二沉池污水处理过程的数值仿真及优化研究

【摘要】：水是生命之源，但随着人口增长和工业发展，水资源短缺和污染问题日益严重，对污水进行处理是解决问题的根本出路。沉淀是污水处理过程一个重要的环节，污水在二沉池中发生固液分离并得到澄清。二次沉淀池的处理效率直接影响系统的出水水质，整个污水工艺流程的处理效果与二沉池的运行密切相关，因此二沉池的工艺参数的设计就显得尤为重要。 与传统的基于理论分析和实验研究进行工艺设计的方法相比，利用数值仿真优化方法进行工程的工艺调整高效、经济，且能充分了解沉淀池的流态和浓度分布状况。 本文以长沙市某污水处理厂二沉池为例，采用多相流混合物模型与标准k-ε湍流模型结合对辐流式二沉池内污泥浓度场和速度场进行了数值模拟，在计算域上采用有限元法对控制方程进行离散，并对离散后的代数方程用SIMPLE算法进行计算，得到出水SS的模拟结果与实际沉淀池八周监测数据偏差仅为0.56%~4.9%，悬浮物浓度分布结果与二沉池的沉降中污泥分布理论相吻合，验证了模型的可靠性。 以出水口悬浮物浓度（SS）为响应目标，对影响二沉池沉淀效果的三个影响因素：进水口流速、颗粒污泥粒径、挡板的淹没深度进行中心复合设计（central composite design,CCD），并经响应表面法分析得到影响出水SS的二次回归模型，预测了二沉池沉降的最佳条件：进水口流速为0.03m/s，颗粒污泥粒径为220.41μm，挡板的淹没深度为3.45m，采用仿真模拟实验得到出水口悬浮物浓度值为2.4mg/l，较优化之前的仿真结果八周平均值7.0mg/l相比其处理效率提高了65.7%。采用数值仿真和响应表面法结合对二沉池工艺条件进行优化研究，可以加速寻优过程，是工艺调整有效的辅助工具。 【关键词】：污水处理过程 数值仿真 响应表面法 工艺优化
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 插图索引10-11
• 附表索引11-12
• 第1章 绪论12-31
• 1.1 课题研究的背景12-13
• 1.2 沉淀理论及沉淀池的设计原则、方法13-18
• 1.2.1 沉淀的基础理论14
• 1.2.2 沉淀池的分类14-17
• 1.2.3 沉淀池的设计原则和新方法17-18
• 1.3 数值仿真模拟的过程及特点18-19
• 1.4 计算流体动力学（CFD）及其通用软件的介绍19-23
• 1.4.1 计算流体动力学(CFD)简介19-22
• 1.4.2 CFD 通用软件的介绍22-23
• 1.5 基于数值仿真的优化方法23-28
• 1.5.1 仿真优化基本原理24
• 1.5.2 仿真优化算法的分类24-26
• 1.5.3 响应表面法的应用26-27
• 1.5.4 响应面优化分析软件 Design Expert 8.0 简介27-28
• 1.6 数学模型方法在沉淀池优化设计的应用发展28-29
• 1.7 研究目的和意义29-30
• 1.8 课题研究的内容30-31
• 第2章 基于 COMSOL 平台的二沉池数值仿真31-48
• 2.1 沉淀池的几何模型31
• 2.2 沉淀数学模型的选择31-35
• 2.2.1 经验模型32
• 2.2.2 动态模型32-34
• 2.2.3 小结34-35
• 2.3 沉淀湍流模型的选择35-38
• 2.3.1 直接数值模拟35-36
• 2.3.2 雷诺平均模拟36-37
• 2.3.3 大涡数值模拟37
• 2.3.4 小结37-38
• 2.4 数值模拟求解方法的选择38-43
• 2.4.1 控制方程的离散方法38-41
• 2.4.2 模型求解算法41-43
• 2.4.3 小结43
• 2.5 沉淀池数字模型方法条件的选择43-45
• 2.5.1 沉淀池模型的选择43
• 2.5.2 控制方程43-44
• 2.5.3 边界条件44-45
• 2.5.4 初始条件45
• 2.5.5 有限元网格划分45
• 2.5.6 离散方法和求解算法45
• 2.6 计算实例和结果验证45-47
• 2.7 本章小结47-48
• 第3章 沉淀池的数值优化研究48-57
• 3.1 响应表面法48-50
• 3.1.1 响应表面法简述48-49
• 3.1.2 中心复合设计（CCD）法49-50
• 3.2 沉淀池的优化设计50-54
• 3.2.1 CCD 优化实验设计50-51
• 3.2.2 CCD 优化设计结果分析51-52
• 3.2.3 响应面分析及最优条件的确立52-54
• 3.2.4 优化条件的验证54
• 3.3 讨论54-55
• 3.3.1 进水口流速对沉淀池沉降效果的影响54-55
• 3.3.2 颗粒污泥性质对沉淀池沉降效果的影响55
• 3.3.3 挡板的淹没深度对沉淀池沉降效果的影响55
• 3.4 本章小结55-57
• 结论57-59
• 参考文献59-65
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录65-66
• 致谢66

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