氧化沟工艺污水处理厂优化与综合评价研究

【摘要】：污水处理厂是控制水环境污染缓解城市水资源紧缺的重要公共基础设施,在其设计和运营过程中,存在很多尚未明确的问题,这些问题的决策过程许多按照实际工程人员的经验确定,不但缺乏理论支持而且带有一定的片面性和局限性。本文针对曝气机叶轮与中间隔墙间距、弯道导流墙的偏心距按经验设计、污水处理表面曝气设备充氧机理尚不明确,同时表面曝气设备和鼓风曝气设备选用上的困难和争议以及如何综合对比污水处理厂运营绩效的问题,通过流体力学模拟、现场实验以及对各种评价和优化方法的对比与应用,对上述问题进行了研究,具体包括： 1.氧化沟工艺倒伞型表面曝气机叶轮与中间隔墙间距优化研究。叶轮与中间隔墙的间距直接影响到沟内的水力特性和叶轮的能耗,之前该参数的设计仅根据工程人员的经验和直觉决定,缺乏一定的理论支持。文中基于计算流体力学模拟得到了不同速度段的面积分布,并结合不同间隔下的速度云图,对结果分别利用均值法、层次分析法、灰色关联法评价进行了评价。通过三种评价方法的分析,结果分析认为采用均值法对沟内水力特性进行评价是不合理的；层次分析法得出的最佳间距范围中包括能耗不可接受的情况；灰色关联分析法评价得出的最佳间距范围适中,在该评价法得出的范围内叶轮的能耗适中,同时沟内0.3m/s-0.5m/s的流速分布面积最大,因此可以采用灰色关联分析法来评价氧化沟内流场的改善情况。 2.氧化沟弯道半宽导流墙偏心距优化研究。氧化沟弯道半宽导流墙的设置可以有效改善沟内的流场状况,基于流体力学软件探讨了弯道半宽导流墙设置前后以及设置不同的偏心距时整个沟内的流速改变情况,通过速度云图分布及各速度段分布面积百分比的分析,借助灰色关联分析法评价了氧化沟内的流态,证实了导流墙设置适宜的偏心距有助于改善整个沟内的流速分布,但也会带来叶轮额外的功率消耗。对于同样的沟型,当曝气机叶轮改变后会对最佳偏心距产生影响。 3.基于生命周期成本法的不同曝气方式综合评价。针对表面曝气和鼓风曝气设备选用上的困难和争议,文中对于两个处理水量、处理工艺相同,分别采用表面曝气系统和鼓风曝气系统的污水厂,利用生命周期成本法对曝气系统进行分析评价,结果显示在达标排放的前提下,虽然鼓风曝气系统年运行电耗比表面曝气节约90万元,但是在20年的生命周期内,表面曝气系统因其维修方便、使用寿命长的优点使其综合经济成本小于鼓风曝气系统的综合运行成本,因此在现阶段鼓风曝气头的寿命没有革命性更新的前提下,从长远考虑应首先选择表面曝气设备。工作在最佳工况点的曝气机可以有效的节省能耗成本,为了研究小型倒伞形表面曝气机的充氧性能和高效工况,以提高曝气设备的能量利用率,采用间歇非稳态法测试水中溶解氧浓度并记录相关参数,最终得到反应表曝机充氧性能的动力效率与浸没深度和转速之间的关系,研究结果表明每个曝气机都存在一个特征曲面,在该特征曲面上存在一个与电机和减速机无关的最佳匹配点,在该点处曝气机的动力效率最高。 4.基于投影寻踪模型的多污水处理厂运营绩效综合评价。污水处理厂的综合运营绩效代表了该厂的技术水平和可持续发展的能力,本文将投影寻踪模型引入到污水处理领域中,实现了不同工艺、不同地域污水厂综合运营绩效的比较,并证实了比较结果的可信性。与主成分分析法的结果相比,投影寻踪模型不但可以实现绩效的正确排序,还可以利用最佳投影方向找出绩效较差污水厂的症结所在并给出诊断方案,从而实现污水处理厂的自我改善和相关部门的监管。 以上研究结论可以直接用于优化污水处理厂的设计与运行,不断提高污水厂生命周期内的综合运营绩效,以便最大程度的发挥其优势,从而在控制水资源污染过程中发挥其重要作用。 【关键词】：污水处理厂 计算流体力学 灰色关联 生命周期成本 投影寻踪 表面曝气机
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 致谢12-13
• 目录13-19
• 第一章 绪论19-39
• 1.1 我国水资源现状19-21
• 1.2 国内外城市污水的能耗及运营概况21-23
• 1.2.1 国内外城市污水能耗概况21
• 1.2.2 城市污水处理厂运营中存在的主要问题分析21-23
• 1.3 课题提出23-27
• 1.3.1 污水处理工艺概述23-26
• 1.3.2 课题背景、目的及意义26-27
• 1.4 城市污水处理厂优化及评价研究进展27-35
• 1.4.1 城市污水处理厂优化的途径27-28
• 1.4.2 基于FLUENT软件的污水处理流态研究进展28-30
• 1.4.3 智能算法在污水处理领域的应用进展30-34
• 1.4.4 其它优化算法在污水处理厂应用进展34-35
• 1.5 研究内容及结构安排35-39
• 1.5.1 研究内容和技术路线35-36
• 1.5.2 本文的结构安排36-39
• 第二章 氧化沟工艺倒伞型表面曝气机叶轮与中间隔墙间距优化研究39-57
• 2.1 物理模型40-42
• 2.1.1 设备优化软件——FLUENT简介40
• 2.1.2 模拟水池设置40-41
• 2.1.3 几何模型建立41-42
• 2.2 湍流模型的选择及求解设置42-45
• 2.2.1 控制方程及参数设置42-43
• 2.2.2 模型设置43-45
• 2.3 结果分析及氧化沟流场评价方法研究45-53
• 2.3.1 平均速度评价法45-47
• 2.3.2 层次分析法综合评价47-50
• 2.3.3 灰色关联分析评价方法50-53
• 2.4 不同间距时叶轮消耗功率对比53-54
• 2.5 本章小结54-57
• 第三章 氧化沟弯道半宽导流墙偏心距优化研究57-69
• 3.1 物理模型建立58
• 3.2 有、无导流墙时沟内水力特性分析58-61
• 3.2.1 有、无导流墙时的速度云图分布58-59
• 3.2.2 氧化沟上、下沟道流速改善情况研究59-61
• 3.3 导流墙最佳偏心距研究61-66
• 3.3.1 最佳偏心距研究62-63
• 3.3.2 叶轮长度改变对导流墙偏置距离的影响63-66
• 3.4 不同导流墙偏心距时功率消耗分析66-67
• 3.4.1 相同叶轮长度、不同偏心距时叶轮功率消耗66
• 3.4.2 不同导流墙偏心距时的叶轮功率消耗66-67
• 3.5 本章小结67-69
• 第四章 基于生命周期成本的不同曝气方式综合评价69-91
• 4.1 LCC法的基本思想70-71
• 4.2 污水处理厂概况71-73
• 4.3 曝气系统生命周期成本分析73-82
• 4.3.1 曝气系统生命周期范围界定73
• 4.3.2 曝气系统LCC清单分析及统计73-75
• 4.3.3 曝气系统LCC评价的清单分析75-79
• 4.3.4 综合对比79-82
• 4.4 氧化沟工艺倒伞形表面曝气机性能与高效工况研究82-89
• 4.4.1 实验方法与材料84-85
• 4.4.2 曝气设备性能参数85-86
• 4.4.3 实验结果及分析86-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第五章 基于投影寻踪模型的多污水处理厂运营绩效综合评价91-109
• 5.1 投影寻踪评价基本原理92-94
• 5.2 评价指标体系的建立94-98
• 5.2.1 指标体系的构成94-95
• 5.2.2 指标体系的获取及计算95-98
• 5.3 评价结果分析98-105
• 5.3.1 投影寻踪结果及分析98-101
• 5.3.2 主成分分析法评价101-105
• 5.3.3 两种方法对比分析105
• 5.4 污水处理厂运营改进诊断研究105-107
• 5.5 本章小结107-109
• 第六章 结论与展望109-113
• 6.1 结论109-110
• 6.2 主要创新点110
• 6.3 存在的问题及展望110-113
• 参考文献113-121
• 攻读博士学位期间的主要研究成果121

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