搅拌对高含固污泥厌氧消化性能及流态的影响

发布时间：2020-08-04 06:31

【摘要】：污泥是污水处理过程必须要解决的环境问题。厌氧消化是一种具有广阔应用前景的污泥处理技术,转化污泥中的有机质,产生生物质能。值得注意的是,高含固污泥(含固率,TS≥10%)厌氧消化技术具备以下优势:提高污泥处理负荷,减小基础建设的占地面积,降低维护成本等。但是受高黏度物料的限制,高含固厌氧消化面临物质交换困难等问题,搅拌能有效地改善高含固厌氧消化性能,因此,搅拌对于高含固厌氧消化技术的规模化应用的意义重大。本文通过不同搅拌条件下的高含固污泥厌氧消化实验和计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)模拟,探究搅拌对高含固污泥厌氧消化性能及流态的影响,结合能量衡算,探究高含固污泥厌氧消化技术的经济性,主要研究内容与结果如下:1.采用序批-低负荷半连续-高负荷半连续的运行方式启动高含固污泥厌氧消化反应器,探究高含固污泥厌氧消化的产气性能、稳定性能、搅拌功率等变化规律,实现高含固污泥厌氧消化反应器的启动与稳定运行,为高含固污泥厌氧消化反应器的启动策略提供指导。结果表明,从序批运行到低负荷半连续运行,再到高负荷半连续运行,高含固污泥厌氧消化系统快速实现了稳定运行。当高负荷半连续运行阶段达到稳定时,高含固污泥的平均容积沼气产率为0.3592±0.011 m~3/(m~3·d),甲烷含量稳定在60.14±2.45%,污泥有机质降解率达22.05±0.52%,污泥体积平均径、面积平均径和中位径分别降低为原污泥的78.43%、74.08%和70.52%;消化系统pH值稳定在7.5~7.8,挥发性脂肪酸(VFAs)、氨氮和游离氨浓度均低于抑制水平;厌氧消化剩余能量达2.61 MJ/(m~3·d)。高含固污泥厌氧消化产气性能和稳定性能良好,并且获得较好的经济效益。2.通过在不同搅拌强度(2 h/d-50 rpm、2 h/d-25 rpm、2 h/d-10 rpm、6 h/d-50 rpm、6 h/d-25 rpm和6 h/d-10 rpm)下的高含固污泥厌氧消化实验,探究双折叶桨搅拌对产气性能和稳定性能的影响,并结合CFD对反应器流场进行模拟,实现双折叶桨混合效果的可视化。在双折叶桨厌氧消化反应器中,搅拌强度增加有利于污泥厌氧消化产气性能,而且搅拌转速比搅拌时间对厌氧消化产气性能的影响更大。在6 h/d-50 rpm的搅拌条件下,沼气产率最高(188.29±23.28 mL/gVS_(added))。2 h/d-25 rpm的实验条件是最经济的搅拌策略,获得的剩余能量达7.25 MJ/(m~3·d)。双折叶桨反应器的pH值稳定在7.4~7.8,氨氮浓度最高达1431.89 mg/L,游离氨浓度最高达84.53 mg/L,均低于抑制浓度。CFD模拟结果表明,随着双折叶桨搅拌转速的增加,反应器内高速度区域的范围扩大和污泥的表观黏度降低,这与高含固污泥厌氧消化产气性能的提高是正相关的。3.探究螺带桨反应器的搅拌转速(10、25和50 rpm)对高含固污泥厌氧消化性能和污泥流动形态的影响。结果表明,在螺带桨反应器中,增加搅拌转速改善了高含固污泥厌氧消化产气效果。在10、25和50 rpm三个搅拌转速下,高含固污泥厌氧消化的沼气产率分别为243.59±42.11、314.18±34.53和340.38±15.09 mL/gVS_(added),甲烷含量始终保持在61.55±1.47%。污泥pH值维持在7.51~8.10,氨氮和游离氨浓度随着转速的增加而增加,氨氮浓度最高达2286.79 mg/L,游离氨浓度最高达282.01 mg/L,但并未抑制厌氧消化反应的进行。CFD模拟结果表明,螺带桨搅拌转速的增加改善污泥速度场分布,降低污泥的表观黏度,提高了高含固污泥厌氧消化产气性能。4.通过双折叶桨与螺带桨的搅拌性能及其对高含固厌氧消化性能的影响的比较发现,相同搅拌转速时螺带桨的搅拌功率高于双折叶桨的搅拌功率,但螺带桨的混合时间少于双折叶桨的混合时间。从混合效果和能量效率的角度来说,螺带桨更适用于高黏度的高含固污泥厌氧消化体系。微生物的相对丰度结果表明,双折叶桨和螺带桨反应器中Methanosarcina的相对丰度均随着搅拌转速的增加而增加;Methanosaeta在低转速下相对丰度增加,但在较高的搅拌转速下相对丰度减少。总的来说,高剪切速率的分布利于Methanosarcina的生长繁殖,但不利于Methanosaeta的生长产生。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：

示意图,厌氧消化,有机物,模式

图 1-2 有机物厌氧消化模式示意图Fig. 1-2 Anaerobic digestion mode of organic matters厌氧消化是由混菌共同完成的，涉及的生化过程比较复杂，因此，厌氧消化影响因众多。温度、pH 值、抑制因子（挥发性脂肪酸、氨氮、游离氨等）、污泥停留时间

技术路线图,污泥厌氧消化,技术路线

图 1-3 高含固污泥厌氧消化技术路线Fig. 1-3 Technology route of high-solid sludge anaerobic digestion

示意图,厌氧消化,左视图,正视图

-1 卧式厌氧消化反应器示意图，(a) 正视图，(b) 左视图。反应器包括罐体（1）；透明盖板口（3）；出气口（4）；出料口（5）；湿式气体流量计（6）；支架（7）；电机（8）；桨（9）；数字传感扭矩仪（10）；水浴夹套（11）；. 2-1 Schematic diagram of high-solid anaerobic digestion reactor, (a) front view and (b) left viewizontal reactor includes feed inlet (1), transparent cover (2), motor (3), digital sensing torque met

【参考文献】