雙室生物電化學(xué)系統(tǒng)的水動力學(xué)研究.pdf

1、在廢水處理領(lǐng)域，生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)作為一種新型技術(shù)受到廣泛關(guān)注。BES的基本原理是微生物作為催化劑，將廢水中有機物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此BES具有處理廢水和回收能源雙重效果的突出優(yōu)勢。眾所周知，水動力學(xué)是廢水處理反應(yīng)器運行性能的重要影響因素，而目前關(guān)于BES水動力學(xué)特性方面的研究較為缺乏?？紤]水動力學(xué)影響B(tài)ES反應(yīng)器產(chǎn)電性能的機理比較復(fù)雜，通過數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的思路更有助于理解水動力學(xué)調(diào)控反應(yīng)器產(chǎn)電性能的影響機制。本文主

2、要運用停留時間分布（RTD）技術(shù)與計算流體力學(xué)(CFD)模擬相結(jié)合的方法來研究典型雙室BES陽極室和陰極室的水動力學(xué)。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極室水力學(xué)特性的研究。設(shè)置四個不同水力停留時間(HRT)，進行示蹤實驗來獲取RTD曲線，然后對RTD數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)定量分析，再結(jié)合RTD曲線特征的定性分析，從而判斷反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)。研究結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)部存在大量死區(qū)，反應(yīng)器水動力學(xué)條件不佳;進一步分析，HRT越小

3、，相應(yīng)的反應(yīng)器死區(qū)越小，即水動力學(xué)條件越好。運用CFD模擬反應(yīng)器內(nèi)部的流場分布，通過對流場的可視化來判斷反應(yīng)器死區(qū)主要集中在遠離進出口的拐角區(qū)域。然后通過加回流裝置和加擋板兩種方法來改善流態(tài)，結(jié)合相同的RTD實驗分析和CFD模擬，可以得出這兩種方法能夠很好地改善反應(yīng)器流態(tài)，減小反應(yīng)器死區(qū)。最后，通過BES反應(yīng)器產(chǎn)電實驗進行驗證，得出水動力學(xué)條件越好，相應(yīng)的產(chǎn)電性能越高。同樣地，加回流裝置和加擋板兩種方法也確實可以提高反應(yīng)器產(chǎn)電性能。

4、r>　　2.生物電化學(xué)反應(yīng)器陰極室水力學(xué)特性的研究。陰極室的水動力學(xué)通過影響電極周圍的流場分布，進而影響電極附近的氧氣傳質(zhì)-反應(yīng)過程。運用CFD中的氣液兩相流模型對不同曝氣條件下陰極室的水動力學(xué)進行模擬，采用歐拉-歐拉算法體系，穩(wěn)態(tài)模擬獲得氣液流場分布和空氣體積分?jǐn)?shù)分布。主要從曝氣強度、電極（碳紙）的相對空間位置、氣泡尺寸、曝氣裝置個數(shù)等四個方面探究不同操作因素對水動力學(xué)的影響機制，同時考慮對陰極室陽離子交換膜氧氣擴散通量的影響，得出各