基于计算流体力学的造纸废水深度处理反应器技术
我国造纸工业几乎与国民经济同步增长，纸和纸板产品的生产量和消费量位居世界第一位。造纸工业的节能减排任重道远，造纸工业废水及COD排放量也是全国工业废水排放的主要来源。随着国家环保标准的逐步严苛，针对造纸工业废水成本更低、效率更高、稳定性更好的废水深度处理技术成为研究的热点，而针对深度处理技术水力流态方面的研究仍是盲点，据此本文进行了系统的研究。 采用模块化的反应器构型，由预混合模块和主反应模块构成深度处理反应器。采用静态混合器作为预混合模块中pH控制和药液混合设备，Fluent软件计算表明:商用混合器速度矢量的极大值均集中在近壁面区域，流体持续同方向旋流，流体重定向功能相对较弱。自设混合器内流体流经混合单元后，由于左右旋向的改变，重定向功能明显，混合效率更高。四个混合单元处理完毕后，自设混合器分离强度(2.1×10-4)大幅小于商业混合器分离强度(6.45×10-4)。通过混合效果和单元数考虑，选用自设混合器，其主要结构参数为:四个混合单元，每个混合单元长250mm，相邻混合单元旋向相反。完善了pH值调节的PID控制，采用滞后小的加酸量PID控制作为串级副回路取代PID单回路控制，克服了纯滞后的影响。使用波动限制模块减少运行过程中由于测量参数的突变或操作人员的不当操作对控制过程带来的冲击。设置了冗余pH计互相比较输出报警功能排除pH计发生故障时对系统的影响。通过对静态混合器的设计和pH值PID控制的完善能满足pH迅速响应的要求。 对旋流式和消能引流式布水器的数值模拟开展了对比研究:旋流式的布水器在进水口发生类似于浆式搅拌器的流态形式，搅拌效果更强。模拟示踪剂运行结果显示，旋流式布水器粒子最大停留时间为846s，相对消能引流布水器的粒子最大停留时间1540s，旋流式滞留时间更短，返混更小，拟选用旋流式布水器作为反应器的布水装置。 对催化剂单元的计算流体模拟显示，底部进水的“旋流力矩”作用带动催化剂以下区域液流旋转，筒壁周围与中心部分形成速度梯度，有助于流体的混合。进口的旋流混合作用经过催化剂层消失殆尽，影响药液混合反应效果。采用三分之一扇形螺旋折流板，18°螺旋角，对催化剂单元进行优化，改变了液流的层流状态，流速矢量发散并有旋流涡流，优化后速度接近原来的4倍。压力降模拟显示:优化后的深度处理反应器压力降主要位于进口处，压力降为631.14Pa，其次位于两层催化剂层，压力分别下降了236.6Pa和142.92Pa，螺旋折流板对压力的损失可以忽略。设计了气混单元。形成了主反应模块。 采用示踪剂技术对构成反应器的混合内件气混单元(AW)、折流单元(FF)、填料单元(FB)进行水力流态研究。反应器AW混合迅速，气量0.60L/min和0.06L/min的示踪剂历时曲线相差不大，小气量也能保证混合效果，AW完全混合反应器串联数N从1.230到1.808不等，混合流态偏向全混。FF存在死区，N从3.311到3.776不等，反应器混合流态偏向推流;FB完全混合反应器串联数N从4.265到5.869不等，反应器混合流态偏向推流。通过混合单元构建的反应器处理废水实验表明:采用FB+AW的混合单元组合反应器对污染物的去除效果优于FF+AW和FB+FF组合方式，COD最高去除率达到了93.2％，也高于单独采用AW、FF或FB时反应器的COD去除率。 超声波协同芬顿试剂深度处理造纸生化出水，其处理效果好于单独超声波处理或单独芬顿试剂处理。各因素对COD去除率影响的显著程度为:初始pH值＞超声波功率＞药剂用量＞超声波处理时间。单因素实验结果显示最优的工艺条件为初始pH值6，超声波功率10W，药剂用量0.3mL，超声波处理时间11min。在进水COD浓度380.4mg/L，色度570度的情况下，处理后水质最低COD可到23.6mg/L，完全满足GB3544-2008排放标准;超声波的运行很好地起到了阻垢作用，可作为促进催化剂效能发挥的长效手段。 采用设计的深度处理反应器对造纸二级生化出水（原水）进行处理研究，并与普通芬顿反应器进行对比。研究发现该装置对原水有很好的处理效果，优于普通芬顿反应器，COD去除率最大达到93％。通过更改运行参数，获得的最优工艺为，催化剂填充率10％，初始pH值为6.0，Fe2+和H2O2投加量均为3.24mmol/L，气混气量为0.06L/min。 通过制浆造纸综合废水、二级生化出水、深度处理后水样经萃取后采用GC-MS进行污染物降解和转化规律研究。二级生化出中主要是各种醇、酚类物质;深度处理后出水中2，6-二叔丁基对甲酚占有机物总量的73.99％，其次为2，6-二叔丁基苯醌占7.69％，其他的各种醇、烷、酯醛等含量在5％以下。废水经深度处理后水中含量较高的1，1-二乙氧基乙烷和环氧丙醇已被全部去除，2，6-二叔丁基对甲酚比较难降解，因此相对含量大幅上升。
造纸废水;深度处理;反应器;计算流体力学
中国林业科学研究院
博士
林产化学加工工程
房桂干
2017
中文
X793;X703.1
2019-04-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）