题目：微污染水移动床生物膜反应器的CFD数值模拟与结构优化研究

当前我国许多地方的供水系统面临只能利用受污染原水作为水源的严重现状，饮用水安全问题面临巨大挑战。移动床生物膜反应器（MBBR）是一种新型高效流态化水处理反应器，在生活污水和高浓度有机废水的处理方面取得了很好的效果，但在处理低浓度污水和微污染水方面经验有限。传统的工程设计方法面临设计经验不足，周期长，投入大的困难。本研究利用计算流体力学（CFD）方法对MBBR反应器进行水力学模拟。通过对23个具不同结构的MBBR进行数值模拟，研究了高径比（H/D）、升/降流截面比（Ar/Ad）、比过流断面高度和倒角等关键的结构参数对反应器水力学的影响，进而对MBBR进行结构设计与优化。并探讨了数值模拟方法在水处理反应器设计与开发中的应用，为应用过程模型与流体模型的耦合模拟进行经验积累与基础准备。模拟研究结果表明：（1）本文建立的CFD数值模拟方法可以描述MBBR内流场特性，对该反应器的结构优化设计有一定指导意义。（2）描述反应器混合特性和影响生物膜形成的液体平均流速（UL）随着H/D的增加而增加。H/D在1:1~1.5:1范围内的变化对UL的提高程度较大，1.5：1~3：1范围内的提高有限。（3）Ar/Ad对升流区内部环流的产生和降流区环流的空间分布有显著影响，而对影响反应器传质特性的循环流量（Qc）没有显著的提高。（4）底部的过流断面高度（Hb）对UL、Qc和升流区流态有影响。在Hb为40 ~100 mm的范围内，100 mm时UL和Qc具有最大值，分别为0.198~0.244 m/s和208~270 cm2/s。升流区无内环流。顶部的过流断面高度（Ht）对UL、Qc和降流区流态有影响。在Ht为60 ~100 mm的范围内，UL和Qc的变化趋势依赖不同的Hb而不同。当Hb=100 mm时，降流区的低速环流区面积最小，顶部的过流断面上无返回流。获得最大UL和Qc的结构是底部的比过流断面高度（Hb/H）为0.33，顶部的比过流断面高度（Ht/H）为0.27。通过改进过流断面，反应器内UL从0.123 m/s增至0.236 m/s，Qc从51.2 cm2/s增至270 cm2/s。（5）对反应器4个角落进行倒角设计可以直接消除死角。位于曝气装置一侧的底部倒角还可以改善反应器流场，控制反应器环流中心的低速区域面积。（6）优化结构为H/D=1.5:1，Ar/Ad=1:1.5，Hb/H=0.33，Ht/H=0.27，靠近曝气装置一侧的底部的倒角与液体边界的高度比和宽度比均为0.15。结合相关研究，本文认为对于面向微污染水的MBBR反应器模拟优化设计，不宜以反应器混合性能优劣为判断标准。需要建立在流动速度与生物膜过程中传质和活性生物量的联系基础上，使反应器内流速处于更合适的范围为设计目标。