现如今水体污染日益严重,污水处理市场逐渐扩大,迫切需要低成本、高效率的污水处理技术,厌氧反应器一直以来是一个很好的选择。其从开发至今经历了几次更新替代,到目前为止已到了第三代厌氧反应器。厌氧反应器每次更新换代都是围绕增强泥水间传质效果进行的,其实质是改善反应器内部流场条件。本课题创新性的提出开发一种新型厌氧反应器——多段内循环厌氧反应器,并采用计算流体力学技术(CFD)模拟研究各种结构条件下反应器的流场情况,用模拟结果指导反应器的结构尺寸设计。该反应器的设计原理是厌氧消化反应的三个阶段产酸、产氢产乙酸、产甲烷阶段在三个不同的反应段进行,每个反应段中的反应条件都调节到各个阶段发生反应的微生物所需要的最佳反应条件,因此能发挥每一阶段的微生物的最大功效。同时每个反应室内依靠产甲烷阶段的自产沼气的推动作用自动形成液体内循环,内循环系统的存在,使得反应器内保持着大量的微生物。并且让厌氧颗粒污泥与废水处于搅拌状态,使得泥水混合液能够充分混匀,泥水的充分接触能实现良好的传质,大大提高了污水处理效率。此前已有大量学者研究厌氧反应器,但是之前的研究大部分集中在工艺性的实验研究,很少有人深入研究反应器内部的流场机理,并且在实际工程应用中大多是依靠经验公式来设计反应器,这样在设计时存在一定的盲目性,不能充分利用反应器内部空间,很难达到最佳传质效果。采用数值模拟方法可以代替反应器的中试实验,大大节省了科研时间与经费,并且可以解决中试实验不能解决的问题,可以在短时间内从模拟结果预测反应器的运行效果与状态。结合多段内循环厌氧反应器的特殊性,本课题通过CFD中的FLUENT软件模拟反应器的运行,通过改变产气量的大小、高径比、曝气盘安装高度这三个因素,探索反应器的最佳工艺与结构设计参数,以期能让反应器内部泥水传质效果达到最佳状态,提高处理效果;减小反应器内部死区比例,提高空间利用率。数值模拟结果表明:(1)产气量过大或者过小都会导致反应区存在大量死区,只有当曝气盘出口处的瞬时气体速度维持在2.68m/s或者3.75m/s时,反应区的流场才有利于厌氧反应的进行,但是气体速度越大,液体进入集气管后速度变化越剧烈,液体速度过大不利于厌氧颗粒污泥的形成,因此气体速度为2.68m/s时,反应器的流场更适合厌氧反应的进行;(2)高径比对流场形态有明显影响,实验中选择了0.8、1.0、1.25、1.5、1.75这几个高径比作为变量,结果表明,高径比越大,液体速度分布越均匀,轴向与径向都有速度延伸。因此有利于泥水混合传质,并且高径比越大,反应区速度变化越平缓,最终形成平推流状态,有利于厌氧颗粒污泥的形成。因此从模拟结果分析得到,高径比为1.75时反应器流场情况最适宜厌氧反应器的运行。(3)曝气盘安装高度是影响反应器内部流场的一个重要因素,曝气盘作为反应器动力的来源口,其安装高度对反应器内部流场影响较大,实验中选用了20mm、40mm、60mm、80mm、100mm、120mm这几个实验变量,结果表明,曝气盘安装高度越低,越有利反应器内泥水混合传质,曝气盘安装高度较低时,液体上升时与集气罩壁的粘滞阻力越小,越有利于液体速度的径向扩展,因此能减小反应器内部的死区比例,大大提高了反应器的利用空间。