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氧化塘扩散因素研究 环境工程专业 研究生宋若远指导教师王向东 氧化塘是一种投入小、耗能少、管理费用低的污水处理设施。在发达国家 和发展中国家被广泛用于处理城市污水和多种工业废水，并取得了显著的环境 效益和社会效益。近年来，我国胜利油田利用氧化塘处理高含盐采油废水也取 得了较好的效果由于氧化塘内发生的反应比较复杂，影响有机物去除的因素 也比较多，目前还没有建立起以严密理论为基础的设计方法，仍局限于现有的 经验数据和经验公式对氧化塘进行设计，这阻碍了氧化塘污水处理技术的发展 因此，需要对氧化塘数学模型做进一步研究，建立具有普遍意义的氧化塘数学 模型，指导氧化塘的优化和放大设计，这对促进氧化塘污水处理技术的不断发 展具有十分重大的意义 本研究采用酸性大红g r 作示踪剂，对多种情况下的单池式氧化塘模型和折 流式氧化塘模型进行了示踪实验，研究氧化塘的水流特性和传质状况。研究表 明，氧化塘模型内流态显著偏离理想模型推流模型和完全混合模型。用带 纵向扩散的推流模型和完全混合串联模型可以很好地描述模型氧化塘的特点 通过对示踪实验所得结果进行数据拟合，得到关于扩散系数d 的经验公式： 单池式扩大模型：d = i o ”h l ”u “l “ 折流式扩大模型：d 盘翌= 将扩散系数d 的经验公式带入公式p e = u l d ，推导出传质准数p e 的计算 公式： 单池式扩大模型：p e - - 而五旨予 l 折流式扩大模型：p e ；而兰斋 研究所得p e 的经验公式可较好地应用于带纵向扩散推流反应器模型和串 联完全混合反应器模型应用桩西联氧化塘和现河氧化塘的运行数据对单池式 扩大模型进行检验，所得的平均相对偏差均小于2 。说明本研究p e 的计算公 式适用于带纵向扩散推流反应器和完全混合串联反应器两种模型，并具有较好 准确性和实践性。 应用所得单池式扩大氧化塘经验公式所建立的数学模型，对现河氧化塘进 行改造设计，在增设导流墙后，预计现河氧化塘的处理能力可从目前的 4 0 0 0 0 m 3 d 增加到6 0 0 0 0 m 3 d 。 在长宽比相同时，横向折流式氧化塘水流状况优于纵向折流式氧化塘水流 状况；从节约投资成本的角度出发，折流式氧化塘设计长宽比不应超过8 。 本研究为氧化塘处理技术提供了可靠的理论支持，可供实际氧化塘优化、 设计以及改造时使用。 关键词：氧化塘示踪实验流动模型传质准数p e 扩散因素数学模型 s t u d yo nd i f f u s i o nf a c t o ro fo x i d a t i o np o n d e n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：s o n gr u o - y u a ns u p e r v i s o r ：w a n gx i a n g d o n g o x i d a t i o np o n di so n ek i n do f w a s t e w a t e rt r e a t m e n te s t a b l i s h m e n t s ，w h i c hi s f e a t u r e db yl e s si n v e s t m e n t , e n e r g ye , o n s u m ea n dm a n a g e m e n te x p e n s e s o x i d a t i o n - p o n di sw i d d ya p p l i e dt ot r e a tm u n i c i p a ls e w a g ea n dv a r i o u si n d u s t r i a lw a s t e w a t c r s i nt h e d e v e l o p e d o r d e v e l o p i n g c o u n t r i e s ，a n dh a v eo b t a i n e dr e m a r k a b l e e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n ds o c i e t a le f f i c i e n c y i nr e c e n ty e a r s ，s h e n g l io i lf i e l d a d o p t e di tt ot r e a to i le x t r a c t i o nw a s t e w a t e r , w h i c hc o n t a i n e dc o n c e n t r a t e ds a l t , a n d t h ee f f e c tw a sf a i r l yg o o d h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fr e a c t i o n si nt h e o x i d a t i o np o n da n dt h ev a r i e t yo ff a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h er e m o v a lo ft h e o r g a n i cm a t e r i a l s ，d e s i g nm e t h o d sb a s e do nr i g i dt h e o r yh a v en o tb ef o u n d e d s of a r ， a n dt h ed e s i g ni ss t i l ll i m i t e di ne x i s t i n ge x p e r i e n c ed a t aa n df o r m u l a s ，w h i c h i m p e d e st h ed e v e l o p m e n to f o x i d a t i o np o n dt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o m a k ef u r t h e rs t u d yo nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fo x i d a t i o np o n da n de s t a b l i s h u n i v e r s a lm a t h e m a t i c a lm o d e lt o g u i d et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dl a r g e - s c a l e d e s i g n , w h i c hi so fg r e a ti m p o r t a n c et op r o m o t et h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n to ft h e o x i d a t i o np o n dw 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 y i nt h i sr e s e a r c h , a c i d 嘶g h tr e dg rw a su s e d 龉t r a c e rt om a k et r a c e e x p e r i m e n t so ns i n g l ea n db a f f l e do x i d a t i o np o n du n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sa n dt h e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a s st r a n s f e rc o n d i t i o n sw a ss t u d i e d n 圮r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ef l o wf o r mi nt h eo x i d a t i o np o n dm o d e lw a so b v i o u s l yd i f f e r e n t f r o mt h ei d e a lp l u gf l o wa n dc o m p l e t e - m i x i n gf l o wm o d e l ，b u tt h et a n d e mm o d e l c o m b i n e do fp l u gf l o wm o d e lw i t hv e r t i c a ld i f f u s i o n ( p f d ) a n dc o m p l e t e - m i x i n g m o d e ic o u l dd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o d e lo x i d a t i o np o n dv e r yw e l l a 1 1 1 e x p e r i m e n t a lf o r m u l aa b o u td i f f u s i o nc o e f f i c i e n tc o u l db eo b t a i n e dt h r o u g h d a t af i t t i n ga c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f 仃a c ee x p e r i m e n t s s i n g l ep o n ds c a l e u pm o d e l ：d = i o “8 h 1 0 8 5 u 19 3 8 l 0 0 0 5 2 b a f f l e d s c 拈u pm o d e i ：。= 等 r e p l a c e dd i np e = u l dw i t he x p e r i e n c e df o r m u l aa b o u td i f f u s i o nc o e f f i c i e n t d ，a n dt h ec a l c u l a t e df o r m u l aa b o u tm a s st r a n s f e rn u m b e rp ec o u l db ed e d u c e da s f o l l o w s ： s i n g l ep o n ds c a l e 。u pm o d c l ：h2 而斋 嘣e a s c 如一u p r o o d 扎& = 黑 t h eo b t a i n e de x p e r i e n c e df o r m u l aa b o u tp ec o u l db ea p p l i e di nm o d e l so fp f d a n dt a n d e mc s t rp r e f e r a b l y a p p l i e dt h eo p e r a t i n gd a t ao fz h u a n g x i l i a na n d x i a n b eo x i d a t i o np o n dt ov e r i f yt h es i n g l ep o n ds c a l e - u pm o d e l ，t h em r ew a sl e s s t w o p e r c e n t , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fp ei nt h i sr e s e a r c h w a sa p p l i c a b l ef o rb o t hr e a c t o rm o d e l sa n d h a du p p e rv e r a c i t ya n dg o o dp r o p e r t yo f p r a c t i c e a p p l i e dt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e d f o r m u l ao fs i n g l ep o n ds c a l e u po x i d a t i o np o n dt om a k er e c o n s t r u c t i o nd e s i g nf o r x i a n h eo x i d a t i o np o n d ，a f t e ra d d i n gag u i d ew a l l ，i tc o u l db ep r e d i c t e dt h a tt h e t r e a t m e n tc a p a c i t yc o u l db ei n c r e a s e df r o m4 0 0 0 0 蠢| aa tp r e s e n tt o6 0 0 0 0m ：d p o n d so fl a t e r a lb a f f l e sh a du p p e rh y d r a u l i ce f f i c i e n c yt h a np o n d so fv e r t i c a l b a f f l eu n d e rt h es a m er a t i oo fl e n g t ha n dw i d t h c o n s i d e r i n ge c o n o m i z i n gc o s lt h e r a t i oo fl e n g t ha n dw i d t ho f b a f f l e dp o n d ss h o u l dn o te x c e e d8 t h i sr e s e a r c hr e s u l t sc o u l dp r o v i d ec r e d i b l et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h e o x i d a t i o np o n dw 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 ya n dc o u l db ea p p l i e dt oo p t i m i z e ， d e s i g na n dr e c o n s t r u c tt h er e a lo x i d a t i o np o n d k e yw o r d s ：o x i d a t i o np o i l dt r a c ee x p e r i m e n tf l o wm o d e lp e c l e tn u m b e r d i f f u s i o nf a c t o rm a t h e m a t i c a im o d e l 四川大学硕士学位论文 1 前言， ， 1 1 氧化塘概述 氧化塘( o x i d a t i o np o n d s ) ，又名稳定塘( s t a b 订i z a t i o np o n d s ) 、生物 塘，塘一词本来是指小型沼池。在污水处理领域内，氧化塘则是一种类似池塘 ( 无论是自然形成或人工掘成) 的处理设施。氧化塘净化机理在5 0 6 0 年代就 有深入研究“，后来陆续提出各种设计方法，并得到广泛应用。氧化塘主要是 依靠自然生物净化功能使污水得到净化的一种生物处理技术。污水在塘中的净 化过程与自然水体的自净过程相近，污水在塘内经较长时间的缓慢流动、贮存， 通过微生物( 细菌，真菌、藻类、原生动物) 的代谢作用，使污水中的有机污 染物降解，污水得以净化。水中的溶解氧，是由塘内生长的藻类通过光合作用 和塘面的复氧共同作用的结果“。” 氧化塘净化全过程，包括好氧、兼性和厌氧三种状态。按塘中充氧状况和 微生物的优势群体不同，可将氧化塘分为”1 ：好氧塘( a e r o b i cp o n d s ) 、兼性 塘( f a c u l t a t i v e p o n d s ) 、厌氧塘( a n a e r o b i cp o n d s ) 和曝气塘( a e r a t e dp o n d s ) 氧化塘废水处理技术能够被广泛应用于污水处理领域，主要是因其具有一些较 为突出的优点嘲： ( 1 ) 基建投资低，当有旧河道、沼泽地、荒滩、谷地可利用作为氧化塘时， 氧化塘系统的基建投资低。 ( 2 ) 运行管理简单经济，氧化塘运行管理简单，动力消耗低，运行费用较低， 约为传统二级处理厂的1 3 1 5 ( 3 ) 可进行综合利用，实现污水资源化如将氧化塘出水用于农业灌溉，能 充分利用污水的水肥资源；养殖水生动物和植物，可组成多级食物链的复合生 态系统。 氧化塘污水处理技术在具有上述优点的同时，也存在着一些不足之处： ( 1 ) 占地面积大，没有空闲余地时不宜采用 ( 2 ) 处理效果受气候影响，如季节、气温、光照、降雨等自然因素都影响稳 定塘的处理效果 ( 3 ) 至今氧化塘仍无公认的设计方法 ( 4 ) 设计运行不当时，可能形成二次污染如污染地下水、产生臭气和滋生 蚊蝇等。 四川大学硕士学位论文 虽然氧化塘存在这样一些问题，但是由于具有修建费用低廉，能耗低，易 于维护管理等优点，它仍然是一种优良的污水处理技术如果能进行合理的设 计和科学的管理，利用氧化塘处理污水，则可获得明显的环境效益、社会效益 和经济效益。 水污染已经成为当今世界的公害，处理各种废水、保护水资源已刻不容缓。 目前广泛采用的污水处理技术有活性污泥法、生物膜法、氧化塘处理法、厌氧 生物处理法等等嘲。其中氧化塘是最古老的生物处理方式，已经以某种方式应 用了3 0 0 0 多年，具有悠久的历史后来，随着以活性污泥法和生物膜法为主废 水处理厂的发展以及氧化塘本身占地过多、产生气味等原因，氧化塘的发展一 度处于低谷状态。到2 0 世纪6 0 年代后期，随着世界性的能源危机，迫使人们 重新审视氧化塘的使用价值。由于氧化塘具有基建投资少、工程周期短、运行 费用低廉、管理简便、效果稳定可靠、节约能源、能够去除多种污染物( 包括n 、 p ) 、也无需污泥处理和可进行综合利用等优点而倍受关注“”，随之氧化塘处 理污水技术在全世界各地得到蓬勃发展。 氧化塘污水处理技术起源于亚洲，发展于欧美，它的应用可以追溯到十六 世纪的欧洲“3 。州。美国第一个有记录的塘系统，是1 9 0 1 年得克萨斯州的圣安东 尼奥市修建的，该塘面积为2 1 3 4 公顷、深1 4 米，总容量达3 l 万立方米。欧洲最 早而且至今仍在使用的塘，是1 9 2 0 年在德国巴伐利亚州慕尼黑市建造的塘“”“， 该塘占地2 3 3 公顷。最初由于缺乏对氧化塘污水处理技术各种性能影响因素的了 解，使其只能应用在一些出水水质要求不商的场合，近年来，随着一些基本原 理的应用，包括对影响藻类繁殖因素的了解和掌握，开发出了曝气氧化塘系统 “”1 ，使出水水质明显改善，拓宽了氧化塘污水处理技术的适用范围。目前，美 国有7 0 0 0 多座氧化塘，德国有2 0 0 0 多座氧化塘，法国有1 5 0 0 多座稳定塘：在俄罗 斯，氧化塘已成为小城镇污水处理的主要方法m 1 氧化塘除了能够很好地处理生 活污水，对各种废水也都表现出优异的处理效果，广泛应用于处理石油、化工、 纺织、皮革食品，制糖、造纸等工业废水。 在我国，关于氧化塘技术原理的应用始于我国汉朝。直到本世纪5 0 年代我 国才真正开始研究和应用氧化塘处理技术，并在实践中不断加以完善2 0 世纪 8 0 年代，国家环保局主持了被列为国家“七五”和“八五”科技攻关项目的氧化 塘技术研究，在氧化塘的生物强化处理机理、设施运行规律，设计运行参数等方 2 婴业奎兰堡主兰竺丝苎 面，取得了许多有价值的研究成果目前，我国规模较大的氧化塘有：日处理2 0 万i n ，城市污水的齐齐哈尔氧化塘、日处理1 7 万m 3 城市污水的西安漕运河氧化塘、 日处理8 万m 3 化工废水的湖北鸭儿湖氧化塘和日处理3 万一城市污水的山东胶州 氧化塘等1 其中较有名的是由中科院水生植物研究所设计的湖北省鸭儿湖氧 化塘和超大型的齐齐哈尔氧化塘，净化有机物能力和效果均令人满意噼1 。此外， 由四川大学与胜利油田共同研发的桩西联和现河氧化塘，日处理采油废水能力 分别为2 万m 3 和4 万m 3 ，是我国目前处理高含盐采油废水最为成功的方法。 近4 0 年来，各国实践证明，氧化塘能够有效的用于生活污水、城市污水和 各种有机工业生产污水的处理；能够适应各种气候条件，如热带、亚热带、温 带甚至于高纬度的寒冷地区；能够用于一级，二级或三级水处理。氧化塘是一 种既古老而又年轻，具有广阔发展空间的污水处理技术。 由于氧化塘内发生的反应比较复杂，影响有机物去除的因素也比较多，目 前还没有建立起以严密理论为基础的设计方法，仍按经验数据和经验公式进行 稳定塘的设计。但现有的经验公式又只有较窄的适用范围，在用于实际氧化塘 的设计计算是难免产生较大的偏差因此，有必要建立准确合理的氧化塘数学 模型，以满足氧化塘污水处理技术不断发展的需要 1 2 研究的理论基础 1 2 1 化学反应器理论基础 化学反应器理论是工业反应器和水处理反应池的基础。氧化塘是一类内部 流动状态非常特殊的反应器氧化塘内水流速度较为缓慢并且流向很不规则， 易受风向影响：塘内水深不一致，难以确定塘内存水量；塘内水温变化大，且 与气温高低变化关系密切；塘内的植物和浅滩( 尤其是“岛屿”) 对水力停留时 间影响显著；此外，氧化塘内微生物系统是一种自然形成的生态系统，难以人 为控制。因此氧化塘的研究内容特别复杂，研究周期也较长。一般需要l 3 年 时间伽氧化塘作为一类内部流动非常特殊的反应器，要研究塘内水力学行为， 必须应用某些化学反应器理论。 ( 1 ) 化学反应器分类：化学反应器是发生化学反应的容器，是化工生产的 核心部分。化学反应器有多种分类方法，化学反应器按操作方法来分，可分为 间歇、连续和半间歇反应器；按物料相态来分，可分为均相反应器和非均相反 塑型查兰堡主兰焦堡塞 应器。”。本研究中氧化塘属于连续、均相反应器 ( 2 ) 反应器内物料的流动模型：一般对连续反应器而言，流动模型可分为 理想流动模型和非理想流动模型。 理想流动模型：为了设计计算方便，人们按各类反应器内物料实际流动状 态的特点假定了两种极限流动模型，称为理想流动模型，它们分别为理想推流 模型和理想混合模型。 a 理想推流 此种流动模型的特点是通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流 动，在流动方向上没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同 的，在稳定操作情况下同一截面上的物料组成不随时间变化，不同停留时间的 物料粒子完全不相混合，如图1 1 所示。 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - u - - - - 专 图1 1 理想推流模型示意图 b 理想混合 此种流动模型是指反应物料以稳定的流速进入反应器后能立即与存留在反 应器中的物料发生瞬间的完全混合因此在整个反应器中物料的浓度和温度都 相同，且等于反应器出口物料的浓度和温度，在反应器内不同停留时间的物料 粒子完全均匀混合。理想混合模型见图1 2 所示。 图1 2 理想混合流动模型示意图 4 r 一 四川大学硕士学位论文 非理想流动模型：凡是流动状态偏离理想推流和理想混合两种极限情况的 流动统称为非理想流动。管式反应器的层流状态，由于管壁的粗糙度和物料的 粘滞力造成物料的粒子在反应器中的停留时问不等，湍流状态的涡流扩散等因 素引起不同停留时间的物料粒子相互混合( 通常称为返混) ，都使物料流动状态 偏离了理想推流。实际反应器都是非理想流动，按照偏离理想流动模型程度不 同来确定能否按照理想流动模型计算当偏离程度较小时则可按理想流动模型 计算；当偏离较大时不能按理想模型计算，需用测定停留时间分布的方法确定 流动模型，如偏离程度多大、相当于多少个理想混合模型等进行设计计算。 ( 3 ) 反应器放大：化学反应器的设计放大是一个复杂的问题，因为化学反 应除具备其本身的动力学特征外，还受到物料的流动规律、传质和传热等多方 面因素的影响，这些因素的影响在小试设备和大的工业反应器中是不同的。目 前使用的化学反应器放大法有哺：经验放大法；相似放大法；数学模型 法。对于产品的产量小、物料流动规律差异较小、传质传热等要求容易解决、 放大效应的影响相对较小的情况，可以采用逐级经验放大法进行反应器的设计 和选型。目前对于实际的反应器放大，多采用相似放大法和数学模型放大法 相似放大是根据相似理论，使原型设备与放大设备之间存在某种相似，以进行 放大，这种方法对单元操作设备是简易而行之有效的方法。数学模型法是用数 学模型描述反应器内的反应过程，优点是：有理论依据，有普遍意义，可以推 广，而且省时节资，放大周期短，放大倍数高。可以预测，随着人们对反应过 程基本规律认识的不断加深，数学模型放大法将逐步成为反应器放大法的主流。 1 2 2 相似原理 ( 1 ) 相似原理：相似的现象都属于同类现象，所以它们遵循同一客观规 律，能用同一微分方程所描述但通过对描述现象的微分方程的求解，只能获 得对同一类型的各种流动都适用的通解。若要求得某一具体流动的特解，还必 须给出称之为“单值条件”的附加条件。因此，相似现象的单值条件必相似 所谓单值条件包括几何条件( 形状与大小) 、物理条件( 密度、粘度等) 、边界条 件( 进口与出口及壁面处流速的大小等) 、初始条件( 开始时刻流速、温度、物性 参数等) 单值条件能够在服从同一规律的无数现象中单一地划出某一具体现 5 四川大学硕士学位论文 象。对所有满足同一微分方程的流动现象，若其中两种流动现象的单值条件完 全相同，n - 者是相同的同一种流动；若两种流动现象的单值条件相似，n - 者相似；若两种流动现象的单值条件既不相同也不相似，那么二者就既不相同 也不相似由于描述相似现象的物理量各自互成比例，而这些量又满足同一微 分方程组，所以各量的比值( 相似倍数) 不能是任意的，而是相互制约的”1 。 ( 2 ) 相似放大：相似放大法通常指以相似论和因次分析为基础的相似模拟 放大法，又称为“比拟放大”，多用于化工单元操作的开发放大。相似放大法的 研究方法是将影响过程的各种因素根据因次论或相似论推导出由若干无因次准 数组成的准数方程，然后通过模型试验测定相关准数方程中的系数，使准数方 程具有定量的关系。用以进行放大时，只要保持放大后的系统与模型系统中的 准数数值相等即达到了大小两系统相似，故可按准数方程进行模拟放大设计。 如果过程比较复杂，涉及的相似准数较多，往往很难满足所有准数数值相等的 相似条件此时，只有找出主要相似准数并以此为依据进行放大瞪，。 ( 3 ) 模型实验的理论基础啪1 。模型实验的理论基础是相似原理，要求在模型 中重现原型的水流运动以及污染物的迁移扩散。f i s c h e r 在进行变态水力模型 的离散研究时认为呻1 ，如果污染物的离散满足纵向一维离散方程，要求模型准 确重现污染物云团的离散，必须有： 砧= 式中，砧为纵向离散系数比尺； 九为长度比尺； 丑为时问比尺。 由时间t = l u ，有 = 。 式中， 。为断面平均速度比尺。 将式( 卜2 ) 代入( i - i ) ： 砧= 九如 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 又因d = d u l ，我们可以得到离散数d 的比尺： 九= 九= 1 ( i - 4 ) 6 , ajr l 大学硕士学位论文 式( 1 - - 4 ) 说明，在进行氧化塘的模型试验时，不论我们采用何种模型设计 原则进行模型设计，模型中的扩散因素与原型中的扩散因素是相同的。换句话 说，模型中得到的扩散因素可以推广到原型中去。 1 3 氧化塘数学模型研究现状 2 0 世纪7 0 年代，随着世界性能源危机的到来，氧化塘污水处理技术因其 一些特有的优势而倍受关注，被广泛应用于生活污水、城市污水和各种工业污 水的处理。国内外大多数已建的氧化塘大都没有认真进行设计，对进出水方式 不考究，因此短路现象严重，塘内死区占相当比例，使有效容积减小，实际的 水力停留时间远小于理论停留时问，这必然会影响到有机物的处理效果m 1 随 着氧化塘处理技术的应用和发展，传统的经验设计方式已经不能满足现代技术 发展的要求，因此描述氧化塘运行规律的数学模型越来越引起人们的重视而 研究氧化塘数学模型的关键在于氧化塘中流动模型一氧化塘的水流特征研究。 在氧化塘水流特征研究中，多数学者都借用了化学反应器的基本理论。研 究氧化塘中的流体流动模型是氧化塘选型、设计和优化的基础。在氧化塘研究 中采用的模型主要有：理想推流模型、完全混合模型、纵向扩散模型、串联的 完全混合模型、组合模型，这些模型都各有支持者。流动模型是反应器中流体 流动与反混程度的描述，流动模型可分为两大类：理想流动模型和非理想流动 模型。 1 3 1 理想流动模型 理想流动模型包括理想推流模型和完全混合模型，它们是实际反应器流态 两种极端情况的数学描述。 ( 1 ) 推流模型( p f ) 在理想推流模型中，没有混合( m i x i n g ) 和离散( o i s p e r s i o n ) ，扩散因素d 为0 。其主要特征是在一理想的推流式反应器中，流体是以有秩序的均匀状态 通过，前后相邻的流体元不发生纵向( 流动方向) 上的混合，也不发生横向( 垂 直于流向) 上的混合，即只在纵向上存在浓度梯度也就是说在推流式反应器 中反应物的浓度将随流动的轴向而变化。这一条件使在给定废水负荷之下的塘 容积最小，费用也最低。1 9 6 1 年，f a i r 田1 和e c k e n f e l d e r 哪在废水处理设计时 7 四川大学硕士学位论文 了此模型。这种流型可利用氧化塘的全部横断面，可在塘的给定几何尺寸 力特征下提供最大的转化率。 ( 2 ) 完全混合模型( c s t r ) 假设废水进入塘后，立即被均匀分散到整个塘内，扩散因素d 一一。其主 要特征是在反应区内各点的浓度相同，温度相同，且等于反应器出口处物料的 浓度和温度。并且反应器内各点的反应速率也相同。根据此公式算出的结果虽 然很安全，但计算出的占地面积却远远大于实际所需的面积，导致了基建费用 的成倍增加，因此对氧化塘应用完全混合模型进行设计是不合理的。 氧化塘作为一类内部流态十分特殊的反应器，内部反混情况严重，既显著 偏离推流模型又显著偏离完全混合模型，而用非理想流动模型可以更好地描述 其内部流态。 1 3 2 非理想流动模型 推流模型和完全混合模型是理想流动的两种极限情况。实际氧化塘属于非 理想反应器，它既不象推流模型也不象完全混合模型，或有些象推流模型又有 些象完全混合模型。通常采用测定停留时间分布的方法研究非理想流动。反应 物( 基质) 在反应池内的停留时间长短不一而形成一个分布，可称为停留时间 分布，显然，停留时问长的物料，排出时达到的反应率( 或去除率) 就高，反 之则低。可见，停留时间的长短直接影响到反应率( 去除率) 。为了更好地描述 氧化塘的水流特性，很多专家倾向于采用非理想流动模型。因为非理想流动模 型更符合氧化塘内的流动特性，它介于推流模型和完全混合模型之间目前被 采用的非理想流动模型主要有：带纵向扩散推流模型、完全混合串联模型和组 合模型。 ( 1 ) 带纵向扩散推流模型( p f d ) 纵向扩散模型是描述非理想流动的主要模型之一，即在理想推流模型上叠 加一个纵向( 轴向) 扩散的校正。对于氧化塘，一般只考虑其一维纵向传质过 程，认为氧化塘内生物反应接近一级动力学反应。 署+ 等一u 。- 等一k c ( 1 - 5 ) 式中，i 卜- 一纵向平均流速，m s ： 卜级向扩散系数，m 2 s ； k 污染物去除速率，h 1 ： x 纵向距离，m ： t 时间，h 。 在稳态条件下： 盟：0 西 所以方程( 1 - 5 ) 可以变为： u 署= d 等一圮 ( 1 哪) 通常认为氧化塘内大肠菌和b o d 的去除符合一级反应动力学关系。关于氧 化塘流动模型，虽然有些研究者假定为完全混合模式随”，有些研究者假定为 另一种极端情况推流模式m 1 但是完全混合模型假设过高评价了一级反应 速率常数，而推流模型又低估了反应速率常数汹1 对氧化塘来说，它的流动情 况既不符合完全混合模型，也不符合推流模型，而是一种介于两种极端情况之 间的离散模型，因此可以采用w e h n e r 和w i l h e l m 提出的纵向扩散模型”。 c c 枷一( 六) 若用p e ：土：丝作代换，则式( 1 7 ) 可以写成： dd 9 ( 1 7 ) 四川大学硕士学位论文 c j = c 式中， 万= f j 磊孑4 p i i 两( 1 - - 8 ) ( 1 + ) 1 p “”+ ( 1 + 卢) z p 寺“” p = 0 + 4 k t u d p ； p e - - - - p e c l e t 纵向传质准数。 ( 2 ) 完全混合串联模型 这种模型是将实际流动视为多级串联的完全混合模型， 数n 。 对于完全混合模型，稳态的一级化学反应，有 立：上 c ol + t 对于完全混合串联模型，出口浓度可以表示为： 生： ! c o 疗。+ 1 ) 采用参数为当量级 ( 1 9 ) ( i - 1 0 ) 式中，n _ 完全混合模型串联级数，( 个数) ； t - - - 理论平均停留时间，h ； t 。单一塘的理论平均逗留时间，h 。 如果tl = t 2 = = t 。- t ，则 生：芦上百 ( 卜i i ) c o ( 1 + ) ” 一 完全混合塘的串联模型，是根据反应器停留时间理论假想的一种扩散模 型。一般为停留时间分布曲线的二阶矩( 方差) 相等，即认为两个反应器的流 态相似。根据反应器流态分布理论，n 个c s t r 的串联反应器的停留时间分布曲 线为： c ：n ”e - n o 芝( i - 1 2 ) c o ，一l 其二阶矩为： ：塑二! ! ! 竺翌 ( 卜1 3 ) f 0 “d o 1 0 ? 、= 2 p e - l + e 者 p e - i + e x l g - p e ) 1 二 2 e ) 】 将表中闭式反应器公式变形后得： 一= i p 。- 2 怯) 2 “) ( 1 - 1 4 ) 1 9 7 4 年m a r a i s 【”基于对塘内底物一级动力学反应的假定，对氧化塘内大肠 菌动力学进行研究。考虑了单塘和完全混合串联塘运行的情况，认为串联系统的 处理效果要达到最大，每个塘的水力逗留时间应该相等。李平等通过室内实 验揭示了氧化塘串联处理系统较之单塘系统具有较高的抗冲击负荷能力，建立 了描述氧化塘串联系统动态特性的数学模型，验证并发展了室内实验的结论。 众多研究表明m 1 ：串联氧化塘中生物群落和生境演化呈一定的阶段性，将氧化塘 分隔成若干级，可避免由于回流和风的搅拌等引起生物群落次序混乱，并使适 应一定水质条件的生物种类能较为稳定而有效地发挥作用另外，从设计上讲， 多种塘的功能也是不一致的。在分组稳定塘系统中，由于级与级之间不存在水 流返混，因此随着级数的增加，扩散系数减小，系统越来越接近推流式反应器， 实测的平均停留时间接近于理论停留时间因此，建议在天然稳定塘的设计中 适当增加工程措施，形成多级塘系统。在防止短路方面，多个串联塘内安装导 四川大学硕士学位论文 流板更为有效 ( 3 ) 组合模型 这种模型假设氧化塘由一些相连的流动区域组成如推流、完全混合流，纵 向扩散流、死角。在这些区域中应用不同的流动模型。l e v e n s p i e l 和b i s c h o f f “” 在研究化学反应器的流动模型时，提出了一种组合模型，他们将反应器内的流 动分成两个区域：“活区”和“死角”。h o v o r k e 在1 9 6 1 年曾经提出一个比较复 杂的组合模型“有限级”模型，1 9 7 3 年该模型被用于氧化塘研究。这个模 型由一些单塘串联而成，每个单塘内包括推流、“死角”、和完全混合单元。使 用这个模型需要知道5 个参数。这些参数的值不能预测，而必须通过使收集到 的示踪剂实验的数据满足解析方程才能确定。这个模型在描述严重偏态( 非对 称) 出流浓度曲线方面较其它模型优越删。f e r r a r a 对氧化塘流型提出了 另一种组合模型回流模型，将塘分为主流区和回流区，主流区即从进口到 出口的中心部分，回流区即在塘内两旁流体从末端进口区域回流部分。 在该组合模型中，塘中污染物为一级反应时，主流区使用纵向扩散模型， 在回流区使用完全混合模型，可得： 生：i ( 卜1 5 ) c d 一【d ，一l 式中， 户：塑! ! q ) ( 1 + 口) 2e x p ( d 甲) 一( 1 一口) 2e x p ( - a 7 ) 扣码ik v 蕊o - p ) ，：生：d , q l 。2 d 2 d f l v 一 。；匹：! ! ! 丝垡丝 一、f 可- 2 、f 1 瓦；矿 【， 主流区平均流速，m s 卜塘水流量：1 1 1 3 s ： ，主流区容积比，芦2 ； 四川大学硕士学位论文 d ，稀释比，。，= = + q ： 巧主流区体积，m ； q 主流区流量，m s ； 级回流区流量，m s 当稀释比见较大时，式( 卜1 5 ) 可简化为： 生： c o 可以看出，回流模型比较复杂，模型中存在纵向扩散系数d ，污染物一级反 应速率常数k ，稀释比d s 和体积比b4 个待定参数。扩散系数d 可根据经验公式 估计；反应速率常数k 可选用与其情况相近的氧化塘的k 值，也可用实验方法 确定；稀释比和体积比需要借助于示踪实验与塘的运行数据的联合应用来获得 尽管应用组合模型可以较好地描述实际氧化塘内流态，但因其模型复杂，所需 的参数较难确定，使该模型的发展受到了限制。 在2 0 世纪7 0 年代，氧化塘污水处理技术重新受到人们的重视以后，国内 外众多学者对氧化塘水力学问题进行了大量研究，促进氧化塘技术的发展对 于氧化塘这类反应器内部流态可采用推流模型，完全混合模型、纵向扩散模型、 完全混合串联模型和组合模型来描述但是由于塘内的流型受塘的几何形状、 死角的大小、密度差别、进出口布置、季风等因素的影响，其内的流型介于理 想推流模型和完全混合模型之间，属于非理想的流动，所以，既不能用p f r 描 述，也不能用c s t r 描述。但带纵向扩散推流模型、c s t r 串联模型，以及各种 组合模型都能较好地描述氧化塘内流态就组合模型来说，f e r r a r a 认为，模 型越复杂，模拟越精确然而由于复杂的模拟需要更多的输入参数，更复杂的 技巧和更高的计算费用，其中最大的困难是需要输入的参数不能可靠的预测。 使用那些需要输入参数而参数一般又不能预测的模型存在两个方面的问题：一 是对每一个不同的塘都需要进行示踪实验，以确定参数二是如果进行示踪实 验，所获得的结果又只能用于该实验条件下的氧化塘这就使组合模型的发展 受到了很大程度的限制 目前多数学者更倾向于采用纵向扩散推流模型和完全混合串联模型。这两 四川大学硕士学位论文 种模型的优点：在动力学关系已知的情况下，它们只需知道扩散因素d 或纵向 扩散传质准数p e ，就可以建立模型。因此，氧化塘扩散因素d 或纵向扩散传质 准数p e 的研究以及预测成为氧化塘数学模型研究的关键。 1 4 氧化塘扩散因素d 的研究现状 氧化塘的水流状况受塘的形状、进出口结构和位置、长宽比、宽深比、雷 诺数等的影响。扩散因素本身主要反映氧化塘内流速分布的不均匀性。所以纵 向扩散系数d 或扩散因素d 是非理想流动模型的一个重要参数，也是评价塘内 流动状态的一个指标。总结前人的工作，影响d 值的主要因素可归纳为：塘的 几何尺寸；塘的迸、出口布置；塘中水流的混合程度；进水流速的大小及波动 情况；单位容积内输入能量的大小等 确定扩散因数d 或纵向扩散系数d 有两种方法：一是由实验模型或实际塘 示踪试验确定，即示踪试验法：二是根据已有塘的研究成果进行估算，即经验 公式法。由于各种条件的限制，在进行设计以前仅进行示踪试验确定扩散因素 往往不太可能。”。因此，建立扩散因素d 的预测方程具有非常重要意义。 基于对天然河流的纵向扩散因素的研究，f i s c h e r 9 ”和l i u 嘲得到的扩散因 素d ，可以描述成几何尺寸公式： f i s c h e r 方程： d = 去= 0 3 0 4 t u 瓜面- w f ( w 一+ 2 h ) ( 1 州) l i u 方程： d ：l ：o 1 6 9 ( t u v w ) 。”再( w _ + 2 h ) 一 2 ( i - - 1 8 ) ”p e ( l w h ) 2 5 为了发展他们的经验公式，p o l p r a s e r t 和b h a t t a r a i “通过小型废水稳 定塘近4 0 次染料示踪实验得到： d = 去= 坐等产 c - 叫， 式( i 一1 7 ) ( 1 1 9 ) 中， 卜塘宽，田： h - 水深，m ： 1 4 四川大学硕士学位论文 o 水力逗留时问； v 粘度，k g m s 刘鸿亮等1 推荐直接采用f i s c h e r 天然河流的成果，然而从其示踪结果与 预测结果的比较可以看出，两者相差极大。他们的公式不能被视为典型。因为 他们的示踪实验主要反映不同构造的两个小型