外循環(huán)厭氧反應器處理城鎮(zhèn)污水新工藝及數(shù)學模型研究

【摘要】： 厭氧工藝是一種低能耗、投資省、污泥產(chǎn)量低、占地面積少的污水處理技術(shù),在我國一些氣候適合的地區(qū),利用厭氧工藝處理城鎮(zhèn)污水將是一項很有吸引力的技術(shù)。本課題針對城鎮(zhèn)污水的特點開發(fā)出了低能耗的新型外循環(huán)厭氧反應器(OCAR),通過小試試驗對比研究了上流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)和OCAR處理模擬城鎮(zhèn)污水的穩(wěn)定運行和沖擊,重點考察了上升流速、水力停留時間、有機負荷等因素對OCAR處理效果的影響。并以中試裝置進一步研究了EGSB和OCAR處理實際城鎮(zhèn)污水的性能,詳細分析了進水懸浮物(SS)、溶解氧和溫度對OCAR處理城市污水的影響及微生物的變化,并采用停留時間分布(RTD)模型、彌散模型和厭氧消化1號模型(ADM1)對反應器的性能進行了分析,建立了適用于OCAR的數(shù)學模型。 在小試實驗中,對比研究了厭氧反應器在低溫和中溫啟動的兩種方式。出水中的COD、堿度、VFA、輔酶F_(420)和胞外多聚物ECPs等表明,反應器啟動的快慢順序為OCAREGSBUASB。隨著上升流速的提高,OCAR反應器的出水SS明顯低于EGSB反應器,當上升流速為9.0 m/h時最大相差值達到58mg/L,表明OCAR通過將出水與回流水在沉淀區(qū)進行分離,成功地降低了出水SS的流失;隨著停留時間的降低,OCAR、EGSB去除污染物的有機負荷量增加,當停留時間為2.08 hr時,有機負荷達到3.14 kg COD/(m~3·d),此時出水COD穩(wěn)定達到城市污水二級排放標準;停留時間與有機負荷去除量的關(guān)系式為:OCAR反應器Y=0.26 Ln(x)+2.13。UASB、EGSB、OCAR處理城市污水過程中的基質(zhì)降解規(guī)律可以用Monod模型來擬合。 通過中試反應器,具體研究了常溫下OCAR處理實際城鎮(zhèn)污水的效果。由于城市污水的波動性大,OCAR反應器在采用穿孔管布水系統(tǒng)時處理效率不穩(wěn)定,出水COD波動明顯;通過改造采用了高位脈沖布水系統(tǒng)代替了穿孔管布水系統(tǒng)進水,不僅有效的降低了進水波動對反應器運行穩(wěn)定的影響,同時提高了反應器的處理效果;隨著回流比的增加,EGSB和OCAR出水中SS也逐漸加大,但是OCAR出水SS比EGSB的明顯要低(最大相差了66.3mg/L),即使在回流比增大到30時,出水COD并未出現(xiàn)較大的波動。城市污水中的懸浮物較多,但能夠有效地在OCAR反應器中被降解,不會在反應器中積累。OCAR采用了出水回流,較高的上升流速提供最佳混合條件,強化了基質(zhì)的擴散、傳遞,同時能夠保持足夠的污泥量在反應器內(nèi),可以補償溫度波動對反應器運行的影響。另外由于城市污水的COD較低,抵消了低溫對厭氧降解的不利影響。因此OCAR在常溫下處理低濃度的城市污水時,溫度的波動基本不會影響系統(tǒng)的運行。溶解氧與厭氧顆粒污泥的SMA具有較好的線性關(guān)系,常溫下其線性關(guān)系式為:Y=-2.9885X+90.162;但是厭氧顆粒污泥由于兼性菌多包圍在顆粒的外圍,能夠及時消耗完進水中的溶解氧,對顆粒內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌起到保護作用。 通過對反應器污泥量平衡控制的研究表明,當反應器容積負荷Y與出水TSS(X)滿足以下關(guān)系式時,才能保持反應器里污泥量平衡以維持正常的運行:Y≥X×0.8/HRT×y×η×0.7式中η為COD去除率平均值,y產(chǎn)率系數(shù)為,HRT為停留時間。對厭氧顆粒污泥的性質(zhì)進行了研究,在中溫處理高負荷檸檬酸廢水IC的顆粒污泥粒徑平均為1.337mm,而接種到OCAR中后,由于有機負荷和溫度的降低,污泥的平均粒徑30天后下降到1.106mm。顆粒污泥接種后馴化時間越長,顆粒污泥SMA值越高、產(chǎn)甲烷菌的活性越強;隨著容積負荷的增加,顆粒污泥中輔酶F_(420)的量也隨著增加。從中溫處理檸檬酸廢水的IC厭氧反應器取得接種污泥微生物種屬為15個,經(jīng)過在常溫處理城市污水的外循環(huán)反應器馴化后,有9個種屬被淘汰,并新生出6個種屬。在10℃、20℃、30℃的不同溫度下運行,厭氧顆粒污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量存在明顯的演替過程,其PCR-DGGE圖譜相似性系數(shù)Cs在53.5%～74.5%,溫度相差越大,Cs越小。 采用RTD模型對比分析了EGSB和OCAR的水力學特性,離散數(shù)D和死區(qū)百分率表明,在高的上升流速時,EGSB存在溝流現(xiàn)象,死區(qū)百分率升高;而OCAR由于采用了中部水回流、改進了布水系統(tǒng),因此上升流速越高,離散數(shù)D越大,返混效果越好,當上升流速為9.00m/h,死區(qū)百分率減少到0.87%。采用彌散模型對不同上升流速下OCAR污泥濃度進行了模擬計算,在模擬過程中,通過納入三相分離器分離效率(SE)的概念實現(xiàn)了模型對出水SS的模擬,模擬數(shù)據(jù)的標準偏差小于6%。在參考ADM1的基礎上,建立了適用于OCAR的動力學模型。該模型對OCAR反應器的模擬結(jié)果的平均相對誤差在10%以下,與實際運行結(jié)果基本吻合,并能真實的反映反應器的運行情況。 【關(guān)鍵詞】：外循環(huán)厭氧反應器 厭氧膨脹顆粒污泥 RTD模型 彌散模型 ADM1模型 城鎮(zhèn)污水
【學位授予單位】：同濟大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：X703
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 引言13-36
• 1.1 我國城鎮(zhèn)污水處理的現(xiàn)狀及存在的問題13-14
• 1.2 城鎮(zhèn)污水厭氧處理應用研究14-28
• 1.3 厭氧處理出水的后處理28-29
• 1.4 厭氧反應器數(shù)學模型研究29-31
• 1.5 本課題研究的意義與內(nèi)容31-36
• 第二章 反應裝置、試驗手段及分析方法36-48
• 2.1 試驗設備與材料36-40
• 2.2 實驗測試項目40-48
• 第三章 OCAR小試及與其它厭氧反應器比較的試驗研究48-79
• 3.1 啟動的對比研究48-53
• 3.2 工況對比研究53-65
• 3.3 抗沖擊的對比研究65-67
• 3.4 OCAR處理城市污水的特性分析67-72
• 3.5 反應器處理城市污水的動力學研究72-78
• 3.6 小結(jié)78-79
• 第四章 OCAR中試運行的試驗結(jié)果及分析79-102
• 4.1 反應器低溫接種啟動與運行研究79-87
• 4.2 工藝運行參數(shù)優(yōu)化分析87-90
• 4.3 影響因素分析90-100
• 4.4 小結(jié)100-102
• 第五章 OCAR中厭氧顆粒污泥生物特征研究102-126
• 5.1 顆粒污泥粒徑變化研究102-108
• 5.2 反應器污泥量的變化研究108-110
• 5.3 顆粒污泥產(chǎn)甲烷活性的變化研究110-112
• 5.4 顆粒污泥中輔酶活性的研究112-114
• 5.5 顆粒污泥中胞外聚合物的研究114-115
• 5.6 顆粒污泥種群結(jié)構(gòu)的研究115-124
• 5.7 小結(jié)124-126
• 第六章 OCAR數(shù)學模型研究126-153
• 6.1 RTD模型在反應器水力學特性研究的應用126-132
• 6.2 彌散模型對OCAR污泥沉降的模擬計算132-139
• 6.3 OCAR反應器的動力學模型研究139-151
• 6.5 小結(jié)151-153
• 第七章 結(jié)論與建議153-156
• 7.1 結(jié)論153-155
• 7.2 建議155-156
• 附件156-164
• 致謝164-165
• 參考文獻165-175
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果175

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