專利名稱：一種射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術領域，具體涉及一種射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法。

背景技術：
射流曝氣是應用噴嘴技術，使污水經(jīng)過射流器噴嘴，產(chǎn)生快速射流夾帶和分散氣相，將氣-液-固混合液導入污水處理反應器，達到曝氣和攪拌作用。它具有操作簡單、不易堵塞、易于維修、充氧能力較強、氧利用率高等優(yōu)點，因此日益應用于污水處理工藝中。
在污水處理工程中，反應器的結構、尺寸和內(nèi)部流態(tài)影響到基建投資的大小、污水處理的效果等等。目前污水處理反應器的設計，基本上都是依據(jù)設計手冊和相關規(guī)范中的經(jīng)驗參數(shù)和公式進行。這些經(jīng)驗參數(shù)和公式是根據(jù)大量的工程實踐總結得出的，具有使用簡捷、方便等優(yōu)點。但是，依據(jù)經(jīng)驗參數(shù)和公式設計反應器的過程中也存在一些問題，如設計參數(shù)的范圍較寬；參數(shù)選擇的經(jīng)驗性較強；較少考慮到反應器內(nèi)部的流動狀況；一旦參數(shù)的選值略有差異，可能對污水處理反應器的水力混合過程和處理效果造成較大的影響等等。大量的研究和工程實例表明，僅僅根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)和公式設計的污水處理反應器有時并不能保證良好的水力混合狀態(tài)和污水處理效果，更無法實現(xiàn)污水處理反應器的優(yōu)化設計。
在污水處理反應器中，流體是物質(zhì)和能量傳遞的主要載體，反應器的水力特性直接影響反應器的混合過程，制約著反應器的處理效果。因此，從反應器內(nèi)部的流態(tài)優(yōu)化考慮，利用計算流體力學(CFD技術)的方法研究反應器的水力特性，對反應器的設計進行分析，為指導反應器的優(yōu)化設計提供了一條新的途徑和方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法，以達到反應器結構和水力流態(tài)的優(yōu)化設計。
本發(fā)明提出的射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法，是根據(jù)進出水水質(zhì)水量，按照經(jīng)驗設計參數(shù)和公式，計算獲得反應器結構尺寸，選取射流曝氣器，然后用CFD技術模擬反應器內(nèi)部的水力流態(tài)，在流態(tài)優(yōu)化的情況下確定反應器的結構尺寸、射流曝氣器的工作水深、布水器的角度等，從而實現(xiàn)射流曝氣反應器的優(yōu)化設計。具體步驟如下 (1)根據(jù)進出水水質(zhì)水量，按照經(jīng)驗設計參數(shù)和公式，計算獲得反應器的結構尺寸和射流曝氣器的型號；其中 (A)、反應區(qū)的容積V1 V1＝Qt1 Q為進水水量，單位m3/h，t1為反應區(qū)停留時問，單位為h； (B)、沉淀區(qū)的表面積F3和容積V3 V3＝Qt2 Q為進水水量，單位為m3/h，q為沉淀區(qū)表面水力負荷，單位為m3/m2.h，t2為沉淀區(qū)停留時間，單位為h； (C)、反應區(qū)的表面積F1 D1為反應區(qū)直徑，單位為m； (D)、導流區(qū)表面積F2 D2＝D1+2B1 D1為反應區(qū)直徑，單位為m；B1為導流區(qū)寬度，單位為m，D2為導流區(qū)直徑，單位為m； (E)反應器直徑D F1為反應區(qū)表面積，F(xiàn)2為導流區(qū)表面積，F(xiàn)3為沉淀區(qū)表面積； (2)、采用CFD軟件FLUENT進行反應器流態(tài)數(shù)值模擬 根據(jù)步驟(1)得到的反應器結構尺寸，在FLUENT前處理軟件GAMBIT中建立反應器二維幾何模型； 建模結束后，將反應器進行網(wǎng)格化處理，采用非結構式三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小根據(jù)計算精度與計算量平衡決定，并在進水口、出水堰口、射流器進出口等速度梯度較大的位置進行適當?shù)木W(wǎng)格加密，提高計算精度。
模型網(wǎng)格化后，對反應器進出水口、射流器進出水口進行邊界設置。反應器進水口、射流器進水口設置為速度進口，流速根據(jù)計算得到，式中Q’為反應器處理水量或射流器工作流量，d為進水管直徑或射流器進出水管直徑。反應器出水口設置為壓力出口，壓力為空氣大氣壓。
邊界設置結束后用GAMBIT輸出MSH文件后導入至FLUENT中進行計算。在FLUENT中，采用2D隱式解算器，湍流模型選用標準k-ε模型。
初始設置完畢后，進行迭代計算，當殘差滿足計算要求后認為計算結束。
導出反應器流態(tài)數(shù)值模擬圖，觀察數(shù)值模擬結果。
(3)、如果數(shù)值模擬結果顯示反應器內(nèi)部不存在死區(qū)、短流等現(xiàn)象，并符合設計預期，表明設計方案是合適的，不需要作修正；如果數(shù)值模擬結果顯示反應器內(nèi)存在死區(qū)、短流等現(xiàn)象，或者與設計預期有較大出入，則表明設計方案需要修正，則改變反應器結構的局部尺寸、反應器內(nèi)射流曝氣器的工作水深、布水器的角度等因素進行調(diào)整。修正后再次返回步驟(2)進行數(shù)值模擬，如果依然未達到設計預期，則繼續(xù)修正，直到模擬結果滿足設計預期； (4)、在流態(tài)優(yōu)化的情況下最終確定反應器的結構尺寸、射流曝氣器的工作水深和布水器的角度等，從而實現(xiàn)射流曝氣反應器的優(yōu)化設計。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.傳統(tǒng)的污水處理反應器設計方法，很少考慮反應器內(nèi)部的內(nèi)部流態(tài)，本發(fā)明在結合經(jīng)驗參數(shù)和公式的基礎上，應用CFD技術模擬反應器內(nèi)部的流態(tài)，可以直觀地反映出反應器內(nèi)部的水力特性。2.在反應器結構優(yōu)化的設計中，如果采用物理模型實驗研究，每一個不同的結構尺寸需建造一個反應器，則實驗的成本高，周期長。本發(fā)明采用CFD數(shù)值模擬，在反應器流態(tài)優(yōu)化的情況下確定結構尺寸、射流曝氣器工作水深等等，具有周期短、成本低的特點。



圖1是射流曝氣污水處理反應器的結構圖。
圖2是射流曝氣污水處理反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖(射流器工作水深2m，尾部不設置布水器，回流縫寬度100mm)。
圖3是射流曝氣污水處理反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖(射流器工作水深2m，尾部不設置布水器，回流縫寬度25mm)。
圖4是射流曝氣污水處理反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖(射流器工作水深2m，尾部設置斜向45度布水器)。
圖5是射流曝氣污水處理反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖(射流器工作水深3米，尾部設置斜向45度布水器)。
圖6是射流曝氣污水處理反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖(射流器工作水深3米，尾部設置斜向15度布水器)。

具體實施例方式 以下結合附圖和發(fā)明人依本發(fā)明的技術方案所完成的具體事實例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
依本發(fā)明的技術方案，射流曝氣污水處理反應器優(yōu)化設計方法的步驟如下 1、根據(jù)進出水水質(zhì)水量，按照經(jīng)驗設計參數(shù)和公式，計算獲得反應器結構尺寸和選取射流曝氣器； 2、根據(jù)反應器的結構尺寸與邊界條件，利用CFD技術對反應器內(nèi)的流態(tài)進行數(shù)值模擬； 3、如果數(shù)值模擬結果顯示反應器內(nèi)部不存在死區(qū)、短流等現(xiàn)象，并符合設計預期，表明設計方案是合適的，不需要作修正； 4、如果數(shù)值模擬結果顯示反應器內(nèi)存在死區(qū)、短流等現(xiàn)象，或者與設計預期有較大出入，則表明設計方案需要修正，則改變反應器結構的局部尺寸、反應器內(nèi)射流曝氣器的工作水深、布水器的角度等因素進行調(diào)整； 5、修正后再次進行數(shù)值模擬，如果依然未達到設計預期，則繼續(xù)修正，直到模擬結果滿足設計預期。
6、在流態(tài)優(yōu)化的情況下最終確定反應器的結構尺寸、射流曝氣器的工作水深和布水器的角度等，從而實現(xiàn)射流曝氣反應器的優(yōu)化設計。
具體實施例1以下是發(fā)明人以處理水量為2m3/h的中試反應器的優(yōu)化設計過程為例。
一、確定反應器的結構尺寸 反應器結構如圖1。設污水進水水量Q＝2m3/h，進水BOD為240mg/L，出水BOD為10mg/L，污泥濃度為4g/L。采用10t/h的射流曝氣器。按照設計手冊和相關規(guī)范的經(jīng)驗設計公式，計算得到反應器的結構尺寸。
1.反應區(qū)的容積V1 設反應區(qū)(包括好氧區(qū)、缺/厭氧區(qū))的水力停留時間t1＝8h，反應區(qū)容積 V1＝Qt1＝2×8＝16m2 由得BOD污泥負荷率Ls 2.沉淀區(qū)表面積F3和容積V3 設沉淀區(qū)表面水力負荷q＝0.66m3/m2.h，則沉淀區(qū)表面積F3 取沉淀區(qū)高度h3取為2.8m，則沉淀時間為t2＝2.8/0.66＝4.24h。
則容積V3 V3＝Qt2＝2×4.24＝8.48m3 3.反應區(qū)直徑D1和表面積F1 設反應器水深H＝6m，取反應區(qū)直徑D1＝1.4m，則反應區(qū)表面積F1 4.導流區(qū)直徑D2與寬度B1 取導流區(qū)寬度B1＝0.15m，則導流區(qū)直徑D2＝D1+2B1＝1.4+2×0.15＝1.7m，導流區(qū)表面積F2 設回流比R＝400％＝4，污水在導流區(qū)下降流速v2 5.反應器直徑D 反應器直徑D 6.反應器其他主要部位尺寸的確定 取反應區(qū)直壁高h1＝2.9m(h1≥h3+0.414B1)； 反應器水深H＝6m，超高取h5＝0.6m，則反應器總高H’＝H+h5＝6.6m； 反應器斜壁與水平成45°角，取斜壁高h4＝0.6m，則反應器直壁高h2＝H-h4＝5.4m； 反應器底部直徑D3＝D-2h4＝2.6-2×0.6m＝1.4m。
7.反應區(qū)導流孔尺寸的確定 設污水通過導流孔的流速v1＝100mm/s，則導流孔總面積f 沿圓周等角度開20個窗孔，每個孔面積為f1 采用B×H＝30mm×50mm的窗孔。
8.污泥回流縫尺寸的確定 取反應區(qū)底直徑D4大于池底直徑D30.2m，則D4＝D3+0.2＝1.4+0.2＝1.6m 取回流縫寬度b＝0.1m，順流圈長度L＝0.424m，則回流縫過水面積為f2 回流縫內(nèi)流速v4 二、利用CFD技術對反應器進行數(shù)值模擬和分析 CFD軟件采用FLUENT，反應器采用非結構式三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸20mm，在進水口、出水堰口、射流器進出口等速度梯度較大的位置進行適當?shù)木W(wǎng)格加密。反應器進水口、射流器進水口設置為速度進口，流速根據(jù)計算得到，反應器進水口流速為0.11m/s，射流器進水口流速為0.55m/s，射流器出水口流速為1.41m/s。反應器出水口設置為壓力出口，壓力為空氣大氣壓。反應器數(shù)值模擬采用單相不可壓二維模型，湍流模型采用標準k-ε方程。
1、反應器局部尺寸的優(yōu)化設計，以回流縫為例。設計射流器工作水深2m，尾部不設置布水器，回流縫寬度為100mm，圖2為反應器內(nèi)流態(tài)數(shù)值模擬圖。從圖2中可看到反應器下部混合情況良好，但是由于回流縫過寬，存在有短流現(xiàn)象，很大部分污水未經(jīng)過反應區(qū)的生化處理就直接通過回流縫流向了沉淀區(qū)，這樣會嚴重降低污水的處理效果。因此，需減小回流縫的寬度。取回流縫寬度b＝0.025m，圖3為回流縫寬度為25mm時反應器內(nèi)流態(tài)數(shù)值模擬圖，從圖3中可以看出，短流現(xiàn)象得到了很好的控制。
2、布水器的設置。圖3中短流現(xiàn)象得到了很好的控制，反應器中的水力流態(tài)也較好，但是滿足不了有脫氮除磷要求工藝的設計期望，因為射流曝氣器的出流為直接排放，充氧的混合液直接噴入反應器底部，造成底部厭氧/缺氧區(qū)的體積減小或者根本不存在厭氧/缺氧區(qū)，從而不能有效進行反硝化脫氮處理。因此，在不改變反應器尺寸的前提下，考慮在射流器的出口設置布水器，改變噴射水流的方向。
3、射流曝氣器的工作水深。圖4為射流器工作水深2米，尾部設置斜向45度布水器的反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖。從圖4中可觀察到，設置布水器后，改變了下噴水流的方向，形成的漩渦增強了水力混合效果。但是反應器的下部水力混合情況較差，存在部分死區(qū)，易造成下部污泥的沉積。因此，考慮增加射流器的工作水深。圖5為射流器工作水深3米，尾部設置斜向45度布水器的反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬圖。從圖5看出，射流器的工作水深增加后，反應器下部的流態(tài)得到了改善，不存在死區(qū)?？紤]到工藝有脫氮除磷的要求，反應器中厭氧/缺氧區(qū)不宜過小，因此不再增加射流的工作水深。
4、布水器錐體的角度。圖5中雖然改善了反應器下部的流態(tài)，但是上部的水流特性相對較差，因此嘗試改變布水器錐體的角度。圖6為射流器工作水深3米，尾部設置斜向15度布水器的反應器內(nèi)流態(tài)數(shù)值模擬圖。從圖6中可以看到，反應器內(nèi)部流態(tài)明顯改善，達到了反應器內(nèi)部水力流態(tài)的優(yōu)化設計。
三、實現(xiàn)反應器的優(yōu)化設計 經(jīng)過幾次設計參數(shù)的調(diào)整，運用CFD技術對反應器內(nèi)部流態(tài)數(shù)值模擬和對比分析，確定處理水量2m3/h的中試反應器的尺寸為反應器池深6m，直徑2.6m，回流縫寬度25mm，采用10t/h的射流曝氣器，射流器的工作水深為3m，尾部設置斜向15度的布水器，其余尺寸見具體實施例1中的步驟一。
權利要求
1.一種射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法，其特征在于根據(jù)進出水水質(zhì)水量，按照經(jīng)驗設計參數(shù)和公式，計算獲得反應器結構尺寸和射流曝氣器的型號，然后用CFD技術模擬反應器內(nèi)部的水力流態(tài)，在流態(tài)優(yōu)化的情況下確定反應器的結構尺寸、射流曝氣器的工作水深、布水器的角度，從而實現(xiàn)射流曝氣反應器的優(yōu)化設計。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法，其特征在于射流曝氣污水處理反應器優(yōu)化設計的步驟為
(1)根據(jù)進出水水質(zhì)水量，計算獲得反應器的結構尺寸和射流曝氣器的型號；其中
(A)、反應區(qū)的容積V1
V1＝Qt1
Q為進水水量，t1為反應區(qū)停留時間；
(B)、沉淀區(qū)的表面積F3和容積V3
V3＝Qt2
Q為進水水量，q為沉淀區(qū)表面水力負荷，t2為沉淀區(qū)停留時間；
(C)、反應區(qū)的表面積F1
D1為反應區(qū)直徑；
(D)、導流區(qū)表面積F2
D2＝D1+2B1
D1為反應區(qū)直徑，B1為導流區(qū)寬度，D2為導流區(qū)直徑；
(E)反應器直徑D
F1為反應區(qū)表面積，F(xiàn)2為導流區(qū)表面積，F(xiàn)3為沉淀區(qū)表面積；
(2)采用CFD軟件FLUENT進行反應器流態(tài)數(shù)值模擬
根據(jù)步驟(1)計算得到的反應器結構尺寸，在FLUENT前處理軟件GAMBIT中建立反應器二維幾何模型；
建模結束后，將反應器進行網(wǎng)格化處理，采用非結構式三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小根據(jù)計算精度與計算量平衡決定，并在進水口、出水堰口、射流器進出口位置進行網(wǎng)格加密；
模型網(wǎng)格化后，對反應器進出水口、射流器進出水口進行邊界設置。反應器進水口、射流器進水口設置為速度進口，流速根據(jù)計算得到，式中Q’為反應器處理流量或射流器工作流量，d為進水管直徑或射流器進出水管直徑；反應器出水口設置為壓力出口，壓力為空氣大氣壓；
邊界設置結束后用GAMBIT輸出MSH文件后導入至FLUENT中進行計算，在FLUENT中，采用2D隱式解算器，湍流模型選用標準k-ε模型；
初始設置完畢后，進行迭代計算，當殘差滿足計算要求后認為計算結束；
導出反應器流態(tài)數(shù)值模擬圖，觀察數(shù)值模擬結果；
(3)如果步驟(2)得到的數(shù)值模擬結果顯示反應器內(nèi)部不存在死區(qū)、短流現(xiàn)象，并符合設計預期，表明設計方案是合適的，不需要作修正；如果數(shù)值模擬結果顯示反應器內(nèi)存在死區(qū)、短流現(xiàn)象，或者與設計預期有出入，則表明設計方案需要修正，則改變反應器結構的局部尺寸、反應器內(nèi)射流曝氣器的工作水深、布水器的角度進行調(diào)整。修正后再次返回步驟(2)進行數(shù)值模擬，如果依然未達到設計預期，則繼續(xù)修正，直到模擬結果滿足設計預期；即實現(xiàn)射流曝氣反應器的優(yōu)化設計。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術領域，具體涉及一種射流曝氣污水處理反應器的優(yōu)化設計方法。具體步驟為根據(jù)進出水水質(zhì)水量，按照經(jīng)驗設計參數(shù)和公式，計算獲得反應器結構尺寸和射流曝氣器的型號，然后用CFD技術模擬反應器內(nèi)部的水力流態(tài)，在流態(tài)優(yōu)化的情況下確定反應器的結構尺寸、射流曝氣器的工作水深和布水器錐體的角度等，從而實現(xiàn)射流曝氣反應器的優(yōu)化設計。本發(fā)明采用CFD數(shù)值模擬，在反應器流態(tài)優(yōu)化的情況下確定結構尺寸、射流曝氣器工作水深等等，具有周期短、成本低的特點。
文檔編號C02F3/12GK101244868SQ200810034319
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權日2008年3月6日
發(fā)明者張亞雷, 趙建夫, 李燕飛, 周雪飛, 邱曉東, 勇 吳 申請人:同濟大學