基于隔室模型和分散平推流模型的塘中塘厌氧反应器水动力学设计

《Chemical Engineering Research and Design》：Hydrodynamic Design of Pond-in-Pond Anaerobic Reactors Using Compartment and Dispersed Plug Flow Models

　　

摘要

池塘是污水处理的自然解决方案，但由于经验设计往往未被充分利用。计算流体力学 (CFD) 工具可以解析池塘水动力学，但复杂且耗时。为了在保持过程理解的同时降低复杂性，探索了两种降阶方法来表征四种几何配置下池塘中池塘 (PIP) 系统的厌氧坑：三种长宽比 (LWR)，1:3、1:1 和 3:1，进水口位于中心，以及第四种 3:1 配置，进水口放置得更远离出水口。隔室模型 (CM) 将坑体积划分为理想反应器，而分散活塞流模型 (DPFM) 是示踪剂注入的平流 - 扩散方程的解析解。CFD 模拟被用作数值参考来评估这两种模型。对于 LWR 1:1 配置，CM 有效体积 (32.3%) 与 CFD 导出的水力效率 (33%) 密切相关。在四种配置中，有效体积范围从 4% (LWR 1:3) 到 78% (3:1，进水口远离出水口)，增加进水口到出水口的距离，无论是通过增加 LWR 还是重新定位进水口，都一致增加了有效体积和活塞流分数。特别是在相同的 3:1 几何形状内将进水口移得更远离出水口，使有效体积翻倍多 (30% 到 78%)，表明进水口到出水口的距离，而不是单独的 LWR，是一个重要的设计变量。DPFM 显示出较低但令人满意的表现指标，同时提供了有价值的预测能力。由于 DPFM 直接将流量和进水口到出水口的距离作为可调参数，它非常适合快速预设计筛选，而 CM 则为诊断现有系统提供了紧凑、直观的表现。

章节摘要

引言

污水处理技术的选择必须伴随资本和运营成本；环境限制；操作复杂性；以及其他因素。在这个意义上，废水稳定塘 (WSP) 是经济实惠、可靠且易于操作的自然解决方案，非常适合小社区的污水处理。由于 84% 的美国城市人口少于 10,000 人 (Statista 2022)，池塘是许多城镇负担得起的解决方案，特别是

方法论

文献中发现的三种主要 PIP 厌氧坑配置 (Stone, 1960, Green et al., 1996, Fedler and Wheeler, 1997) 使用不同的长宽比 (LWR)，1:3, 1:1, 3:1 进行了建模。所有配置的进水口都位于池塘中心，而 3:1 LWR 有一个额外的模拟，考虑了更远离出水口的进水口。针对分析的不同系统，使用 CFD 模拟开发水动力学模型，随后使用欧拉模型模拟示踪剂

厌氧坑 LWR 1:1

最大化目标函数后，发现有效体积为 32.3%，而死体积为 67.7%。从有效体积来看，11.6% 的流量 (总量的 3.7%) 通过活塞流反应器，88.4% 的流量 (总量的 28.5%) 通过混合流反应器，如图 6 所述。

虽然这可能代表该系统的效率低下，因为三分之二的体积未被积极使用，但死体积可以作为低流速区域，有利于

讨论

虽然两种模型都有令人满意的表现评估结果，但与 CFD 示踪剂曲线相比，隔室模型表现出更好的一致性和更低的偏差。隔室模型的数学复杂性较低，同时提供了识别系统特征的更简单方法。此外，CM 还通过将池塘的性能索引到理想化反应器 (活塞流和混合流反应器) 和死体积，促进了对池塘性能的更直观理解。死体积，

结论

隔室模型在表征池塘中池塘系统厌氧坑中的流动方面表现良好，指标令人满意。另一方面，与 CM 相比，分散活塞流模型的表现指标较低。除了提供统计上准确的结果外，使用 CM 的优点包括分析结果的数学复杂性较低以及对系统更直观的解释。此外，CM 结果表明，中心进水口

未引用参考文献

(Pe?a et al., 2003, Silva Junior et al., 1959)

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文中报告的工作。

Luis Carlos Soares da Silva Junior.|Clifford B. Fedler

德克萨斯理工大学，美国德克萨斯州拉伯克