【摘要】：在廢水處理領(lǐng)域,生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)作為一種新型技術(shù)受到廣泛關(guān)注。BES的基本原理是微生物作為催化劑,將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,因此BES具有處理廢水和回收能源雙重效果的突出優(yōu)勢。眾所周知,水動力學(xué)是廢水處理反應(yīng)器運(yùn)行性能的重要影響因素,而目前關(guān)于BES水動力學(xué)特性方面的研究較為缺乏。考慮水動力學(xué)影響B(tài)ES反應(yīng)器產(chǎn)電性能的機(jī)理比較復(fù)雜,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的思路更有助于理解水動力學(xué)調(diào)控反應(yīng)器產(chǎn)電性能的影響機(jī)制。本文主要運(yùn)用停留時(shí)間分布(RTD)技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬相結(jié)合的方法來研究典型雙室BES陽極室和陰極室的水動力學(xué)。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1.生物電化學(xué)反應(yīng)器陽極室水力學(xué)特性的研究。設(shè)置四個(gè)不同水力停留時(shí)間(HRT),進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)來獲取RTD曲線,然后對RTD數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)定量分析,再結(jié)合RTD曲線特征的定性分析,從而判斷反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)。研究結(jié)果表明,反應(yīng)器內(nèi)部存在大量死區(qū),反應(yīng)器水動力學(xué)條件不佳;進(jìn)一步分析,HRT越小,相應(yīng)的反應(yīng)器死區(qū)越小,即水動力學(xué)條件越好。運(yùn)用CFD模擬反應(yīng)器內(nèi)部的流場分布,通過對流場的可視化來判斷反應(yīng)器死區(qū)主要集中在遠(yuǎn)離進(jìn)出口的拐角區(qū)域。然后通過加回流裝置和加擋板兩種方法來改善流態(tài),結(jié)合相同的RTD實(shí)驗(yàn)分析和CFD模擬,可以得出這兩種方法能夠很好地改善反應(yīng)器流態(tài),減小反應(yīng)器死區(qū)。最后,通過BES反應(yīng)器產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得出水動力學(xué)條件越好,相應(yīng)的產(chǎn)電性能越高。同樣地,加回流裝置和加擋板兩種方法也確實(shí)可以提高反應(yīng)器產(chǎn)電性能。2.生物電化學(xué)反應(yīng)器陰極室水力學(xué)特性的研究。陰極室的水動力學(xué)通過影響電極周圍的流場分布,進(jìn)而影響電極附近的氧氣傳質(zhì)-反應(yīng)過程。運(yùn)用CFD中的氣液兩相流模型對不同曝氣條件下陰極室的水動力學(xué)進(jìn)行模擬,采用歐拉-歐拉算法體系,穩(wěn)態(tài)模擬獲得氣液流場分布和空氣體積分?jǐn)?shù)分布。主要從曝氣強(qiáng)度、電極(碳紙)的相對空間位置、氣泡尺寸、曝氣裝置個(gè)數(shù)等四個(gè)方面探究不同操作因素對水動力學(xué)的影響機(jī)制,同時(shí)考慮對陰極室陽離子交換膜氧氣擴(kuò)散通量的影響,得出各操作參數(shù)對水動力學(xué)的影響規(guī)律:在一定范圍內(nèi),適中的曝氣強(qiáng)度(1m/s)、居中的碳紙的相對傾斜角(45°)、適中的氣泡尺寸(0.5mm)、適中的曝氣裝置個(gè)數(shù)(2個(gè))時(shí)陰極室的水動力學(xué)表現(xiàn)更好,更有利于氧氣傳質(zhì)和反應(yīng),進(jìn)而提高陰極室性能。因此,調(diào)控陰極室的曝氣條件,進(jìn)而優(yōu)化陰極室的水動力學(xué)很重要。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X703
【圖文】：

逡逑陰極，并在陰極發(fā)生相關(guān)還原反應(yīng)。具體的生物電化學(xué)原理圖如圖１．１所示。逡逑ＣＨ３ＣＯＯ￣邋＋邋３Ｈ２０邋－邋８邋ｅ￣邋＾邋Ｃ０２邋＋邋ＨＣＯ３邋＋邋８邋Ｈ＋邋Ｅ°邋＝邋－０．３邋Ｖ邋（１）邐、逡逑０２邋＋邋８Ｈ＋邋＋邋８ｅ－邋－＞邋４Ｈ２０邐Ｅ°邋＝邋０．８邋Ｖ邐（２）逡逑Ｅｘｔｅｒｎａｌ邋Ｒｅｓｉｓｔｅｒ逡逑．逡逑？�。海∵娯海保板义希椋�；逡逑邐邐—逡逑＞ｅ—，Ｉ邋ｉ逡逑ｃ0２＋邋＾邐ｉ邋ｉ邐０邋＇ｍ逡逑＿邐ｉ（逡逑Ｖ邋一—Ｉ邐、、＾５邋ｔ邋Ｊ逡逑．Ｊ邐＾邋Ｉ邋！邐邐逡逑（Ｂｉｏ）Ａｎｏｄｅ邐Ｓｅｐａｒａｔｅｒ邋Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑圖１．１生物電化學(xué)系統(tǒng)的基本原理圖［１２］逡逑１．１．２微生物電化學(xué)系統(tǒng)性能的影響因素逡逑根據(jù)目前通用的微生物電化學(xué)系統(tǒng)，主要由電極材料、電化學(xué)活性細(xì)菌（ＥＡＢ）逡逑和底物種類組成，所以ＢＥＳ運(yùn)行性能與這三種因素密切相關(guān)。在優(yōu)化微生物電化逡逑學(xué)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該對這三種因素進(jìn)行綜合考慮。逡逑（１）電化學(xué)活性細(xì)菌逡逑在影響微生物電化學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行性能的諸多因素中，電化學(xué)活性細(xì)菌扮演著舉逡逑足輕重的關(guān)鍵作用。電化學(xué)活性細(xì)菌主要指的是一類在微生物代謝過程中具有電逡逑化學(xué)活性功能的細(xì)菌，可以導(dǎo)電性物質(zhì)作為電子供體或電子受體，不僅自身能代逡逑謝產(chǎn)生電子，還能與固體電極之間傳遞電子。通常為了研宄電化學(xué)活性細(xì)菌與電逡逑極之間的電子傳遞機(jī)理

采用不同的陽極材料（碳棒、碳?xì)�、石墨顆粒、不銹鋼網(wǎng)、碳板等）分別進(jìn)行對逡逑照實(shí)驗(yàn)［７３］。研宄結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)器的陽極材料為石墨顆粒和碳?xì)謺r(shí)，流場分逡逑布更均勻，導(dǎo)致更均勻的乙酸濃度分布，產(chǎn)電性能得到提高。流場模擬如圖１．２逡逑所示。逡逑１２逡逑

圖２．１雙室ＢＥＳ反應(yīng)器示意圖逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張從菊;王雙鳳;王遠(yuǎn)成;劉建廣;賈瑞寶;;曝氣池內(nèi)氣液兩相流CFD模擬及分析[J];山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

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1 方玲玲;厭氧折流板反應(yīng)器水力混合特性研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號：2778239