污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法

摘要

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及到一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法。具体步骤为：在小球藻自养生长动力学与异养生长动力学研究的基础上建立起小球藻混养生长模型，并在此基础上得出有机物降解的动力学模型；建立一个基于欧拉-欧拉两流体体系的光生物反应器流场和小球藻生化反应相耦合的气液两相二维瞬态CFD模型，对气液两相气升式平板光生物反应器内小球藻降解有机底物间歇过程动态行为特征进行模拟研究；最后通过小球藻浓度和有机底物浓度随时间变化的实验曲线对模型模拟结果进行实验验证。从而建立起能够预测光生物反应器内小球藻生长情况和有机物降解情况的模型，为反应器结构参数和操作参数的优化设计奠定重要理论基础。

主权项

一种污水培养微藻光生物反应器的优化设计方法，其特征在于包括小球藻混养生长的本征动力学模型的建立；光生物反应器实验研究及流动‑小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证；具体步骤如下：(1)、小球藻混养生长的本征动力学模型的建立首先利用Logistic模型对小球藻在自养条件下进行光合作用生长的动力学进行研究，然后利用Monod方程对小球藻在无光照异养条件下的生长动力学进行研究，最后在小球藻自养生长动力学与异养生长动力学研究的基础上建立起小球藻在混养条件下生长的动力学模型，并在此基础上进一步得出有机物降解的动力学模型；小球藻混养条件下生长的动力学模型方程为：（1）小球藻混养生长条件下有机物降解的动力学模型为：（2）(2)、光生物反应器实验研究及流动‑小球藻生化反应耦合CFD模型的建立及验证（2.1）模型假设(2.1.1）小球藻接种时的初始浓度在SE培养基中是均匀分布的；(2.1.2）反应器中混合液由气液两相组成，空气为气相，由于小球藻体积很小，SE培养基与悬浮于其中的小球藻视为液相； (2.1.3）设定只有葡萄糖为小球藻生长的限制条件，其他营养物质认为足量；(2.1.4）液相SE培养基中各矿物盐的浓度很小，模型计算中取水的物性参数；（2.2）流场计算模型方程采用欧拉‑欧拉两流体模型与粘性模型中的k‑ε湍流模型联用，进而进行模拟计算；(2.2.1）连续型方程（3）（4）式中，和分别为气相和液相的体积分率；和分别为气相和液相密度；和分别为气相和液相速度；其中，和满足，认为气泡相为理想气体，遵守理想气体定律，其密度可由下式确定：（5）式中，为大气压下的气相密度；P₀为大气压；为反应器内自由液面高度；为气泡所在位置高度；(2.2.2） 动量方程                                                             （6）                                                             （7）式中，为时均压力；和分别为气相和液相的动力黏度；为相间作用力；(2.2.3） 相间作用力在本模型的动量方程中，添加了相间作用力项，气相与液相界面间的相互作用力已经被考虑在内，对于气‑液两相体系而言，相间作用力包括曳力、升力；由此，相间作用力表达式表示为：（8）式中，、分别为曳力项和升力项；曳力项表示为：（9）其中，（10）（11）（12）式中，为曳力系数；为气泡雷诺准数；为气泡直径；为准数；为动力黏度；为表面张力；升力项表示为：（13）式中，为升力系数，取值为0.5；(2.2.4） 湍流封闭模型由于在动量方程中引入了雷诺应力，方程不封闭，必须引入标准模型使其封闭；采用多相流体系的标准模型，其方程形式如下：方程：（14）方程：(15)其中，（16）(17)式中，为湍动能；为湍动耗散率；为液相湍动黏度；为由平均速度梯度引起的湍动能产生项；，和为模型经验常数，取值分别为1.44，1.92和1.09；和分别为湍动能和湍动耗散率对应的Prandtl数，取值分别为1.0和1.3；对于气相，其湍动粘度由零方程模型得出：(18)而有效黏度由层流黏度和湍动黏度组成，故（19）（20）式中，、分别为气相层流黏度和液相层流黏度；（2.3）质量组分输运方程由于研究的标量包括小球藻组分质量分数、葡萄糖组分质量分数只涉及液相，故只用对液相求解输运方程,所涉及的UDS输运方程如下：（21）（22）式中，为液相中小球藻组分的质量分数；为液相中葡萄糖组分的质量分数；为小球藻生长反应源项；为葡萄糖降解反应源项；为对流通量；为扩散率;液相中组分平衡方程为：（23）式中，将液相中除小球藻组分和葡萄糖组分以外的SE培养基混合物视为一个组分，即为SE培养基混合物组分的质量分数；由于存在以上组分平衡方程，对于一个有N个组分的混合物而言，只需求解N‑1个组分输运方程；以上自定义标量输运方程的各项在Fluent中的定义如下：(2.3.1）非稳态项：；需要将其离散为，需要定义apu项以及su项，在UDS中对应的宏为DEFINE_UDS_UNSTEADY；(2.3.2）对流项：；需要定义的通量，在UDS中对应的宏为DEFINE_UDS_FLUX；(2.3.3）扩散项：；需要定义的扩散率,其中为Schmidt准数，默认值为0.9，在UDS中对应的宏为DEFINE_DIFFUSIVITY；(2.3.4）源项：，需要定义的，，在UDS中对应的宏为DEFINE_SOURCE；（2.4）计算网格的划分由于反应器几何结构比较规则，故采用四边形结构网格对其进行网格划分；（2.5）初始及边界条件模型计算起始于液相速度为0m/s，初始气含率为0；初始液相浓度分别为有机底物葡萄糖及不同小球藻接种浓度，气体入口边界类型为速度入口，反应器顶部出气口边界设为压力出口；采用二维仿真，并且所研究的气升式平板光生物反应器具有对称结构，故将对称轴设为对称边界条件；（2.6）数值求解方法采用基于有限元的有限体积法，利用计算流体力学软件Fluent的选择Segregated求解器、Unsteady的计算模型以及隐式求解技术来离散和求解上述模型方程组；计算过程中实时监测残差曲线，在瞬态计算中，根据经验值，计算过程中至少要保证各项参数的残差保持在1e^‑3以下，且进出口气体流量满足连续性条件时，才能认为计算结果收敛；（2.7）模型结果分析及验证所涉及的组分输运方程以及标量模拟值的获取需要通过自定义函数程序实现，将模型对不同小球藻初始接种浓度以及不同通气线速度条件下液相小球藻浓度和有机底物葡萄糖浓度随时间变化情况的模拟结果，与实验测量结果进行对比分析。