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基于节能减排的改良型氧化沟流场优化与污泥制备建材的探索

杨晓  
【摘要】:城镇污水处理厂运行中存在能耗较高、污泥处理处置困难、中水回用困难等问题。在国家“十一·五”制定节能减排政策的背景下,基于节能减排的污水处理厂的优化运行是目前广泛被关注的课题。本论文以平顶山市污水处理厂二期氧化沟工艺为研究对象,从以下三个方面展开污水处理厂的节能减排初步探索: (1)利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)模拟技术对氧化沟流场进行优化运行研究,对氧化沟的曝气转碟和水下推进器选择合适模型,通过现场实测数据和模拟结果的对比研究,证明了优化运行的合理性。 由于所研究的氧化沟内共设有曝气转碟13组,每组有碟片45片,设有9台水下推进器,造成了模型构建复杂和模拟运行计算量大等问题。本文中首次利用滑移壁面模型(Moving wall model)和风扇模型(Fan model),采用FLUENT软件分别实现了对氧化沟内动力来源——曝气转碟和水下推进器的模拟,最终实现对氧化沟内混合液流场分布的模拟。模拟数据与实测数据进行对比,部分位置模拟流速比实测流速偏小,但两者的流场分布整体趋势吻合良好。 分别模拟了现有运行模式下和优化运行模式下平顶山污水厂氧化沟内混合液的流场分布。对不同工况下的模拟数据进行了分析,从实测数据和模拟结果对目前氧化沟运行模式提出以下能耗优化配置的建议:现有运行模式开启曝气转碟共9台,其中非变频转碟4台,变频转碟5台,开启水下推进器共3台。优化运行模式开启曝气转碟共6台,其中非变频转碟2台,变频转碟4台,开启水下推进器共6台。根据模拟和实测结果对比分析发现,优化运行模式每小时比现有运行模式节省电能98.43 kWh,约合节省28.5%的电能。 (2)从污泥含水率高,脱水困难的瓶颈问题出发,提出基于骨架构建体的污泥脱水及泥饼制备建材资源化的技术,有效解决了污泥有机物含量高导致的泥饼压缩问题,初步探讨了脱水泥饼制备烧结砖和蒸压砖的可行性。 基于骨架构建体的污泥脱水,有效解决了污泥有机物含量高导致的泥饼压缩问题,结果表明采用粉煤灰和生石灰作为调理剂进行污泥的脱水实验时的优化配方为:100 mL湿污泥中添加粉煤灰5 g,生石灰5 g,调理后污泥比阻降至10 7s2/g,脱水后泥饼含水率为45%左右。 在以骨架构建体脱水的基础上积极探索资源化的方法和工艺,进行了脱水后泥饼制备烧结砖与蒸压砖的实验研究,通过XRD、SEM等手段对其强度及耐久性机理进行了分析。结果表明以采用最优工业脱水后的泥饼为原料制备烧结砖,粉煤灰-粘土烧结砖掺入中40%污泥泥饼后抗压强度和抗冻性均可以达到烧结普通砖(GB5101-2003)国家标准。 采用配比为泥饼掺量为50%,炉渣掺量为39%,粉煤灰掺量为5%,水泥掺量为6%时制备蒸压砖时,含水率控制在20%,在20MPa下压力成型,养护制度为180℃,0.8 MPa蒸汽养护8 h,得到的样品进行强度、浸出毒性和耐久性测试。样品的强度性能、抗冻性能达到蒸压灰砂砖标准(GB11945-1999)中MU15的要求。样品碳化系数为0.83,在27℃、40℃、60℃分别进行干湿循环和冷热循环后,抗折强度达到2.5MPa以上,抗压强度达到10MPa以上,样品的强度性能、抗冻性能同样能够达到蒸压灰砂砖标准(GB11945-1999)中MU15的要求。XRD和SEM分析表明,污泥蒸压砖中的主要物相为:CSH凝胶、水化石榴石、莫来石、石英、方解石、其中CSH凝胶、水化石榴石是强度的主要贡献者。不同温度下的干湿循环和冷热循环对样品内物相有一定的影响。 本论文利用计算流体力学模拟技术对氧化沟流场进行了优化运行研究,以基于骨架构建体的污泥脱水及泥饼制备建材资源化的技术探讨了脱水泥饼制备烧结砖和蒸压砖的可行性。对平顶山市改良型的氧化沟工艺运行中优化动力配置降低运行能耗、污泥脱水处理-建材资源化的初步探索,对国内其他污水处理厂开展节能减排的研究具有一定的参考价值和指导意义。


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