基于水力学特性的改良型厌氧折流板反器（mABR）运行效能及数值模拟研究

发布时间：2020-08-21 18:26

【摘要】：厌氧折流板反应器(Anaerobic Baffled Reactor,简称ABR)因其工艺稳定、节能、运行简单等优点,近年来在中、高浓度污水处理中得到了飞速发展。但是城市污水和许多工业废水的浓度一般较低(COD2000mg/L),由于底物浓度的降低使产气量减少,底物和污泥之间的传质作用变差,微生物活性得不到充分发挥,从而限制了ABR工艺在处理低浓度污水中的应用,因此,为了促进微生物及底物之间的良好接触,改良型厌氧折流板反应器(Modified Anaerobic Baffled Reactor,简称m ABR)将传统ABR工艺的折流板结构设计成异波折板形式,使水流产生湍流流态,传质效率更高,为提高有机物的去除创造更有利的条件。此外,m ABR通过设计合理的隔室容积比,为不同细菌菌群提供适宜的生长环境、增强单位体积细菌的活性,使反应器具有微生物活性高、混合程度高和基质降解推动力高的特点。通过水力特性试验,采用停留时间分布(Residence time distribution,简称RTD)法,将平面折板反应器(Plane Folded Plate Reactor,简称PFPR)和异波折板反应器(Opposite Folded Plate Reactor,简称OFPR)在清水试验条件和接种试验条件下的混合流态和死区进行了对比分析,并结合讨论了特征截面面积对反应器混合流态的影响,从而为ABR内合理的折流板设计提供理论指导,主要得到如下结论:相同HRT时,清水试验和接种试验条件下OFPR的毕克列数Pe和理论串联级数N的值均大于PFPR,说明相同条件下OFPR的混合流态更趋近于平推流;OFPR特殊的异波折板结构增强了反应器内的湍流效应和传质效应,无论清水试验和接种试验,相同HRT时OFPR的死区均小于PFPR的死区;OFPR的上向流室内由于特征截面面积的交替变化导致截面流速和雷诺数的不断变化,使水流的紊动程度较PFPR有明显的增加,而紊动有助于提高有机物的降解速度。在35±0.5℃条件下,采用保持进水COD浓度不变并逐渐缩短HRT的方式对基于OFPR水力特性构建的m ABR反应器进行启动,对启动过程中COD、VFA和p H值进行了监测,并采用分形几何理论对m ABR内颗粒污泥形成的分形特征进行了图像分析。研究结果表明:每次有机负荷提高后,反应器的COD去除率、出水VFA浓度和p H值都会呈现出短暂的波动,但是无需采取任何措施,几天之后就会很快得到恢复,说明m ABR的特殊结构使其具有较好的抗冲击负荷能力;启动完成后,m ABR的四个隔室内均形成了大量性能良好的颗粒污泥,平均粒径大小为第一隔室第三隔室第二隔室第四隔室,污泥沉降性能和分形维数大小为第三隔室第二隔室第四隔室第一隔室。在35±0.5℃条件下,研究了m ABR在不同HRT时处理人工配置废水的运行效能、混合流态及死区变化。研究结果表明:保持进水COD浓度不变,随着HRT的减少,反应器总产气量和出水VFA浓度逐渐增加,出水p H值逐渐降低;当HRT在8~20h范围时,COD去除率随HRT的增加而升高、出水TSS浓度随HRT的增加而减少,当HRT进一步增加时,COD去除率反而降低,出水TSS浓度增加;m ABR的第一隔室和第二隔室对基质的降解起主要作用,因而前两个隔室的产气量和VFA浓度较高,沿程隔室p H值逐渐升高;在试验范围HRT时,m ABR处于平推流和完全混合流之间的“中间流态”,且HRT越长,反应器越趋于平推流流态,但是死区随着HRT的增加而逐渐增大,因此,考虑到传质驱动力及容积利用率对实际去除效果的影响,在处理本试验废水时确定反应器运行的最优HRT为16~20h。通过进水水质特征分析以及对m ABR数学模型动力学参数和化学计量系数的确定,对m ABR出水COD浓度、出水TSS浓度、产气量和出水p H值进行了模拟。结果表明:当有机负荷较低时,数学模型对产气量、出水COD浓度和TSS浓度的预测准确度较高,整个试验条件下模型对p H值的预测均较好,说明该模型可以很好地预测m ABR内的生物量,进而模拟运行效果的表现。最终得出,通过进水水质特征分析及动力学参数和化学计量系数的确定,建立的数学模型可以作为分析m ABR运行效能的有效工具,进而通过寻找最优运行条件,使反应器的反应效率得到提高。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【图文】：

示意图,厌氧消化过程,有机物,示意图

- 2 -图 1-1 有机物厌氧消化过程示意图Fig. 1-1 Schematic diagram of anaerobic digestion processes for organic compound在无氧或缺氧的条件下，污水中的碳水化合物、蛋白质和脂类等有机物在各种产酸细菌和产甲烷细菌的协同作用下，依次经历了从水解、产酸发酵、产氢产乙酸到产甲烷的分解代谢过程，最终被分解为 CH4、CO2和 H2O 等1. 水解阶段有机物的水解过程是厌氧代谢的第一步，在该阶段，复杂的、难溶于水的和不能通过细胞膜为微生物直接利用的非溶解性聚合物在厌氧菌胞外酶的作用下被水解为单体或二聚体有机物，这些单体或二聚体有机物可以溶于水并且能够穿过细胞膜而被微生物直接利用，如碳水化合物被水解为单糖，脂类被转化为长链脂肪酸和甘油，蛋白质被水解为短肽和氨基酸等。参与水解过程的微生物数量十分庞大且细菌菌群构成复杂，这些混合细菌能将各类复杂的大分子有机物在产酸发酵前进行分解，按照分解产物的不同可以将参与水解过程的微生物分别命名为纤维素分解菌、淀粉分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等。

厌氧折流板反应器,改良型,实验装置图

第 2 章实验设备及分析方法第 2 章实验设备及分析方法2.1 mABR 实验装置构成及主要运行参数2.1.1 实验装置构成改良型厌氧折流板反应器（Modified Anaerobic Baffled Reactor，简称 mABR由有机玻璃制成，设计长 74cm，宽 10cm，高 100cm，保护高 10cm，总容积为60.9L，有效容积为 54.8L，共分为四个隔室。将反应器置于水浴箱内加热保温，湿式温控仪控制反应温度，蠕动泵（Longer WT600-2，中国）控制进水流量。mABR 实验装置如图 2-1 所示。

试验装置图,反应器,水力特性,折板

哈尔滨工业大学工学博士学位论文2.2.1 PFPR 和 OFPR 水力特性试验的建立用于水力特性试验的 PFPR 和 OFPR 均由有机玻璃制成，设计长 64cm，宽10cm，高 45cm，保护高 5cm，每个反应器的总容积为 28L，有效容积为 24L。PFPR 和 OFPR 内的折流板均采用竖流式，分为四个隔室，下向流室与上向流室的体积比为 1:3。其中，将 OFPR 内垂直设置的折流板设计成一系列夹角为120 度的波状结构，波峰相对，波高为 2cm，而 PFPR 则采用传统 ABR 的平面折板作为折流板。两个反应器均采用电热线缠绕在外壁上加热保温，湿式温控仪控制运行温度为 35±0.5℃，蠕动泵（Longer WT 600-2，中国）控制流量。图 2-2 为面折板反应器（PFPR）和异波折板反应器（OFPR）水力特性试验装置图。

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