微曝氧化沟工艺采用微孔曝气和水下推流结合的方式独立完成混合液的曝气充氧和混合推流过程,有利于控制液相流速和溶解氧浓度分布。曝气和推流必须协调运行,如果控制不合理会导致系统的能耗增加并影响出水水质。目前的研究大多集中在微曝氧化沟内污染物的去除效果、操作条件以及生化反应原理等方面,对微曝氧化沟内气液流动特性及其对传质性能影响规律的研究成果较少。通过研究微曝氧化沟复杂流动条件下气液体系流动特性与传质性能,可以优化充氧和推流的协调运行方案,对于氧化沟污水处理工艺的设计和运行具有重要意义和研究价值。本文以微曝氧化沟工艺为研究对象,借助可视化测试手段对气泡特征和气泡羽流运动行为等进行综合分析。结合气液两相流动理论分析,全面阐述了全混气液体系水力学特性和传质性能与横向推流作用下气泡羽流偏移规律和柯恩达效应。结合传质性能和羽流行为的协同效应,提出了微曝氧化沟的设计方法。据此,建立了减速微曝氧化沟实验装置,通过对实际污水的处理效果进行分析,进一步优化了工艺运行参数,对微曝氧化沟污水处理流程既保证出水水质又实现节能降耗提供了解决方案。本文的主要研究工作分为以下三个方面:(1)建立全混模型实验装置,系统地进行微曝充氧实验研究。得出全混气液体系中不同气相条件和液相性质下气泡羽流特征、水力学特性和传质性能等参数,分析气液传质机理。研究表明:随着气相表观气速的增加,气液体系的水力学特性参数和传质系数等均增加;随着液相质量分数的增加,气泡直径增大,气泡直径分布范围变宽,气液体系水力学特性参数和传质性能参数均降低。进一步的理论分析表明:全混体系中气液传质性能与液相流变特性及气液界面性质密切相关。基于经典传质理论,结合液相流变特性参数,本文建立可预测牛顿型流体和非牛顿型流体体系气液传质速率的数学模型。(2)设计并建立可形成均匀稳定横向流动的实验装置,对环境流体中气泡羽流运动规律进行实验研究。采用高速摄影方法和图像处理技术研究横向流动条件下气泡羽流的运动规律和扩散特性。研究表明:在横向流动作用下,气泡羽流的偏移轨迹基本呈线性分布;非牛顿型流体剪切稀化流变特性对气泡羽流的偏移行为作用显著。随着非牛顿型流体液相质量分数的增加,羽流偏移角度显著增大;随着气相表观气速的增加,羽流偏移现象减弱。考虑气液体系中气泡羽流的受力以及液相流变特性,改进横向流动条件下羽流运动的积分模型,本文提出可预测横向流动条件下气泡羽流运动轨迹的关系式。气泡羽流核心区宽度沿中心轴方向呈近似线性扩散的规律,非牛顿型流体体系中羽流沿运动方向的扩散速率分段变化。本文的实验中,调控不同曝气盘间距、横向流速和表观气速等参数,分别对双羽流的合并特征和偏移规律的影响进行研究,系统地分析双羽流柯恩达(Coanda)效应的变化规律,进而确定多羽流条件下曝气盘布置的最佳距离。(3)设计并建造减速微曝氧化沟实验装置,对全混气液体系中气液传质规律和横向流动条件下气泡羽流偏移规律的综合效应进行研究。分别测试不同的曝气量、曝气盘布置方式和推流强度实验条件下,液相流速分布、气泡羽流氧输运性能、气泡羽流行为的变化规律。研究表明:随着曝气量的增加,氧输运性能和气液传质效果增强,但曝气效率明显降低。曝气盘布置方式对氧输运过程影响显著,采取均匀式曝气盘布置方式时,氧输运性能是最优的。随着推流强度的增加,氧传递效率明显增加,然而推流能耗的增加使得系统曝气效率有所降低。本文启动微曝氧化沟系统进行实际污水处理的实验,分别考察不同水力停留时间和曝气区末端溶解氧浓度对污水处理效果的影响,分析常温下污水的脱氮和除碳效果,进而实现微曝氧化沟工艺运行参数的优化。本文还对污水处理系统进行能耗分析,得出减速氧化沟系统处理实际污水时协调运行的优化方案。