很多問(wèn)題，如占地面積大、易受水力負(fù)荷及布水方式影響、易產(chǎn)生堵塞飽和等。
　　因而，本研究針對(duì)目前人工濕地存在的主要問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際情況，將曝氣工程與人工濕地進(jìn)行組合，適當(dāng)改進(jìn)，構(gòu)建了人工曝氣生態(tài)凈化系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，針對(duì)嘉興石臼漾水廠水源生態(tài)濕地示范工程中的義莊河河道人工生態(tài)微孔曝氣工程的特性，首次嘗試?yán)没谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬與分析。
　　通過(guò)對(duì)液固兩相混合物湍流模

3、型與活性污泥2號(hào)模型的分析與耦合，建立了河道液-固兩相湍流反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)各污染物進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)河道內(nèi)水質(zhì)濃度場(chǎng)分布的模擬與研究，并結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性;同時(shí)還針對(duì)該人工生態(tài)曝氣工程探討了曝氣器外圍速度場(chǎng)的演變過(guò)程及其基于多相流的曝氣過(guò)程，結(jié)合速度矢量圖，氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖等綜合考慮溶解氧濃度對(duì)系統(tǒng)的影響，為進(jìn)一步確定該系統(tǒng)優(yōu)化方向及最佳工藝參數(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，取得了如下主要成果:
　　(1)針對(duì)目前

4、人工濕地存在的主要問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際情況，以嘉興市石臼漾水源生態(tài)濕地工藝項(xiàng)目為依托，將義莊河道曝氣工程與人工濕地進(jìn)行組合，適當(dāng)改進(jìn)，構(gòu)建了人工曝氣生態(tài)凈化系統(tǒng)，并對(duì)其構(gòu)造、凈化機(jī)理及水力學(xué)特性進(jìn)行了分析。
　　(2)對(duì)嘉興石臼漾水廠水源生態(tài)濕地示范工程中義莊人工曝氣生態(tài)凈化系統(tǒng)的安裝背景資料作了簡(jiǎn)要概述，將該工程曝氣模型進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化。
　　(3)通過(guò)對(duì)液固兩相混合物湍流模型與ASM2模型的分析與耦合，建立河道液-固兩相湍流

5、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，找出Fluent中各源項(xiàng)的共同點(diǎn)，即為各組分的實(shí)際反應(yīng)速率與Fluent中的各源項(xiàng)可以相互轉(zhuǎn)換，對(duì)各污染物進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)河道內(nèi)水質(zhì)濃度場(chǎng)分布的模擬與研究，同時(shí)結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型。雖然模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果在相比之下存在一定的偏差，但該模型的模擬結(jié)果基本能反映出水質(zhì)濃度隨時(shí)空變化的總體特征，也可將模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化研究。
　　(4)通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)進(jìn)水條件下水質(zhì)的模擬，可知河道內(nèi)有良好的好氧和缺氧交替環(huán)境，硝化和反硝化進(jìn)

6、行順利，其中氨氮、總磷水質(zhì)提高了一個(gè)類別，總氮的去除效果明顯，但由于其進(jìn)水絕對(duì)數(shù)值太高，未能達(dá)到提高一個(gè)類別的目標(biāo)，同時(shí)也說(shuō)明了工程河道現(xiàn)有運(yùn)行狀態(tài)良好，具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，本模型模擬出的各指標(biāo)模擬值均高于實(shí)測(cè)值，相對(duì)誤差除氨氮以外，其余指標(biāo)的相對(duì)均控制在10％以內(nèi);通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)進(jìn)水條件下水質(zhì)的模擬，得出了同一橫斷面上各點(diǎn)濃度平均值隨時(shí)間變化的分布結(jié)果和不同位置處水質(zhì)濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)照?qǐng)D，可以看出模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本吻合

7、，各污染物水質(zhì)濃度在時(shí)間上和空間上的分布及變化趨勢(shì)基本一致，但仍存在一定的偏差，在靠近曝氣管道的區(qū)域，COD、總磷及氨氮的濃度都有較為明顯的下降，然而總氮濃度的下降趨勢(shì)并不明顯，從污染物的垂直分布特征來(lái)看，在該曝氣區(qū)域內(nèi)河道污染物在深度0-50cm之間濃度普遍較高，表層以下濃度逐漸下降，50-100cm間污染物濃度下降幅度較大，隨后濃度波動(dòng)較小。
　　(5)采用與耦合模型相同的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方案，探索液氣兩相流模型應(yīng)用于該系統(tǒng)的模擬

8、結(jié)果，在GAMBIT和FLUENT的軟件平臺(tái)上建立了液氣兩相流模型，通過(guò)分析系統(tǒng)內(nèi)部不同截面的壓力場(chǎng)，速度場(chǎng)，氣相體積分布的變化，反映了在該人工生態(tài)曝氣工程的運(yùn)行情況下對(duì)水體流場(chǎng)引起的變化，與第三章水質(zhì)濃度凈化結(jié)果對(duì)比可知，在靠近曝氣管道的區(qū)域，水體的流動(dòng)更為劇烈，壓力變化更為明顯，氣相體積分?jǐn)?shù)更高，污染物濃度有較為明顯的下降，得出若需提高曝氣充氧效果，提升系統(tǒng)凈化效率，應(yīng)當(dāng)布置合理的曝氣管道結(jié)構(gòu)，盡可能多的增加水體的流動(dòng)，這為進(jìn)一步探