（农业机械化工程专业论文）养殖场ubf反应器布水系统的模拟与优化.pdf

摘要 摘要 随着农业生产集约化模式的发展，规模化养殖场逐渐成为全国各地备禽饲养的一种重要 模式，但大量的眚禽养殖废弃物对周边环境造成了严重的污染。针对这种现象，国内外学者 对畜禽养殖业废水处理技术进行了深入的研究。其中，u b f 工艺以其投资费用少、启动速度 快、占地面积小、污泥排放少、处理效果好等特点，正逐步用于规模化养殖场废水处理中。 u b f 反应器是u b f 工艺中废水进行厌氧消化的重要场所，u b f 反应器运转的好坏直接 影响到废水处理的效果。布水系统布水的均匀性对u b f 反应器处理能力至关重要。目前，由 于u b f 反应器布水系统的设计缺陷造成废水处理效果不佳的情况比较普遍。因此，本文采用 计算流体力学数值模拟的方法，基于f l u e n t 软件对u b f 反应器布水系统的布水均匀性进 行研究。 本文根据重庆合川某规模化养猪场废水处理的需要，为中温u b f - s b r 废水处理工艺设 计了一套u b f 反应器布水系统。通过观察投入使用后的情况，发现该工艺废水处理效果较好， 但u b f 反应器内出现了一些床层“静置”状态。本文运用g a m b i t 软件对u b f 反应器布水 系统布水管道进行建模，通过总结布水系统数值模拟时各计算参数的确定原则和方法，采用 f l u e n t 软件对布水管道进行模拟分析，发现u b f 反应器布水管道各出水口处的流场速度 存在明显的差距。最高速度与最低速度相差8 0 ，即各出水口流场对罐底活性污泥的搅动效 果不同。流场速度低的出水口有“死区”出现的可能，而流场速度高的出水口有“短流”的 可能。这与反应器实际运行中所遇到的问题一致，证明了数值模拟的实用性。然而采用以上 方法对u b f 反应器整体内部流场进行模拟分析，发现本特定研究对象( 即：出水口布置方式 确定、废水迸水速度低于一定值时) u b f 反应器内高于布水管道出水口后的流场整体趋于均 匀，即尽管出水口流场速度有所不同、搅动效果不一，但经过底部反射后罐体内流场整体上 升速度逐渐趋于一致。 本着结构简单、效果明显、制造方便的原则，本文就池底反射锥的布设和布水管道的设 置两个方面，对养殖场u b f 反应器布水系统进行了优化。采用f l u e n t 软件对其进行数值 模拟后，找到了优化方案的最优组合。不仅u b f 反应器内部流场整体的均匀性较好，而且各 个出水口处的搅动更加均匀，大大降低了出现“短流”和“死区”的可能性，为整套废水处 理工艺处于最佳工作状态创造了条件。同时，这样的优化选择也为将来u b f 反应器布水系统 的设计提供了一些有价值的参考。 关键词iu b f 反应器布水系统f l u e n t 软件数值模拟优化设计 两南大学硕十学何论文 s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mo fu b f ( u p f l o wb l a n k e tf i l t e r ) r e a c t o ri n l i v e s t o c kfarmvestocka r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e n s i v em o d ei na g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，l a r g e - s c a l ef a r mg r a d u a l l y t u r n si n t oa l li m p o r t a n tm o d eo fl i v e s t o c kb r e e d i n gi nc h i n a b u tt h er e s u l ti ss e r i o u se n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na r o u n dc a u s e db yal a r g en u m b e ro fl i v e s t o c kw a s t e s i nr e s p o n s et ot h i se v e n t ，s c h o l a r sa t h o m ea n da b r o a dh a v et a k e ni n d e p t hr e s e a r c h e si nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fl i v e s t o c k a n dp o u l t r yb r e e d i n gi n d u s t r y w i t ht h eb e n e f i t so fl o wi n v e s t m e n tc o s t s ，f a s to p e r a t i o n ，s m a l l w o r k i n gp l a c e ，l e s ss l u d g ed i s c h a r g ea n dg r e a tt r e a t m e n te f f e c t ，u b fp r o c e s si sb e i n gu s e df o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n to fl a r g e - s c a l ef a r mm o r ea n dm o r e u b fr e a c t o ri sa ni m p o r t a n tu n i tf o rw a s t e w a t e ra n a e r o b i cd i g e s t i o ni nu b fp r o c e s s ，a n dt h e o p e r a t i o no fu b fr e a c t o rw i l lh a v ead i r e c ti m p a c to nt h ee f f e c to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t 啊1 e d i s t r i b u t i n gu n i f o r m i t yo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi so n eo fk e yf a c t o r sa f f e c t i n gu b fr e a c t o r t r e a t m e n t a tp r e s e n t ，t h ep r o b l e mt h a tp o o re f f e c to ft r e a t m e n tc a u s e db yt h ed e s i g nf l a w so fu b f r e a c t o rw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sc o m m o n a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e ru s e sc f d m e t h o dt os t u d yt h eu n i f o r m i t yo f w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nu b fr e a c t o r , b a s e do nf l u e n t c o n s i d e r i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tn e e d so fal a r g e s c a l ep i gf a r mi nc h o n g q i n gh e c h u a n ， t h i sp a p e rd e s i g n e das e to fu b fr e a c t o rw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mf o ram i d d l et e m p e r a t u r e u b f - s b rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，i ti sd i s c o v e r e dt h a t t h i sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw o r k sq u i t ew e l le x c e p tf o ra p p e a r a n c eo fs o m ei m m o v a b l e r e g i o ni nu b f r e a c t o r t h i sp a p e rb u i l d st h em o d e l i n go fu b fr e a c t o rw a t e rd i s t r i b u t i o np i p e l i n e s t h r o u g hg a m b i t ，s u m m a r i z e st h ep r i n c i p l e s a n dm e t h o d so fd e t e r m i n i n gt h ec a l c u l a t i o n p a r a m e t e r si nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，u s e sf l u e n tt oa n a l y z et h e w a t e rd i s t r i b u t i o np i p e s ，a n dt h e nf i n d st h a tt h ed i f f e r e n c ea m o n gv e l o c i t i e so fw a s t e w a t e ro u t l e t s o f w a t e rd i s t r i b u t i o np i p e si nu b fr e a c t o ri sd i s t i n c t 1 n h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h em a x i m u ms p e e d a n dm i n i m u ms p e e di s8 0 ，w h i c hm e a n st h ef l o wo u to fp i p e sh a sb i gd i f f e r e n ta g i t a t i n ge f f e c t s o ns l u d g ea tt h eb o t t o mo fr e a c t o r t h e “d e a dz o n e ”w i l lp r o b a b l ya r i s e sa tt h eo u t l e t so fp i p e sw i t h l o wf l o wv e l o c i t y ，a n dt h e “s h o r tc u ti nf l o w a l s ow i l lp r o b a b l ya r i s e sa tt h eo u t l e t so fp i p e sw i t h h i g hf l o wv e l o c i t ya sw e l l t h e s er e s u l t sa r es i m i l a rt ot h er e a ls i t u a t i o nd u r i n gt h eu b f r e a c t o r s o p e r a t i o n ，i tp r o v e st h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sp r a c t i c a b l e h o w e v e r ，u s i n gt h es a m ew a ya b o v et o a n a l y z et h ew h o l ei n t e r n a lf l o wf i e l di nu b fr e a c t o r ，i ti ss h o w nt h a tt h ei n t e r n a lf l o wf i e l di nt h i s g i v e nu b fr e a c t o r ( i - e t h el a y o u to fo u t l e t si sd e t e r m i n e da n dt h ei n f l u e n tv e l o c i t yo fw a s t e w a t e ri s b e l o wac e r t a i nv a l u e ) w h o l l yt e n d st ou n i f o r m i t ya f t e ri ti sh i g h e rt h a nt h eo u t l e t so fp i p e l i n e s ， w h i c hm e a n st h a to u t l e t sh a v ed i f f e r e n tv e l o c i t i e so ff l o wf i e l d sa n dd i f f e r e n ta g i t a t i n ge f f e c t s ，b u t t h ev e l o c i t yo fw h o l ei n t e r n a lf l o wf i e l dt e n d st ou n i f o r m i t yg r a d u a l l ya f t e rt h e ya r er e f l e c t e db yt h e b o t t o mo fr e a c t o r a b s t r a ( = r r t a k i n gs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，o b v i o u se f f e c ta n dc o n v e n i e n tm a n u f a c t u r i n ga st h ep r i n c i p l eo f o p t i m i z a t i o n ，t h i sp a p e ro p t i m i z e st h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo fu b fr e a c t o ri nt h el a y o u to f b o t t o mr e f l e c t o rc o n ea n do p t i m i z a t i o no fw a t e rd i s t r i b u t i o n p i p e l i n e s a f t e rt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt h r o u g hf l u e n t ，t h i sp a p e rf i n a l l yg e t st h eo p t i m a lc o m b i n a t i o nf r o ma l ls c h e m e s ，n o t o n l yt h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fu b fr e a c t o rh a sg o o du n i f o r m i t y ，b u ta l s ot h ef l o wo u to fp i p e l i n e s h a sm o r eu n i f o r m a l a g i t a t i n ge f f e c t s ，a n dt h ec h a n c eo fs h o r tc u ti nf l o wa n dd e a d z o n e s a p p e a r a n c ed e c r e a s e ss h a r p l y i ta l s oc r e a t e st h ec o n d i t i o n sf o rt h e e n t i r ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s si nt h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n a tt h es a m et i m e ，s u c ho p t i m a lc h o i c ew i l lp r o v i d es o m e v a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fu b fr e a c t o rw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：u b fr e a c t o r ；w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ；f l u e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m a l d e s i g n i i i 独创性声明 学位论文题目：差殖垣堕旦里厦廑墨查盘丕统鲍搓拯皇选丝 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： 柙亏- 】 签字日期： z 口口年z 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：函不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：钎名一1 签字日期：2 口7 d 年占月7 日 导师签名： 签字日期：初p 年乡月 o ) 日 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1u b f 工艺的发展 1 1 1 畜禽养殖业带来的环境问题 养殖产业的产值r 与农业总产值的比例高低是衡量一个国家农业发达程度的重要指标。近 年来，随着农业生产集约化模式的发展，规模化养殖场逐渐成为全国各地畜禽饲养的一种重 要模式，虽然该模式具有饲养规模大，生产效益高，容易集中控制成本，提高畜禽产品质量 的诸多优点，但同时也带来了大量的畜禽废弃物，越来越大的饲养规模已经超过了传统的就 地土壤消化农业废弃物的能力。产生大量的未经处理堆积的粪便和朱经处理的粪水，造成了 较重的环境污染：对水环境的污染、对大气环境的污染以及传染病的蔓延都是畜禽养殖场废 弃物直接或间接造成的【m l 。在合理发展规模养殖、调整养殖结构与布局的同时，如何治理养 殖污染，已经成为制约畜禽养殖业可持续发展的关键【w l 。 据有关资料表明：一个万头猪场，年产粪尿3 万t ，全年可向周围环境排大约1 0 0 1 6 0 t 氮 和2 0 - 3 3 t 磷；规模化养殖场每生产一头肥猪约产生4 t 污水【o j 。可见音禽养殖场废弃物的排 放之大，如不及时有效地进行废弃物的处理，对环境的污染将会非常严重。目前国内大部分 养殖场的污水处理设施尚不够完善，大多数都无法达到较严格的地方废水排放标准。近年来 国内外学者对畜禽养殖业污水处理技术进行了深入的研究，不少新技术新工艺被应用到养殖 废水处理中来。其中，u b f 工艺在养殖场废水处理方面的应用就是一个创新之举。 1 1 2u b f 工艺的出现 随着人们对厌氧生物技术原理的深入认识和生物科学技术的发展，使得厌氧生物技术得 到越来越多的重视与研究应用，它首先运用于高浓度工业有机废水、医疗废水以及生活污水 的处理方面。 y o u n g 和m c c a r t y i n 于上世纪6 0 年代末，利用微生物固定化原理首次发明了一种高效厌 氧反应器即厌氧滤器( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ) ，使污泥在反应器内的停留时间极大地延长， 容积负荷由一般反应器的4 - 5 k g c o d ( m 3 d ) 以下提高到1 0 1 5 k g c o d ( m 3 d ) 。 l e t t i n g a 等【1 2 】于上世纪7 0 年代末，发明的上流式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g e b l a n k e t ，简称u a s b ) 高效反应器，大大提高了颗粒污泥浓度和污泥与废水的混合效率，容 积负荷高达2 0 - 3 0 k g c o d ( m 3 d ) 以上，u a s b 工艺在废水处理中得到了广泛的应用。 g u i o t 0 3 】于上世纪8 0 年代中期，在a f 和u a s b 的基础上开发出了上流式厌氧污泥床滤器 ( u p f l o w b l a n k e tf i l t e r ，简称u b f ) 。u b f 工艺是一种高效厌氧废水处理工艺，是以微生物【司 定化和污泥颗粒化为基础开发出的，并具有a f 和u a s b 的各自优点。 1 1 3u b f 工艺的研究现状 在水污染防治领域中，u b f 废水处理工艺一直是一项应用前景相当好的生物处理技术， 国内外的科研_ t 作者都对u b f 废水处理丁艺展开了深入的研究，其主要的研究成果有： 两南大学硕十学何论文 在国外方面，h a s h e m i a n 等【1 4 l 认为聚氨酯填料能够缩短u b f 废水处理工艺的启动时间。 p e t e r 等【1 5 】用3 0 l 的u b f 反应器对城市废弃物进行中试，总c o d 去除率超过8 5 。r a f a e l 等 人【1 6 】通过大量的实验表明用聚氨酯泡沫作填料的u b f l 3 反应器能够高效处理屠宰场高浓度 的有机废水。v i n c e n t 等人【1 7 以8 】利用聚乙烯拉西环为填料的u b f 反应器进行废水处理实验研 究，使c o d 去除率超过9 5 。 在国内方面，韩洪军等【1 9 冽采用厌氧复合反应器( u b f ) 处理高浓度涤纶酯生产性废水 试验，c o d 去除率在8 0 左右。操家顺【2 l 】用复合厌氧反应器处理印染废水对某印染厂的生产 应用研究中发现，u b f 反应器对中等浓度( c o d 8 0 0 1 8 0 0 m g l ) 的印染废水具有较好的、稳 定的处理效果。吴根义等瞄j 介绍了城市固体废弃物处置场的垃圾渗滤液采用的吹脱u b f o s b r 处理工艺，该工艺始终运行稳定。曹占平瞄】采用u b f 反应器对垃圾渗滤液进行处理的中试研 究结果显示：c o d c ，、b o d 5 的去除率分别保持在7 0 、7 5 左右。陆从容【冽在u b f 反应器处 理垃圾渗滤液的试验中发现u b f 对较高的悬浮物含量有一定的去除作用，u b f 废水处理工艺 用于渗滤液预处理是可行的。 我国对u b f 废水处理工艺的研究与应用成果见表1 1 1 2 5 1 。 表1 - - 1 我国u b f 废水处理工艺的研究与应用实例 t a b l e l - 1r e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fu b fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si nc h i n a 1 1 4u b f 工艺在养殖场废水处理方面的研究与应用 目前国内大部分畜禽养殖场的污水处理设施尚不够完善，而且主要还是采用传统化粪池 和同液分离等处理方式。对于规模化的养殖场而言，这样的处理方式很难达到满意的效果， 正在被淘汰。即便采用了较为先进的厌氧发酵处理工艺，由于使用上的缺乏指导，或是考虑 到运行成本方面的原因，很多厌氧发酵处理工艺并未很好的投入使用，因此大多数的畜禽养 殖场废水都无法达到较严格的废水排放标准。近年来国内外学者针对这些情况，对畜禽养殖 业污水处理技术进行了深入的研究，不少新技术新工艺被应用到养殖废水处理中来。其中， u b f 工艺在养殖场废水处理方面的应用就是一个创新之举。 u b f 工艺具有投资省，电耗和运行费用低，启动速度快，运行稳定可靠，占地面积小， 污泥排放量少，管理方便等明显特点。养殖场废水处理方面应用u b f 工艺，常与其他工艺相 2 第1 审文献综述 曼曼曼舅i iii 皇曼舅曼量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪曼! 曼! ! 曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼鼍皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼 结合( 如s b r 工艺等) ，不仅处理效果明显，而且其处理产物如沼气、富含有机物的废渣废水 等均可实现资源化利用，因而具有较好的实用价值。 胡锋平【2 6 】在中温3 5 c 采用两相u b f 反应器处理养鸡场离心废水，结果表明：进水c o d c ， 为1 9 0 0 0 m g l ，系统容积负荷2 1 5 4 k g c o d c r ( m 3 d ) ，水力停留时间2 1 1 7 h ，c o d c r 去除率为 8 1 9 8 ，b o d 5 去除率为9 0 4 5 ，产气率为0 4 4 6 m 3 k ：g c o d c f 。中温3 5 。c 采用两相u b f 反应器处 理养鸡场离心废水，对c o d c r 、b o d 5 处理效果比常温两相u b f 反应器处理效果有显著提高。 废水经过u b f 反应器处理后，需要经过后续好氧生物处理和脱氮处理后，才能排放。 柳剑等【2 7 】用u b f - s b r 联合工艺处理富禽养殖场废水，处理后的c o d 为1 7 8 3 2 1 m g l ， b o d 5 为8 2 - 1 3 8 m g l ，n i l 3 一n 为4 0 - 5 5 m g l ，均可达到排放标准。u b f - s b r 工艺将逐渐在国 内畜禽养殖场废水治理中起着重要的作用。 1 2u b f 反应器简介 1 2 1u b f 反应器的结构及工作原理 u b f 反应器的构造原理如图1 - 1 所示。它是由u a s b 与a f 结合研制而成的，其下部为 厌氧污泥床，有很高的生物量浓度，床内的污泥可形成厌氧颗粒污泥，颗粒污泥具有很高的 产甲烷活性和良好的沉降性能，因此，它可以承受较高的负荷，是去除污水中污染物的主要 部分p o l 。 图1 - 1u b f 反应器的构造原理图 f i g 1 1s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fu b fr e a c t o r u b f 反应器上部有与厌氧滤池a f 相似的填料过滤层，填料表面可附着大量的厌氧微生 物，污水从下部进入a f 段后向上流经滤料，滤料为微生物附着生长提供了很大的表面积，厌 氧微生物大部分存在于生物膜中，少数以厌氧污泥的形式存在于滤料的间隙中p 1 1 。污水与滤 料表面的生物膜充分接触，在生物膜的吸附、代谢和滤料截留的共同作用下，污水中的有机 污染物得以分解去除。由于反应器的上下部均保持很高的生物量浓度，所以提高了整个反应 器的总生物量，从而提高了反应器的处理能力和抗冲击负荷的能力f 3 l 】。处理后出水从上部流 出。 u b f 反应器具有了以下特剧3 1 】： 3 两南大学硕十学何论文 ( 1 ) u b f 反应器内水流方向与沼气上升方向相一致，不仅减少反应器内部堵塞的机会， 而且加强了对污泥床层的搅拌作用，有利于微生物与处理废水之间的充分接触，也有助于形 成颗粒污泥。 ( 2 ) 反应器上部空间所架设的填料，不但在其表面生长微生物膜，在其空隙截留悬浮微 生物，既利用原有的无效容积增加了生物总量，而且填料能吸附大量的游离细菌和小的污泥 絮体，并很快繁殖长成生物膜。脱落后的碎片成为颗粒污泥的次级生长核心，加速颗粒污泥 的形成。 ( 3 ) 由于填料的存在，夹带污泥的气泡在上升过程中与之发生碰撞，加速了污泥与气泡 的分离，从而降低了污泥的流失。 1 2 2u b f 反应器流态简介 u b f 反应器虽然没有搅拌装置，但由于其上流式进水，水流的扩散作用将对u b f 反应器 内部流场进行搅动，而且反应产生的沼气也有一定的搅拌功能，在整个反应器罐体内，气液 完全处于混合状态。同时，众多的研究表明，水力条件是u b f 反应器启动和运行良好的主要 因素之一 3 2 - 3 3 1 。 u b f 反应器罐体里，处理废水上升速度适中，固液接触充分，气体分离完全，床层处于 浮动状态，此时处理效果好；倘若处理废水上升过快，超过了一定的界限，则容易导致“短 流”现象的发生，这样大量的污泥会被带着，处理效果就差；倘若处理废水上升速度太低， 必然使污泥床层处于“静置”状态，引起水流分布不均。因此，控制u b f 反应器中废水上升 流速将大大改善反应器罐体中的流态程度。 此外，采用u b f 工艺与其他工艺相结合的方式，以提高反应器的水力负荷，消除死区与 短流，这是u b f 反应器今后发展的方向p 4 1 。在u b f 反应器中，处理废水的纵向流速小于2 m h 。 产气量是影响传质效率的主要因素，在u b f 反应器启动阶段，由于沼气量较少，因此水力搅 拌对颗粒污泥的形成至关重要【3 ”7 1 。 布水系统布水的均匀性对u b f 反应器的处理效果至关重要，布水均匀可以避免反应器内 部出现死区，并且能充分利用池体的空间。目前，大多数文献资料主要从生化工艺方面研究 u b f 工艺的处理效果，很少涉及反应器内液体的流动对处理效果的影响。因此，本文有必要 从水力学角度来探讨流场对u b f 反应器处理效果的影响。 1 3u b f 反应器布水系统概述 1 3 1 布水系统 布水系统的合理设计对u b f 反应器的良好运转是至关重要的，布水系统兼有配水和水力 搅拌的功能，为了这两个功能的实现，需要满足如下原则：进水必须均匀地分配到反应器 底部，确保单位池面积进水量基本相同，并防止由于布水不均引起的沟流和短路现象。应 满足污泥床水力搅拌的需要，有利于沼气气泡与污泥分离逸出，并促使废水与污泥之间的充 分接触，使污泥床区达到完全混合，防止局部酸化和减少死区的发生，提高反应器容积利用 率。 4 第1 章文献综述 曼i 一i i o i i ii i 曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼吕曼曼曼鼍曼曼舅舅曼曼曼量曼曼曼曼曼曼 u b f 反应器布水系统的形式有多种，有些属于专利，具体设计数据和方法尚末公开。布 水系统形式主要有以下几种【冽： ( 1 ) 树枝管式 树枝管式布水系统如图l 。2 所示。这种布水系统比较简单，为了布水的均匀性一般采用对 称布置，各支管出水口向着池底，出水口距池底约5 0 8 0 c m ，位于所服务面积的中心点。管口 对准的池底设反射锥，使射流向四周均匀散布于池底，出水口支管直径约为2 0 r a m 。这种布水 系统只要施工安装正确，布水可基本达到均匀分布。 一1 - - 图1 - 2 树枝管式布水系统 f i g 1 - 2b r a n c hp i p ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m 图1 - 3 穿孔管式布水系统 f i g 1 3p e r f o r a t e dp i p ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ( 2 ) 穿孔管式 穿孔管式布水系统如图1 - 3 所示。为了布水均匀，布水管之间的中心距可采用1 - 2 m ，进 水孔距也可采用1 - 2 m ，孔口朝向池底，或与铅垂线成4 5 度方向开孔。孔径大小及布水管尺寸 应由水力计算确定，以确保布水均匀。为了防止布水系统的堵塞，在设计中应考虑清通的可 能。 ( 3 ) 多管多点式 多管多点布水系统如图1 _ 4 所示。此种布水系统的特点是一根布水管服务一个布水点，即 布水管数与布水点数相同。只要保证每根布水管流量相等，则每个布水点的流量即相等。德 国在此种布水系统的研发上获得了自己的专利：布水管设置在污泥床的不同位置和不同高度 上，废水通过一个专门设计的脉冲布水器，定时地分配给不同位置和高度的布水管，对整个 反应器进水是连续的，这种布水系统的效果是很好的。 图1 - 4 多管多点式布水系统 f i g 1 4m u l t i - p i p ea n dm u l t i p o i n tw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ( 4 ) 上给式 一般布水系统均在池底进行布设，上给式布水系统是在u b f 反应器的池项进行分配布设。 这种系统的特点是：布水采用明渠，对每个布水点设一个三角堰，并没一根布水管，布水管 气 两南大学硕十学1 _ 7 ：论文 由集气罩之间的回流缝通向布水点。这种布水系统可以确保布水均匀，并易于发现某根管的 堵塞情况，也易于及时清通。 1 3 2 布水管道 对于各种布水系统，污水进入u b f 反应器时可能会带有空气，这样会引起对甲烷菌的抑 制作用；进入大量气体与产生的沼气会形成有爆炸可能的混合气体；同时，气泡太多可能还 会影响沉淀功能。因为大于2 m m 直径的气泡在水中以大约0 2 - 0 3 m s 速度上升，采用较大的 管径使液体在管道的垂直部分的流速低于这一数值，可适当地避免超过2 m m 直径的空气泡进 入反应器，同时还可避免气阻。在反应器底部用较小直径，形成高的流速产生较强的扰动， 使进水与污泥之间混合加强。 污水中存在大的物体可能堵塞进水管，设计良好的布水系统要求可疏通堵塞；对于压力 流采用树枝管式，需考虑设液体反冲洗或清通装置，可采用停水分池分段反冲；采用穿孔管 式布水管道，布水管道尾端最好兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞：采用上给式布水系统， 如果进水水位差仅仅比反应器的水位稍高( 水位差小于1 0 e r a ) 将经常发生堵塞。在水箱中的 水位与反应器中的水位差大于3 0 c m 很少发生这种堵塞。无论采用那一种布水方式，尽可能少 地采用弯头等非直管。 6 第2 章绪论 第2 章绪论 2 1 研究背景和意义 随着农业生产集约化模式的发展，规模化养殖场逐渐成为全国各地畜禽饲养的一种重要 模式，虽然该模式具有饲养规模大，生产效益高，容易集中控制成本，提高眚禽产品质量的 诸多优点，但同时也带来了大量的畜禽废弃物，越来越大的饲养规模已经超过了传统的就地 土壤消化农业废弃物的能力。产生大量的未经处理的粪便和粪水，造成了较重的环境污染。 目前国内大部分养殖场的污水处理设施尚不够完善，大多数都无法达到废水排放标准。近年 来国内外学者对畜禽养殖业污水处理技术进行了深入的研究，不少新技术新工艺被应用到养 殖废水处理中来。其中，u b f 工艺在养殖场废水处理方面的应用就是一个创新之举。 u b f 反应器是u b f 工艺中废水进行厌氧消化的场所，u b f 反应器运转的好坏直接影响到 废水处理的效果。其中布水系统布水的均匀性对u b f 反应器处理能力至关重要。布水均匀可 以避免反应器内部出现“短流”和“死区”，充分利用池体的空间；调整布水系统，控制其水 力上升流速，亦可避免出现“液泛”现象或床层处于“静置”状态。目前，因u b f 反应器布 水系统的设计缺陷造成废水处理效果不佳的情况比较严重，而且大多数文献资料主要从生化 工艺方面研究u b f 工艺的处理效果，很少涉及反应器内液体的流动对处理效果的影响。因此， 有必要从水力学角度来探讨流场对u b f 反应器处理能力的影响。 计算流体动力学在近二三十年中有了突飞猛进的发展，它是数值模拟在流体力学方面的 应用，具有很好的解决实际问题的能力。数值模拟的方法具有实验研究的方法无法比拟的优 点：成本低；速度快；资料完备；具有模拟真实条件的能力；具有模拟理想条件 的能力。著名的计算流体力学软件公司f l u e n t i n c 生产的f l u e n t 软件具有丰富的物理模型， 使用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等复杂的流动现象，在计算 流体动力学研究领域具有明显的优势。创新地运用f l u e n t 软件，模拟分析养殖场u b f 反应 器的布水系统，并在此基础上对u b f 反应器布水系统进行优化改进，从而解决冈布水系统布 水不均导致的u b f 工艺废水处理效果不佳的问题，这正是本文研究的意义所在。此外，对于 减少农业生产环境污染，保护可持续生产和发展同样具有重要的现实意义。 2 2 研究目的及内容 2 2 1 研究的目的 根据我国规模化畜禽养殖场废水处理的现状，将u b f 工艺应用到养殖场废水处理方面， 通过使用计算流体动力学数值模拟软件f l u e n t ，分析养殖场u b f 反应器布水系统的均匀性， 并在此基础上对u b f 反应器布水系统进行优化改进，以期得到具有实用价值的优化方案，为 将来u b f 反应器布水系统的设计提供一些有价值的参考。 2 2 2 研究的内容 本文研究的主要内容有： 7 两南人学硕十学何论文 8 通过传统设计方法对养殖场u b f 反应器布水系统进行水力设计： 总结f l u e n t 软件对布水系统数值模拟时各种计算参数的确定原则和方法； 运用f l u e n t 的前置处理软件g a m b i t 对养殖场u b f 反应器布水系统进行建模； 运用f l u e n t 软件对养殖场u b f 反应器布水系统模型进行分析； 通过分析，确定养殖场u b f 反应器布水系统合理的优化方案； 运用f l u e n t 软件分析优化方案的效果，为u b f 反应器布水系统的设计提供一些有价 值的参考。 第3 幸u b f 反府器布水系统的水力设计 第3 章u b f 反应器布水系统的水力设计 养殖场u b f 反应器布水系统是厌氧反应器设计的关键部分之一。由于污泥中具有人量良 好培育的厌氧细菌体，进水与底部污泥的的充分接触和混合，并且在反应器主要反应区的流 动状态利反应效果，都与布水系统的设计有着密切的关系。 3 1 布水系统设计原理概述 u b f 反应器主要采用从底部均匀分布的布水管道出水口进液的方式，出水口数目，出水 口分布的均匀性，出水口喷嘴设计，出水口流速的大小，是养殖场u b f 反应器布水系统设计 的重要内容。 出水口数目与污泥种类及反应器容积负荷有关，采用l e t t i n g a 和h u s h o f fp o l 给出的u b f 出水口数目的计算方法依据公式( 3 1 ) 确定。 刀龠；a(3-1) 2i 式中：a - 反应器罐体底面积；a 每个布水点平均占有的面积。 其中每个出水口平均占有的面积由表3 1 p 9 】选取。对于一般养猪场废水，其容积负荷为 8 1 0 k g c o d ( m 3 d ) 3 引，最理想的污泥状态是颗粒状态或至少是中等浓度以上絮状污泥状态，此 时a 取2 或2 以上。 显然由于a 已经确定。所选取的a 越小，玎肃越大，出水口越多有利于提高布水系统的均 匀性，但在一定的总进水流量下，每个出水口处的流场流速将下降，这对间隙式进水系统而 言，沉淀的污泥不容易在反应器中沸腾和流动，将会影响反应器中污泥和废水的充分接触， 降低处理效果。因此，应根据出水口方式和流速大小以及表3 1 ，综合考虑后选择适当的出水 口数目。 表3 - 1u b f 反应器布水系统出水口数量的计算依据 t a b l e 3 - 1b a s i sf o rc a l c u l a t i n gt h en u m b e ro fo u t l e t si nw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo fu b fr e a c t o r 对于间歇式进水方式，进水间歇，反应器内的污泥颗粒可能会克服产气气泡的上浮托升 力而下沉，为了防止布水管道出水口被堵，同时为了增加高速喷水对污泥床的搅动作用，除 9 两南大学硕十学仲论文 了考虑进水时间的分配尽量均匀、防止沉降时间过长以外，设计中还需使布水管道出水口的 方向在均匀布水的前提下使其弯头朝下直接冲射污泥床，使更多的污泥很快进入流动状态上 升岬j ，并迅速和废水混合进行厌氧反应。弯头的形式最好应该为渐缩式，其弯曲部分高度， 应能充分搅动整个污泥床，并且不会形成太大的静止污泥层。 图3 - 1 表示不同的布水管道出水口形式对污泥的搅动效果：采用常规的山水口布水方式 ( 如图a 所示) ，出水口朝上，依据淹没射流理论1 4 0 l ，从布水系统出水口高速流出的流体向上 形成射流带，使得射孔之间的区域在初始段流速很低这一区域的污泥颗粒不易被搅动，依靠 射流的卷吸作用带动一部分污泥向上流动，直到所有射流区域融合，出水时流动污泥颗粒少， 影响悬浮及和废水的充分交换接触影响发酵效果；而采用图b 的方式，高速射流首先直射污 泥颗粒层，使得污泥颗粒首先被搅动然后在射流受阻后返回向上运动时，将已经搅动的大量 污泥