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生物膜滴滤床内两相流动与传输特性

陈蓉  
【摘要】: 随着社会的发展,人们对生存环境的要求日渐提高,环境污染问题逐渐引起人们的广泛重视。低浓度有机废气回收利用价值低,用传统的物理和化学方法处理,不仅难度高投资大,而且效果不好。微生物法处理低浓度废气则以其处理效果好,投资运行费用低,无二次污染等优点成为当今世界的前沿热点课题之一。在国外,已有相当数量的实际工业装置投入运行,而在我国目前还主要处于研究阶段,只见到少数有关应用方面的报道。本文首次利用特别设计的规则结构填料可视化实验台,对规则结构多孔填料床的两相流动阻力特性和甲苯废气降解特性进行了可视化实验研究;从工程热物理传热传质学理论出发,结合生化反应动力学,并考虑氧的限制,首次建立了一个生物膜滴滤塔处理有机废气的毛细管模型;在此基础上,还对生物膜滴滤塔分段进排气进行了性能分析,并首次提出新型分段进排气模块化生物膜滴滤塔装置的概念;基于微生物处理废气的代谢产热理论,首次建立了生物膜滴滤塔代谢产热数学模型。通过本文的研究工作,得到以下主要结论: 1、通过对规则结构多孔填料塔进行两相流动阻力实验,发现随着气液流量的 增加,气侧流动阻力增大,而且气体流量越大,变化越明显;对于圆柱棒型规则多孔填料床,可用水力雷诺数、液相韦伯数、Bond数和无量纲流动参数来关联其气液两相流动阻力实验数据;在填料塔底部还出现了液体汇集现象,在实际应用中,需要考虑安装液体再分布器。 2、通过对规则结构多孔滴滤塔进行甲苯废气降解实验,结果发现:随着气体流量、液体流量及甲苯进口浓度的增大,滴滤塔的降解效率降低;当pH值处于中性时,滴滤塔的降解效率最高。通过观察还发现,由于液体分布不均,生物膜在滴滤塔内生长分布不均,并且挂膜后,滴滤塔的孔隙率减小,两相流动阻力比空塔时的大,可采用流动阻力的变化作为判断挂膜成功与否判据。 3、首次将多孔填料塔简化成多个竖直毛细管并行排列构成的填料,应用两相流理论,结合生化反应动力学,并考虑氧的限制,建立了一个生物膜滴滤塔降解废气的毛细管模型,其结果与实验数据吻合得较好。结果发现,随着气体流量、液体流量及甲苯进口浓度的增大,净化效率降低;随着填料比表面积和生物膜覆盖率的增大,净化效率增大;存在一个最佳孔隙率使净化效率最大。 4、在毛细管模型的基础上,首次对生物膜滴滤塔分段进排气的废气净化性能进行了分析,结果发现分段进气、单一出气时,随着分段数的增加,效率降低;而分段进气、分段排气时,不同分段数下的净化效率相差不大。采用分段进气, WP=5 分段出气这种方式,不仅可以提高生物膜滴滤塔上层微生物的利用率,减少滴滤塔局部堵塞现象的发生,还为新型模块化生物膜滴滤塔的开发提供了理论依据。 5、在毛细管模型的基础上,结合微生物代谢产热理论,首次建立了生物膜滴滤塔代谢产热毛细管模型。结果发现随着气体流量和液体流量的增大,填料塔进出口温差减小,而随着进口甲苯浓度和填料比表面积的增大,进出口温差增大;随着孔隙率的增大,进出口温差先升高再降低。


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