外循环厌氧反应器处理城镇污水新工艺及数学模型研究

【摘要】： 厌氧工艺是一种低能耗、投资省、污泥产量低、占地面积少的污水处理技术,在我国一些气候适合的地区,利用厌氧工艺处理城镇污水将是一项很有吸引力的技术。本课题针对城镇污水的特点开发出了低能耗的新型外循环厌氧反应器(OCAR),通过小试试验对比研究了上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)和OCAR处理模拟城镇污水的稳定运行和冲击,重点考察了上升流速、水力停留时间、有机负荷等因素对OCAR处理效果的影响。并以中试装置进一步研究了EGSB和OCAR处理实际城镇污水的性能,详细分析了进水悬浮物(SS)、溶解氧和温度对OCAR处理城市污水的影响及微生物的变化,并采用停留时间分布(RTD)模型、弥散模型和厌氧消化1号模型(ADM1)对反应器的性能进行了分析,建立了适用于OCAR的数学模型。 在小试实验中,对比研究了厌氧反应器在低温和中温启动的两种方式。出水中的COD、碱度、VFA、辅酶F_(420)和胞外多聚物ECPs等表明,反应器启动的快慢顺序为OCAREGSBUASB。随着上升流速的提高,OCAR反应器的出水SS明显低于EGSB反应器,当上升流速为9.0 m/h时最大相差值达到58mg/L,表明OCAR通过将出水与回流水在沉淀区进行分离,成功地降低了出水SS的流失;随着停留时间的降低,OCAR、EGSB去除污染物的有机负荷量增加,当停留时间为2.08 hr时,有机负荷达到3.14 kg COD/(m~3·d),此时出水COD稳定达到城市污水二级排放标准;停留时间与有机负荷去除量的关系式为:OCAR反应器Y=0.26 Ln(x)+2.13。UASB、EGSB、OCAR处理城市污水过程中的基质降解规律可以用Monod模型来拟合。 通过中试反应器,具体研究了常温下OCAR处理实际城镇污水的效果。由于城市污水的波动性大,OCAR反应器在采用穿孔管布水系统时处理效率不稳定,出水COD波动明显;通过改造采用了高位脉冲布水系统代替了穿孔管布水系统进水,不仅有效的降低了进水波动对反应器运行稳定的影响,同时提高了反应器的处理效果;随着回流比的增加,EGSB和OCAR出水中SS也逐渐加大,但是OCAR出水SS比EGSB的明显要低(最大相差了66.3mg/L),即使在回流比增大到30时,出水COD并未出现较大的波动。城市污水中的悬浮物较多,但能够有效地在OCAR反应器中被降解,不会在反应器中积累。OCAR采用了出水回流,较高的上升流速提供最佳混合条件,强化了基质的扩散、传递,同时能够保持足够的污泥量在反应器内,可以补偿温度波动对反应器运行的影响。另外由于城市污水的COD较低,抵消了低温对厌氧降解的不利影响。因此OCAR在常温下处理低浓度的城市污水时,温度的波动基本不会影响系统的运行。溶解氧与厌氧颗粒污泥的SMA具有较好的线性关系,常温下其线性关系式为:Y=-2.9885X+90.162;但是厌氧颗粒污泥由于兼性菌多包围在颗粒的外围,能够及时消耗完进水中的溶解氧,对颗粒内的产甲烷菌起到保护作用。 通过对反应器污泥量平衡控制的研究表明,当反应器容积负荷Y与出水TSS(X)满足以下关系式时,才能保持反应器里污泥量平衡以维持正常的运行:Y≥X×0.8/HRT×y×η×0.7式中η为COD去除率平均值,y产率系数为,HRT为停留时间。对厌氧颗粒污泥的性质进行了研究,在中温处理高负荷柠檬酸废水IC的颗粒污泥粒径平均为1.337mm,而接种到OCAR中后,由于有机负荷和温度的降低,污泥的平均粒径30天后下降到1.106mm。颗粒污泥接种后驯化时间越长,颗粒污泥SMA值越高、产甲烷菌的活性越强;随着容积负荷的增加,颗粒污泥中辅酶F_(420)的量也随着增加。从中温处理柠檬酸废水的IC厌氧反应器取得接种污泥微生物种属为15个,经过在常温处理城市污水的外循环反应器驯化后,有9个种属被淘汰,并新生出6个种属。在10℃、20℃、30℃的不同温度下运行,厌氧颗粒污泥的微生物群落结构和种群数量存在明显的演替过程,其PCR-DGGE图谱相似性系数Cs在53.5%～74.5%,温度相差越大,Cs越小。 采用RTD模型对比分析了EGSB和OCAR的水力学特性,离散数D和死区百分率表明,在高的上升流速时,EGSB存在沟流现象,死区百分率升高;而OCAR由于采用了中部水回流、改进了布水系统,因此上升流速越高,离散数D越大,返混效果越好,当上升流速为9.00m/h,死区百分率减少到0.87%。采用弥散模型对不同上升流速下OCAR污泥浓度进行了模拟计算,在模拟过程中,通过纳入三相分离器分离效率(SE)的概念实现了模型对出水SS的模拟,模拟数据的标准偏差小于6%。在参考ADM1的基础上,建立了适用于OCAR的动力学模型。该模型对OCAR反应器的模拟结果的平均相对误差在10%以下,与实际运行结果基本吻合,并能真实的反映反应器的运行情况。 【关键词】：外循环厌氧反应器 厌氧膨胀颗粒污泥 RTD模型 弥散模型 ADM1模型 城镇污水
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 引言13-36
• 1.1 我国城镇污水处理的现状及存在的问题13-14
• 1.2 城镇污水厌氧处理应用研究14-28
• 1.3 厌氧处理出水的后处理28-29
• 1.4 厌氧反应器数学模型研究29-31
• 1.5 本课题研究的意义与内容31-36
• 第二章 反应装置、试验手段及分析方法36-48
• 2.1 试验设备与材料36-40
• 2.2 实验测试项目40-48
• 第三章 OCAR小试及与其它厌氧反应器比较的试验研究48-79
• 3.1 启动的对比研究48-53
• 3.2 工况对比研究53-65
• 3.3 抗冲击的对比研究65-67
• 3.4 OCAR处理城市污水的特性分析67-72
• 3.5 反应器处理城市污水的动力学研究72-78
• 3.6 小结78-79
• 第四章 OCAR中试运行的试验结果及分析79-102
• 4.1 反应器低温接种启动与运行研究79-87
• 4.2 工艺运行参数优化分析87-90
• 4.3 影响因素分析90-100
• 4.4 小结100-102
• 第五章 OCAR中厌氧颗粒污泥生物特征研究102-126
• 5.1 颗粒污泥粒径变化研究102-108
• 5.2 反应器污泥量的变化研究108-110
• 5.3 颗粒污泥产甲烷活性的变化研究110-112
• 5.4 颗粒污泥中辅酶活性的研究112-114
• 5.5 颗粒污泥中胞外聚合物的研究114-115
• 5.6 颗粒污泥种群结构的研究115-124
• 5.7 小结124-126
• 第六章 OCAR数学模型研究126-153
• 6.1 RTD模型在反应器水力学特性研究的应用126-132
• 6.2 弥散模型对OCAR污泥沉降的模拟计算132-139
• 6.3 OCAR反应器的动力学模型研究139-151
• 6.5 小结151-153
• 第七章 结论与建议153-156
• 7.1 结论153-155
• 7.2 建议155-156
• 附件156-164
• 致谢164-165
• 参考文献165-175
• 在读期间发表的学术论文与研究成果175

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