倒傘型曝氣機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),倒傘型曝氣機(jī),有限元分析,優(yōu)化,設(shè)計(jì) 組裝的多相生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室示范:研究氧氣在活性污泥的轉(zhuǎn)化效率 摘要：一個(gè)凸顯經(jīng)濟(jì)因素的簡單的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)裝配在真正重要的化學(xué)工程問題。研究了多相反應(yīng)器是一種活性污泥反應(yīng)器。目的是提升學(xué)生對多相反應(yīng)器的理解,氧化廢水、固體細(xì)菌群體所蘊(yùn)含有機(jī)質(zhì)和氮基板,在這種類型的反應(yīng)堆可轉(zhuǎn)換為人類所需要的氧氣。氣體彌散的一個(gè)因素的重要性在操作性能和本,reactorIn覆蓋每個(gè)多相工作在這里,學(xué)生確定這一因素的影響,在裝配在考慮能源消耗(經(jīng)濟(jì)成本)的類型取決于使用都和操作條件下曝氣器對于一個(gè)給定的曝氣器提出了一個(gè)理論模型,從而使得該解釋結(jié)果基于如下假設(shè),即氣體吸收和生物化學(xué)反應(yīng)的限制措施。適合做這試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)模型,并進(jìn)行了比較,得到了允許每個(gè)類型的曝氣器的行為,同時(shí)也提供一個(gè)理解的過程。 簡介：多相反應(yīng)器的類型包括漿,滴流床、生物反應(yīng)器,在這些系統(tǒng)中,反應(yīng)氣體與液體或氣體的階段發(fā)生在一個(gè)固體催化劑表面或表面的細(xì)菌組被稱為生物絮狀沉淀。多相反應(yīng)器在兩個(gè)或者更多的階段是很有必要的,可以進(jìn)行反應(yīng)。 活性污泥工藝(ASP)是一個(gè)典型的例子,對這類系統(tǒng),它是最主要的生物過程發(fā)生在二次廢水處理方法。在這個(gè)過程中,微生物氧化有機(jī)碳氮(nonoxidized生化需氧量)和總氮)基體中包含Kjeldahl廢水和用能量獲得過程中形成新的微生物。同每一個(gè)多相反應(yīng)器,在ASP組件之間轉(zhuǎn)移(氧轉(zhuǎn)移)注入氣泡(空氣)和固相(生物flocs)是至關(guān)重要的一個(gè)因素。因此,這個(gè)參數(shù),極大地影響了工藝性能和運(yùn)行費(fèi)用[1],而且目前其最大化是一個(gè)研究領(lǐng)域的主要興趣。ASP是一個(gè)必須的過程中使用的多相反應(yīng)器的研究gas-component因?yàn)槭芸貤l件下(氧氣)的消耗速度是常數(shù)和數(shù)學(xué)程序,用于描述的過程中,能夠簡化。如前所述,活性污泥可以使用氧氣氧化氮有機(jī)質(zhì)或nonoxidized,包括死的微生物。這個(gè)過程叫做“內(nèi)源呼吸。由于微生物濃度的污泥是非常高的,它可以被認(rèn)定在轉(zhuǎn)化率是不變的，這個(gè)事實(shí)意味著,當(dāng)沒有特殊的渠道，氧速率也不變。 氧氣供給反應(yīng)堆和散布到液體使用的曝氣設(shè)備。通常使用三種曝氣步驟: 1) 機(jī)械表面充氣器。這些系統(tǒng)使用葉片的表面,攪拌反應(yīng)器和分散空氣進(jìn)入液體階段、生產(chǎn)表層和次表層的湍流(圖1)。 2） 曝氣系統(tǒng)。這些增氧機(jī)使用注射系統(tǒng)內(nèi)的空氣壓縮機(jī)的粗、細(xì)氣泡的形式(氧氣或空氣)在液體表面。這些多孔泡沫是獲得使用穿孔管及其他類似的系統(tǒng)(圖2)。 3） 噴射充氣器。這些系統(tǒng)結(jié)合空氣擴(kuò)散與液體抽送。泵站系統(tǒng)使混合相(廢水生物flocs)+通過噴嘴總成。吸(或)空氣壓縮機(jī)介紹空氣進(jìn)入系統(tǒng)(圖3)。 實(shí)驗(yàn) 該系統(tǒng)由一個(gè)多批曝氣生物反應(yīng)器的混合和不同的元素,這是一起使用的各種測量裝置。實(shí)驗(yàn)的建立是顯示在圖4。 這個(gè)生物反應(yīng)器由一個(gè)圓柱形罐做成的40-cm HDPE(30-cm直徑及高度),這是充滿了活性污泥。這酒可以獲得(游離）從任何污水處理廠?？蛇M(jìn)行試驗(yàn)研究兩小時(shí)左右的時(shí)間運(yùn)用一種活性污泥濃度(以總懸浮固體物)的距離接近3000毫克/升。的濃度污水處理廠活性污泥中典型的范圍很廣,從1000 ~ 5000毫克/升)的總懸浮固體物。因?yàn)檫@個(gè)原因,污泥用于組裝可能需要被稀釋(與廢水處理)或濃了沉淀及清除的澄清區(qū))終于到達(dá)預(yù)期的濃度。此外,flocs蘊(yùn)含活性污泥很快安頓,為了維護(hù)中微生物的懸架,同時(shí)減少大氣中的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)器表面,水下的離心泵泵頭0.6米,最大流量:400 L / h)作為一種攪拌器。 三種表面曝氣器檢驗(yàn)裝配 一個(gè)controlled-speed模擬曝氣器(300到3000股時(shí)每分鐘轉(zhuǎn)速)攪拌 (HEINDOLPH 2000年)。得到了該風(fēng)口增氧機(jī),是通過將一 漁業(yè)壓縮機(jī)(最大壓力:1.2米的水;最大流量:2.5 L /分鐘在標(biāo)準(zhǔn)條件下),一套管和 2-mm閥(直徑)和一些擴(kuò)壓器的石頭上。在模擬射流曝氣器使用液下泵連接到一根管子。 圖一 表面曝氣器的增氧原理 圖二 擴(kuò)壓曝氣器的增氧原理 兩個(gè)測量裝置是用來獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。一個(gè)氧儀表用于測量溶解氧濃度(黃色),并包括一個(gè)爆炸YS52功率計(jì),這是一種電學(xué)為測量裝置能耗,詳細(xì)描述這個(gè)裝置,隨著總是提出了一種支持指令物質(zhì)作為一個(gè)微PowerPoint文件。 圖三 噴流曝氣器的增氧原理 圖四 葉片的實(shí)驗(yàn)裝置 理論依據(jù) 一般來說,反應(yīng)進(jìn)行多相流反應(yīng)器包括幾個(gè)步驟。例如,在泥漿反應(yīng)器在多相流動(dòng)反應(yīng)器(反應(yīng)物氣體發(fā)泡通過溶液含固體催化劑顆粒)的存在五個(gè)步驟[2]: 五個(gè)步驟[2]: 1。從氣體階段吸附進(jìn)入液體的泡沫表面。 2。液相擴(kuò)散的從泡面大部分的液體。 3。從散裝液體擴(kuò)散的外部表面固體催化劑。 4。內(nèi)部擴(kuò)散反應(yīng)物多孔催化劑。 5。在多孔催化劑內(nèi)部的反應(yīng)。 每一步都可能被認(rèn)為是反應(yīng)整體速率一個(gè)阻力的的速度,所以,每一步都應(yīng)該被人知道的為了模型反應(yīng)器。多相反應(yīng)器一個(gè)數(shù)學(xué)模型通常都相當(dāng)復(fù)雜,因此要制造一個(gè)困難的一種實(shí)用的多相反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室。所示的介紹中,一種很好的選擇用于學(xué)術(shù)用途是考慮多相生物反應(yīng)器。這些系統(tǒng)還相當(dāng)類似,除了漿反應(yīng)器固體顆粒是由微生物而不是固體催化劑顆粒。在多相生物反應(yīng),可能很危險(xiǎn)認(rèn)為,在外部物質(zhì)的傳輸?shù)难?和對固體表面工件不重要,因?yàn)閒locs(微生物)的濃度非常高。 此外,內(nèi)部物質(zhì)的傳輸效果是可以忽略不計(jì)的，因?yàn)榉磻?yīng)主要在液體表面。 根據(jù)Henze孫俐。[3]、控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)活性污泥工藝是氧氣吸收進(jìn)入的速度液相色譜與生化反應(yīng)速率。為了氧氣吸收的過程模型率(資產(chǎn)),(t) 證明用于表達(dá): 表一:實(shí)驗(yàn)進(jìn)度 實(shí)驗(yàn)型曝氣器的操作條件 1 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:1300每分鐘轉(zhuǎn)速 2 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:800每分鐘轉(zhuǎn)速 3 曝氣增氧機(jī)粗氣泡。最大空氣流動(dòng)速度 4 曝氣增氧機(jī)細(xì)氣泡。最大空氣流動(dòng)速度 在這個(gè)方程式中,傳遞系數(shù)質(zhì)量和價(jià)值取決于類型的曝氣器和上了過程操作條件下,濃度在實(shí)驗(yàn)的條件是氧飽和度(這個(gè)因素取決于進(jìn)行濃度的污泥,介質(zhì)的鹽度、溫度、壓力等)。在這個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值是假定常數(shù)。這生化反應(yīng)速率可以獲得(eq 2)加快耗氧速率由于微生物(內(nèi)源性衰變過程)基板的氧化率 考慮到這一事實(shí),正如前文所述,兩者都做外部和內(nèi)部質(zhì)是可以忽略不計(jì),整體 對一批質(zhì)量平衡混合生物反應(yīng)器可發(fā)展為3中顯示的情商。 在這樣的情形不是更多外部基質(zhì)這個(gè)詞可以假設(shè)為零。此外,由于內(nèi)源性衰變率也可以假定固定的時(shí)間區(qū)間應(yīng)用(3至4小時(shí)),它可以假定數(shù)值的是不變的。因此,eq 3即可簡化的eq 4。 該方程用于描述動(dòng)態(tài)的變化研究了溶氧濃度的時(shí)候肖蘭的性能。當(dāng)整個(gè)曝氣器是不工作,氧氣吸收速率接近于零,因?yàn)槭菑拇髿庵凶钚×渴峭ㄟ^混合系統(tǒng),其效果是考慮的術(shù)語 這術(shù)語 將氧傳質(zhì)。一個(gè)用一個(gè)類似的意義參數(shù)(盡管學(xué)生更容易理解)是標(biāo)準(zhǔn)的氧化能力(SOC),其定義是由eq6。 這個(gè)參數(shù),給出了最大氧轉(zhuǎn)移率(gO2 / s)為給定類型的曝氣器和操作條件。系統(tǒng)的效率是由一種曝氣器eq 7,在W是電源消耗(在瓦)。 操作規(guī)程 第一部分。測定微生物的呼吸率。 把油箱灌滿與活性污泥(這很容易獲得任何城市污水廠)。打開壓縮機(jī)和保持直到氧曝氣飽和度是取得了(7到8毫克/升)。關(guān)掉壓縮機(jī)混合使用和維護(hù)的液泵。氧氣濃度會(huì)降低到零。(在進(jìn)行測量時(shí)間間隔1分鐘)的溶解氧的隨時(shí)間變化,直到要么是濃度為1至2毫克/升)達(dá)到或者最大實(shí)驗(yàn)時(shí)間已被用完,但10分鐘。這些數(shù)據(jù)將后來的研究中使用該系統(tǒng)。 第二部分。測定不同充氣機(jī)的效率。 在這一階段的效率,不同充氣機(jī)在不同的條件下,進(jìn)行了研究。關(guān)掉任何曝氣混合系統(tǒng)和維護(hù)使用液下泵。允許系統(tǒng)達(dá)到氧濃度約為6毫克/升。開關(guān)充氣機(jī)(之一的操作條件其中顯示于表格1)和測量氧氣在濃度隨時(shí)間變化的時(shí)間間隔(5秒),直到穩(wěn)態(tài)條件表達(dá)式。測量功率的消耗。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該被保存以供將來使用。重復(fù)這個(gè)過程為每個(gè)曝氣器系統(tǒng)。我們建議實(shí)驗(yàn)時(shí)間表表1規(guī)定的數(shù)值被執(zhí)行。 注意安全！活性污泥法可以包含一些病原微生物;因此,我們建議使用乳液或其他塑料手套,避免衛(wèi)生問題。污泥用于會(huì)眾可以被處理的實(shí)驗(yàn)室中沉沒。這些按照建議預(yù)防措施提出了建議以水環(huán)境聯(lián)合會(huì)杯[4],一個(gè)著名的作家,作品在國內(nèi)外廢水處理領(lǐng)域的權(quán)威。不過,我們已經(jīng)用了四年與這個(gè)大會(huì)超過100名學(xué)生,并且在這段經(jīng)歷,我們也沒有有經(jīng)驗(yàn)的任何問題。 實(shí)驗(yàn)計(jì)算 效率確定每種類型的曝氣器和操作條件的影響。計(jì)算是使用微軟Excel軟件進(jìn)行試算表(如果在7.0支撐材料)。詳細(xì)描述的使用這個(gè)電子表格的試驗(yàn)計(jì)算也是提供的證明材料(微軟PowerPoint文件) 在本質(zhì)上,計(jì)算過程包括評估參數(shù)的質(zhì)量平衡(微分eqs 4及5)擬合實(shí)驗(yàn)實(shí)測得到的裝配這些方程式。利用微分方程進(jìn)行了求解歐拉一階連續(xù)屬性離散化方法(見附件), 表2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)(立即給予例子)。第1部分:測定微生物的呼吸率 表3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)(立即給予例子)。第二部分:測定的Aerator1效率 圖5。模擬實(shí)驗(yàn)與溶解氧數(shù)學(xué)擬合濃度之前。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表2。猜測值的rend-dec用于仿真是?0.001毫克/升s。 該算法是很容易實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作表。一個(gè)最小二乘回歸方法是用于調(diào)整價(jià)值參數(shù)。在該方法中,誤差的平方之和(社經(jīng)地位,)功能(eq 8),仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較價(jià)值觀的溶解氧濃度、最小量是通過改變參數(shù)/ s調(diào)整一下。 作為一個(gè)例子,表2和3顯示一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室獲得一個(gè)先前的實(shí)驗(yàn)。 圖6。實(shí)驗(yàn)與modeleled溶解氧concentration.數(shù)學(xué)擬合后。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表2。計(jì)算值rend-dec 0.000714毫克/升)是?s。 在從數(shù)據(jù)中可以計(jì)算出在表2(哪個(gè)對應(yīng)于第1部分的操作程序)和均衡5。在要實(shí)現(xiàn)這一計(jì)算,學(xué)生必須設(shè)一個(gè)初始任意值（一個(gè)值接近0.001 是)使用了優(yōu)化算法來確定的正確的價(jià)值(后?計(jì)算的值0.000714毫克/升)得到?s)。5和6顯示數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化,兩者之前之后,也就是由社經(jīng)地位的最小化。它可以被觀察到模型是非常敏感的,因?yàn)榇筮@個(gè)參數(shù)當(dāng)使用差異可以觀察到一個(gè)錯(cuò)誤的值的 此外可以看出,正確的使用價(jià)值導(dǎo)致兩組數(shù)據(jù)匹配偉大的搜索性能,提出了一種情況,表明了適用性假設(shè)所用的模型中所描述的理論基礎(chǔ)部分。 為了確定的值和為每個(gè)曝氣器系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)來自于表3(對應(yīng)于那些在第二部分獲得的操作程序)、eq4,獲得的價(jià)值學(xué)生必須使用這必須值和系統(tǒng)的曝氣器 (價(jià)值觀的0.01 s1和8毫克/升)是代表兩個(gè)),使用的參數(shù),分別優(yōu)化求解算法確定正確的價(jià)值觀(后這兩個(gè)參數(shù)應(yīng)用該算法,0.0144 s值1和?6.85毫克/升)獲得隨訪, 和分別)。數(shù)字第7和第8代表將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時(shí)間,兩者分別之前和之后的() 應(yīng)用的優(yōu)化步驟。它可以被觀察到模型是非常敏感的參數(shù)值,所述以上時(shí),使用正確的價(jià)值取向?qū)γ總€(gè)參數(shù)提供了一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)匹配。再一次地,這個(gè)論證了該模型的適用性假設(shè)中所討論的理論基礎(chǔ)部分。 圖7 .模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)擬合溶氧concentration.之前。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。猜測用于仿真是0.01毫克/升)的s。猜測用于仿真:8毫克/升 圖8 模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)擬合后的溶解氧濃度。計(jì)算的值是0.0144 mg/L s. ，計(jì)算的值是6.85 mg/L. 各種類型增氧機(jī) 圖9 .曝氣器的效率在不同的系統(tǒng)使用的實(shí)驗(yàn)裝置。 一旦形參的值,計(jì)算了該增氧機(jī)、價(jià)值SOC和運(yùn)用eqs可以計(jì)算出第6和第7條。 本程序?yàn)槊總€(gè)曝氣器必須重復(fù)直到數(shù)學(xué)處理的數(shù)據(jù)是完整的獲得的價(jià)值必須相似為所有的實(shí)驗(yàn)都不管增氧機(jī)使用的類型。圖9所示為例,所得結(jié)果對不同曝氣器系統(tǒng)用于我們的實(shí)驗(yàn)裝置。 結(jié)論 在這里我們描述了一個(gè)簡單的裝置,研究了天然氣的色散對影響生物反應(yīng)器的性能,已被多相聚集在我們的機(jī)構(gòu)。學(xué)生的理解來解釋多相反應(yīng)器,以前的課堂教學(xué)中,增加是因?yàn)檫@些簡單的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的目標(biāo)是評價(jià)哪一個(gè)是最有效的在中控室內(nèi)把氧氣運(yùn)送到系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),學(xué)生必須監(jiān)督溶解氧隨時(shí)間,合適的結(jié)果數(shù)據(jù)到一個(gè)報(bào)道的數(shù)學(xué)模型。分析的結(jié)果數(shù)據(jù)將允許的確定價(jià)值的效率(定義為標(biāo)準(zhǔn)的氧化能力每瓦特的功率消耗)的每一曝氣器系統(tǒng)。 術(shù)語 溶解氧濃度在時(shí)間t。 氧飽和濃度 質(zhì)量傳遞系數(shù) 氧氣吸收速度 凈生化反應(yīng)速率 由于微生物耗氧速率的死亡 由于耗氧速率的氧化作用的基體上。 總和平方誤差。 氧化能力標(biāo)準(zhǔn) V 反應(yīng)器容量 W 能量功耗 曝氣器系統(tǒng)的效率 附錄 eqs進(jìn)行了分析計(jì)算的目的,3號和4號必須由歐拉方程離散一階的方法。因此,鑑別術(shù)語轉(zhuǎn)化如下 3號和4號,以便eqs被轉(zhuǎn)換成eqs 10號機(jī)和11號機(jī) 該遞歸方程可以很容易地輸入一個(gè)表格(見支持材料);因此,學(xué)生可以解決的的微分方程,采用這種方法。為了盡量減少數(shù)學(xué)錯(cuò)誤,整合步驟(Δt)必須非常小。我們通常推薦值設(shè)為1,s。使用此值的誤差很小給代表的成果,為系統(tǒng)行為。 1. Rodrigo, M. A.; Seco, A.; Ferrer, J.; Penya-Roja, J. M.; Valverde, J. L. Nonlinear Control of an Activated Sludge Aeration Process: Use of Fuzzy Techniques for Tuning PID Controllers. ISA Transactions, 1999, 38, 231?241 2. Fogler, H.S. Elements of Chemical Reactor Engineering, 2nd ed.; Prentice-Hall: New Jersey, 1992. 3. Henze, M.; Gujer, W.; Mino, T.; Matsuo, T.; Marais G. Activated Sludge Model no2; IAWQ Scientific and Technical Report no3; IAWQ: London, 1995; ISSN 1025-0913. 4. Water Environmental Federation. Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice No. 11, Fifth edition; Alexandria, VA, 1996 15