气升式生物膜反应器单级脱氮工艺研究

发布时间：2017-10-11 15:15

  本文关键词：气升式生物膜反应器单级脱氮工艺研究

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【摘要】：单级短硝化-厌氧氨氧化生物膜工艺可在一个反应器内实现硝化反应和厌氧氨氧化反应而具有较大的经济优势,成为了废水脱氮领域的研究热点。将好氧短硝化生物膜和厌氧氨氧化生物膜分别置于气升式反应器的上升区和下降区,实现了单级脱氮工艺。为了确定操作条件(曝气量)对反应器流动传质性能的影响、短硝化的控制方法以及流动传质参数和工艺参数对反应器脱氮性能的影响,进行了以下三方面研究工作。(1)用欧拉-欧拉模型对气升式反应器的气含率和液相循环速度进行模拟,并与文献实验数据进行对比,结果表明欧拉-欧拉模型可对反应器的气含率和液相循环速度进行合理预测。采用欧拉-欧拉模型对用于生物膜反应的气升式反应器的流动特性进行模拟,考察了上升区表观气速对气含率和液相循环速度的影响。结果表明当表观气速从0.01 m/s增加到0.12 m/s时,上升区气含率从0.02增加到0.14,下降区循环速度从0.15m/s增加到0.34 m/s。模拟结果表明反应器底部和气液分离区会出现旋涡,而上升区和下降区则是平推流动。同时测试了实验工况下的气含率和氧体积传质系数。(2)针对短硝化-厌氧氨氧化工艺中短硝化难以实现的问题,在鼓泡式序批反应器中进行了悬浮体系短程硝化实验。批式实验结果表明溶解氧浓度是影响短硝化的关键因素。当溶解氧为7 mg/L左右时,系统中亚硝氮难以累积,而当溶解氧为3 mg/L左右时,系统中亚硝氮实现了累积。为了深入研究短程硝化的控制措施,基于最小基质浓度的概念建立了全混合悬浮体系短硝化控制数学模型并采用Matlab程序求解。计算结果表明仅通过改变基质(氮和溶解氧)浓度或pH难以淘汰亚硝酸盐氧化菌(NOB),而利用自由氨和自由亚硝酸的抑制作用,短硝化变得容易实现。生物膜短硝化控制机理与悬浮体系不同,采用生物膜反应器模型对全混流硝化生物膜反应器进行了蒙特卡罗模拟,考察了溶解氧浓度、边界层厚度、氨氮表面负荷、温度和进水氨氮浓度在反应器启动阶段、NOB淘汰阶段和长期运行阶段对短硝化的影响。模拟结果表明生物膜内氨氮和溶解氧浓度的比值是影响生物膜短硝化的关键因素。(3)采用Matlab和Aquasim求解了气升式生物膜反应器不同条件下的混合时间、氧相间传递速率以及反应特性。混合时间随流速和扩散系数的增大而增大。相间氧传递的量与气相中含氧量相比可忽略不计。循环速度、氧体积传质系数、边界层厚度、氨氮表面负荷、生物膜面积和进气氧浓度对反应器脱氮性能有显著影响。
【关键词】：短硝化 厌氧氨氧化 气升式反应器 生物膜模型
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ052
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-28
• 1.1 研究背景10-13
• 1.1.1 水体氮污染10-11
• 1.1.2 治理方法11-13
• 1.2 短硝化-厌氧氨氧化研究现状13-17
• 1.2.1 短硝化过程影响因素13-16
• 1.2.2 厌氧氨氧化过程影响因素16
• 1.2.3 短硝化-厌氧氨氧化工艺16-17
• 1.3 气升式反应器研究现状17-20
• 1.4 生物膜研究现状20-26
• 1.4.1 生物膜反应器21-22
• 1.4.2 一维生物膜模型22-25
• 1.4.3 多维生物膜模型25-26
• 1.5 研究内容与技术路线26-27
• 1.6 本章小结27-28
• 2 研究方法28-39
• 2.1 实验装置28
• 2.2 测试参数和方法28-32
• 2.3 仪器和药品32-33
• 2.4 模拟方法33-38
• 2.4.1 欧拉-欧拉模型33-35
• 2.4.2 多相湍流模型35-36
• 2.4.3 相间动量封闭关联式36-37
• 2.4.4 前处理、数值求解和后处理37-38
• 2.5 本章小结38-39
• 3 反应器流动传质特性39-52
• 3.1 模型验证39-44
• 3.1.1 求解设置40-41
• 3.1.2 网格独立性41-43
• 3.1.3 结果与讨论43-44
• 3.2 流动特性模拟44-48
• 3.2.1 网格独立性45-46
• 3.2.2 流体力学特性46-48
• 3.3 流动传质特性实验48-51
• 3.3.1 流体力学参数48-49
• 3.3.2 体积氧传质系数49-51
• 3.4 本章小结51-52
• 4 短硝化工艺研究52-76
• 4.1 悬浮系统短硝化实验52-54
• 4.2 悬浮系统短硝化模型54-61
• 4.2.1 模型建立54-57
• 4.2.2 双基质限制作用57-58
• 4.2.3 pH直接抑制作用58-59
• 4.2.4 FA和FNA抑制作用59-61
• 4.3 生物膜系统短硝化模拟61-74
• 4.3.1 一维动态生物膜模型61-64
• 4.3.2 模拟对象和方法64-69
• 4.3.3 操作条件的影响69-73
• 4.3.4 短硝化机理分析73-74
• 4.4 本章小结74-76
• 5 单级脱氮工艺模拟研究76-86
• 5.1 传质速率76-82
• 5.1.1 混合时间76-79
• 5.1.2 氧传递速率79-82
• 5.2 反应器脱氮特性82-85
• 5.2.1 模型建立82-84
• 5.2.2 结果与讨论84-85
• 5.3 本章小结85-86
• 结论86-87
• 参考文献87-93
• 附录A 时间步调整函数93-94
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况94-95
• 致谢95-96

【参考文献】

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本文编号：1013232