【摘 要】
:
生物膜内底物的质量传输是决定生物膜法污水处理性能的关键因素,因为传质通常被认为是底物消耗的速率限制过程。水动力条件和生物膜结构对传质规律和机制的影响至关重要。污水处理的水动力环境基本上为紊流,自然界和工程中大多数紊流都具有时均速度和脉动速度,这两者相互影响、相互耦合,难以区分各自的效果。目前为止,几乎所有关于紊流对生物膜传质影响的研究尽管表面上聚焦于某个时均参数或脉动参数,但实际结果均来自二者的耦
论文部分内容阅读
生物膜内底物的质量传输是决定生物膜法污水处理性能的关键因素,因为传质通常被认为是底物消耗的速率限制过程。水动力条件和生物膜结构对传质规律和机制的影响至关重要。污水处理的水动力环境基本上为紊流,自然界和工程中大多数紊流都具有时均速度和脉动速度,这两者相互影响、相互耦合,难以区分各自的效果。目前为止,几乎所有关于紊流对生物膜传质影响的研究尽管表面上聚焦于某个时均参数或脉动参数,但实际结果均来自二者的耦合效应。关于紊流脉动的单独作用对生物膜传质的报道并不多见,因此,如何生成代表紊流脉动单独作用的流场条件是该研究的一个难点。再者,目前对于生物膜传质模型的建立和求解均基于确定性分析。视生物膜为多孔介质模型,多孔介质的孔隙率实际上具有很强的随机变异性,这种不确定性在数值计算的控制方程中传播亦会引发流动与传质的随机性。蒙特卡罗方法在固体力学、流体流动和换热不确定性问题上的应用已经在国内外发展数年,而该方法还未应用于多孔介质区域内对紊流流动方程和污染物质量传输方程的共同求解。通过该研究不仅可以探究多孔生物膜物理特性参数的变异性对于传质过程的影响,亦可拓展蒙特卡罗方法在生物膜理论模型领域的可行性。为此,本文主要研究内容及成果如下:(1)构建自设计的振动格栅生物膜反应装置,通过实验室规模的粒子图像测速技术和计算流体动力学的数值模拟相结合的方法,探究了时均流速、脉动均方根流速和雷诺切应力在流场的分布,证明自设计的振动格栅反应器所生成的振动格栅紊流为近似各向同性的紊流,可用于单独脉动作用的研究。同时,确定了不同振动频率下相对应的紊流强度,为后续模拟提供有效的边界条件。(2)为探究紊流脉动对生物膜内传质的影响,通过对多孔生物膜内“对流-扩散-反应”传质方程和紊流流动模型的共同数值求解,分析所得各工况下流速场和浓度场的分布规律。研究表明,随着紊流强度的增大,流速场的分层越显著,平均流速梯度增大,脉动作用的增强对膜内对流传质有积极影响的效果。随着紊流强度的增大,浓度场的下降趋势更明显。表层下降趋势更陡峭,去除速率更快,而底层去除率先达到稳定值不再降解。同时,总的污染物去除率也随紊流强度的增大而增至最大值88.52%。紊流脉动对扩散传质虽有增强的效果,但主要贡献于对流传质作用。(3)在确定紊流脉动条件下,分别数值求解不同初始污染物浓度、膜厚度、密度和孔隙率工况内流动与传质模型。研究表明,底物浓度的增加使污染物的去除率降低,0.250 kg·m-3的低浓度工况下污染物去除率高达92.68%;生物膜厚度为800μm时达到最高的污染物去除率90.17%和最高浓度梯度,随着膜厚度的降低,较薄层的生物膜内污染物降解曲线变化趋势变得平缓,整体的去除率也降低;以反应动力学为主导因素所影响底物消耗的低密度范围内随着密度的增加扩散传输效应也相应增强,污染物去除效率在密度为30 kg·m-3的生物膜内达到91.37%;较低的孔隙率对质量传输和反应速率呈现积极作用,0.75孔隙率的生物膜内扩散效应和污染物去除效果较为理想。(4)通过对孔隙率的Karhunen-Loeve展开和基于Latin超立方抽样法实现孔隙率的随机输入场,结合计算流体动力学的数值求解流程,对随机输出场进行统计分析。研究表明,随机多孔生物膜内输出的随机场与孔隙率确定性分析的结果存在一定的偏差。渗流流速的分布偏差主要存在于多孔生物膜表层,污染物的浓度场分布偏差在多孔生物膜的底层较为活跃。不确定性在计算的求解传播中,对流作用的贡献较大,扩散传质效果的变化越显著对于不确定性传播的抵抗作用有所减弱。
其他文献
三峡库区消落带湿地具备周期性水位巨幅涨落的特点,这种特殊的水文条件会对库区沿岸生态环境造成深远影响,尤其会改变消落带土壤中部分微生物的分布特点,进而影响碳氮等元素的循环过程。本文以受三峡库区回水影响显著的丰都龙河中游段消落带土壤为研究对象,探究不同水期下消落带土壤在原位电子受体浓度下的表观甲烷氧化速率以及电子受体充足条件下的表观甲烷氧化潜力,明确不同季节水位变动下消落带甲烷氧化过程的类型以及活性强
近年来,国内外大量含铊废水的违规排放,导致铊污染事件的频繁爆发,对自然环境以及人们的生活安全造成严重的危害。天然的金属矿物和腐殖质广泛分布于环境介质中,它们表面上的反应位点会与铊元素发生吸附络合、解吸释放和氧化沉淀等反应,改变铊在环境介质中的形态,且由于位点的非均质性,导致重金属铊与环境组分上的不同位点的络合能力及反应速率存在着明显的差异,显著的影响重金属铊在自然环境中的迁移转变过程。因此,探明重
我国村镇水源存在点多面广、污染复杂多样、水源保护力度差和突发污染事故多等现实问题。针对村镇水源中常规污染物与多种微量有机污染物共存的水质特征,本文对掌握的西南和华南各省(直辖市)饮用水源地清单进行分析,选取了71处村镇饮用水源,开展了丰水期和枯水期的水质调查工作。常规污染物筛查指标包括溶解氧(DO)、氟化物(F-)、铁(Fe)、锰(Mn)、铝(Al)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)
目前城镇污水厂普遍存在进水碳氮比低,导致脱氮除磷效果不佳的问题,难以满足日趋严格的排水标准。通过外加乙酸钠、乙酸或葡萄糖等传统碳源或回用厂内剩余污泥发酵液提高碳氮比,可实现进水碳氮比的有效提高,但会显著增加投资成本。初沉污泥产量大,有机质含量丰富,可生化性强,回收周期短,表现出良好的潜在碳源潜力。但与剩余污泥相比,对初沉污泥的厌氧产酸发酵研究较少。此外,初沉污泥成分复杂,难以沉降,发酵过程中可能释
污水处理属于能源密集型行业,典型城市污水处理厂的耗用主要包括电耗和药耗两方面,而药耗主要体现在外碳源投加和化学絮凝剂使用上。对于低C/N进水的污水处理厂,其生物脱氮除磷过程所需有机物不足,需要消耗更多的外碳源和化学除磷剂以使出水指标满足排放标准,这一点在低温月份显得更加突出。本研究针对重庆某污水厂脱氮除磷能耗较高,尤其是在低温月份处理成本会进一步增加的问题,通过现场调研和中试试验对二级处理工艺进行
针对厌氧氨氧化系统硝酸盐残留,脱氮效能受限,以及缺乏除磷功能的问题,研发低碳氮比高氨氮废水ANAMMOX-电解耦合脱氮除磷技术。重点探究了电流强度对系统构建的影响;结合16S r RNA高通量测序、宏基因组测序技术,揭示了系统强化脱氮的微生物作用机制;同时,通过对系统污泥固相磷组分形态解析,探究了系统除磷路径。研究系统考察了电压、氮磷比、负荷、温度对系统脱氮除磷效能的影响,以及关键微生物的响应机制
新兴有机污染物在水环境中广泛存在,且对生态环境和人体健康都有潜在危害,如何高效去除这些污染物成为目前的热点问题。高铁酸钾(K2Fe O4,Fe(VI))是一种具有高氧化还原电位的高效氧化剂,因此其在水处理系统中广受关注。尽管已有研究关注了Fe(VI)体系在酸性条件下的氧化能力,然而对于Fe(VI)氧化新兴有机污染物的二级反应速率常数(kapp,M-1 s-1)随p H变化的规律却有一些具有争议的结
生物滞留设施是一种方便灵活的低影响开发设施,被广泛应用于解决气候变化带来的雨水径流量增加、面源污染等问题,其污染物净化作用受到国内外学者的长期关注。传统生物滞留设施存在难以同步脱氮除磷、溶解态污染物去除效能不稳定的问题,团队率先将黄铁矿作为基质以改良生物滞留设施,实现了长期稳定同步脱氮除磷。然而,黄铁矿自养反硝化反应速率有限,不能适应高雨强密集降雨下的脱氮需求,需要与高效率的有机碳源异养反硝化结合
在全球水资源匮乏与我国城市供水管网漏损率居高不下的背景下,如何利用城市供水管网的实测数据对漏失事件进行快速准确识别,已经成为我国供水行业重点关注的问题。本文针对现有漏失识别方法中数据时空规律特征分析不足、单时间步长的预测模型效率低下、漏失事件判断依据单一等问题,在我国分区计量管理的基本策略下开展了数据驱动的漏失识别方法研究,使用Informer深度学习模型进行长时间序列压力数据的预测,并通过多维变
城市供水系统是城市发展的根本,供水管网由于受制于城市规模、地形地貌、人口分布等因素的影响,现有条件下难以做到管网监测全时段全范围覆盖。本研究来源于国家重点研发计划项目(2017YFC0404706)—《三峡库区城市供水安全保障关键技术研究与示范》,为了及时有效地应对供水管网水质污染事件,来降低供水水质污染造成的危害,以城市供水水质安全作为切入点,对山地城市供水管网水质预警系统进行了研究,从而提高城