曝气池中气液两相流理论与实践

总序一

总序二

总序三

前言

第1章 曝气池中气液两相流 1

1.1 引言 1

1.2 曝气池 4

1.2.1 曝气池定义 4

1.2.2 曝气池中的曝气方式 5

1.2.3 曝气池分类 6

1.3 曝气池运行原理 12

1.3.1 曝气理论 12

1.3.2 氧转移的影响因素 17

1.4 曝气池中气液两相流研究进展 19

1.4.1 气液两相流简介 19

1.4.2 曝气池中气液两相流的研究现状 22

1.4.3 曝气池中气液两相流研究的发展趋势 27

参考文献 28

第2章 气液两相流理论基础 31

2.1 气液两相流基本理论 31

2.1.1 局部瞬时方程组 31

2.1.2 瞬时空间平均方程 36

2.1.3 局部时均方程 38

2.1.4 复合平均方程 40

2.2 气液两相流流型与流型图 41

2.2.1 气液两相基本流型 42

2.2.2 两相流型图 48

2.2.3 流型之间的过渡 52

2.3 两相流动的参数 55

2.3.1 空间与时间平均运算 55

2.3.2 含气率与含液率 57

2.3.3 两相运动速度 60

2.3.4 两相介质密度 61

2.3.5 其他两相流参数 62

参考文献 64

第3章 气液两相流流场测量方法 65

3.1 激光多普勒技术 65

3.1.1 激光多普勒测速的原理 66

3.1.2 激光多普勒测速技术的应用 70

3.2 核磁共振测量技术 70

3.2.1 核磁共振测量原理 70

3.2.2 核磁共振测量技术应用 78

3.3 过程层析成像技术 78

3.3.1 过程层析成像原理 78

3.3.2 过程层析成像技术应用 80

3.4 粒子图像测速技术 82

3.4.1 粒子图像测速技术测定原理 83

3.4.2 图像处理基本算法 84

3.4.3 粒子图像测速技术的应用 88

3.5 粒子追踪测速技术 89

3.5.1 粒子追踪测速技术测定原理 90

3.5.2 粒子追踪测速技术算法 91

3.5.3 粒子追踪测速技术的应用 92

参考文献 93

第4章 曝气池中气液两相流数学模型理论 96

4.1 双流体模型 97

4.1.1 双流体模型概述 98

4.1.2 湍流模型 100

4.1.3 相间作用力模型 106

4.1.4 双流体模型数值模拟与验证 108

4.2 CFD-PBM 耦合模型 112

4.2.1 群体平衡模型 112

4.2.2 气泡聚并模型 115

4.2.3 气泡破碎模型 120

4.2.4 CFD-PBM 耦合模型的构建与验证 125

4.3 CFD 与气泡群平衡耦合模型 128

4.3.1 气泡群平衡模型构建 128

4.3.2 CFD 与气泡群平衡模型求解 130

4.3.3 CFD 与气泡群平衡耦合模型验证 131

参考文献 134

第5章 曝气池中气泡羽流的运动特性 137

5.1 气泡羽流的概述 137

5.2 气泡羽流的获取方法 139

5.2.1 基于PIV 技术的气泡羽流测定 139

5.2.2 空隙率计算 141

5.3 气泡羽流二维空隙率的分布特性 143

5.3.1 压强对空隙率分布的影响 143

5.3.2 纵横比对空隙率分布的影响 144

5.3.3 初始空隙率对空隙率分布的影响 145

5.4 气泡羽流的摆动机理 146

5.4.1 气泡羽流的时间连续分布 146

5.4.2 气泡羽流的摆动与波动频谱 149

5.5 曝气池中气泡羽流运动规律 159

5.5.1 纵横比对气泡羽流运动的影响 159

5.5.2 压强对气泡羽流运动的影响 163

5.5.3 空隙率对气泡羽流运动的影响 167

参考文献 171

第6章 曝气池中气液两相流数值模拟 172

6.1 CFD 模型理论基础 172

6.1.1 基本理论方程 173

6.1.2 多相流模型 175

6.1.3 网格划分与边界条件 184

6.2 方形曝气池中气液两相流数值模拟 186

6.2.1 纵横比对两相速度场分布的影响 187

6.2.2 曝气量对两相速度场分布的影响 188

6.2.3 曝气孔径对两相速度场分布的影响 189

6.3 圆形曝气池中气液两相流数值模拟 190

6.3.1 高径比对两相速度场分布的影响 191

6.3.2 曝气量对两相速度场分布的影响 192

6.3.3 曝气孔间距对两相速度场分布的影响 194

参考文献 195

第7章 基于气液两相流的曝气池体型优化 196

7.1 曝气池体型优化——以曝气反应器为例 197

7.1.1 曝气池主体结构形式的优化 198

7.1.2 曝气池曝气方式的优化 200

7.1.3 曝气方式对污水处理效果的优化 205

7.2 曝气池体型优化——以氧化沟为例 207

7.2.1 氧化沟的运行现状 207

7.2.2 氧化沟内水力流动状况 209

7.2.3 导流墙设置方式对水流流动特性的影响 210

7.2.4 氧化沟设计断面优化 212

参考文献 215

彩图 2100433B

曝气池中气液两相流与氧传质效率密切相关，是污废水处理效率得以提高的关键因素。掌握曝气池中气液两相流的理论，并将其应用于工程实践中，是21世纪污废水处理工艺提标改造的重要环节。本书融合流体力学和环境工程学等多门学科的知识，系统阐述曝气池中气液两相流的基本理论、运动特性与基本研究方法。全书主要内容包括：曝气池中气液两相流，气液两相流理论基础，气液两相流流场测量方法，曝气池中气液两相流数学模型理论，曝气池中气泡羽流的运动特性，曝气池中气液两相流数值模拟以及基于气液两相流的曝气池体型优化等。

污水进入水厂，经过格栅池至集水间，由水泵提升到平流沉砂池，经初沉池沉淀后，大约可去除SS 45%,BOD 25%.污水进入曝气池中曝气，可从一点进水，采用传统活性污泥法，也可采用多点进水的阶段曝气法。在二次沉淀池中，活性污泥沉淀后，回流至污泥泵房。二沉池出水经加氯处理后，排入水体。

曝气池一般和沉淀池组成联合工艺流程。设置在曝气池前面的称初次沉淀池，设置在曝气池后面的称为二次沉淀池,分别用于废水的预处理和后处理。曝气池也有和二次沉淀池合建的。这种设施由曝气区、导流区、沉淀区、回流区四部分组成。导流区的作用是使污泥凝聚和使气水分离，为沉淀创造条件。在曝气区内废水与回流污泥充分混合,然后经导流区流入沉淀区,澄清后的水经溢流堰排出。沉淀污泥沿曝气区底部回流入曝气池。这种设施结构紧凑，流程短，可以节省污泥回流设备。

又创造出一些新型曝气方法，如深井曝气、纯氧或富氧曝气和配合其他生物处理方法的曝气等。深井曝气一般用直径1～6米、深达50～150米的曝气池,利用水压来提高水中氧的移转速率,以高效去除污水中BOD（生化需氧量）。这种曝气池已在英国、德意志联邦共和国、法国、加拿大、美国、日本先后投入运行或实验运行。纯氧曝气是按鼓风曝气方法向水中鼓入纯氧或富氧空气，池型一般如鼓风曝气池,上加密封盖,以充分提高充氧效率。另外还在研究和发展一些特殊型式的曝气池，如生物接触氧化和生物膜载体流化床曝气池等（见生物膜法）。曝气池在朝着高效率、小体积、节省能源的方向发展。