半悬浮生物膜反应器中溶解氧分布及传质规律

摘要

本课题利用自主研发、设计的半悬浮填料构建了一种半悬浮生物膜反应器（Semi-suspended Biofilm Reactor, SSBR），该系统具有和移动床生物膜反应器（MBBR）一样的优点，如丰富的微生物多样性、污泥产量少、无污泥膨胀、易于操作和管理等。在移动床生物膜反应器中，填料的滚动和碰撞使挂膜变得困难。但在该系统中，采用具有特殊结构的新填料以及半悬浮的悬挂方式，可实现反应器的快速启动。
　　将该系统用于处理人工模拟生活废水，以研究该系统对CODCr和氨氮的去除能力及机理，并观察了新填料的挂膜能力和生物膜的生长、脱落情况，以及生物膜胞外聚合物(EPS)、脱氢酶活性的变化。同时利用在线溶解氧（DO）监测仪实时连续监测反应器中DO浓度和其传质的变化规律。此外还利用溶解氧微电极系统，考察了不同时期生物膜内部DO的微观分布，并观察了DO在生物膜内部、液相边界层处扩散系数的变化情况。
　　主要研究结果如下：
　　在半悬浮生物膜反应器挂膜阶段，新填料的特殊结构、悬挂方式以及间歇式的曝气方式，使该系统实现了快速挂膜，并连续运行了73天。在整个运行周期中，除挂膜和脱落阶段外，该系统对CODCr有较好的去除能力，去除率可达到90％以上。生物膜中厌氧层出现后，系统对NO3--N和TN的去除率也不断升高。随着系统中生物膜的生长和脱落，生物膜EPS的分泌量呈现出先升高后降低的变化趋势。对接种污泥和不同时期生物膜的EPS进行红外光谱分析，发现尽管它们EPS的分泌量不同但其组成成分并没有变化。对生物膜脱氢酶活性和EPS分泌量进行皮尔逊相关性分析，发现生物膜脱氢酶活性越高其分泌的EPS量越高。
　　此外根据反应器中每日DO平均值的变化趋势，可将整个运行周期粗略地划分为五个阶段。而且反应器中DO传质能力随着填料上生物量的积累有增强的趋势。利用微电极测量系统观察了不同时期生物膜内部DO的微观分布情况，并根据测得的DO曲线发现生物膜的异质性在生物膜的厚度达到一定程度后才变得较为明显。随着运行时间的延长，生物膜内DO扩散系数Db的变化趋势与EPS的完全相反，即生物膜内高含量的EPS会阻碍DO的扩散。而DO在生物膜边界层处的扩散系数Di基本不变，但要小于其在生物膜内的扩散系数Db。通过计算发现液相中的体积溶解氧传质系数kLa远大于液相边界层处的 L ik a值，即当DO从液相传递到生物膜表面时，传质的阻力主要集中在液相边界层处。

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2生物膜

1.3生物膜传质

1.4移动床生物膜反应器

1.5 课题的研究意义

1.6 课题来源与研究内容

1.7 创新点

第二章 实验部分

2.1实验设备

2.2常规指标分析

2.3生物膜胞外聚合物的测定

2.4脱氢酶活性的测定

2.5反应器中体积溶解氧传质系数的测定

2.6溶解氧微电极测量系统

2.7 生物膜厚度和液相边界层确定方法

2.8生物膜内溶解氧扩散系数测定

2.9生物膜液相边界层处溶解氧扩散系数测定

第三章 半悬浮生物膜反应器的运行性能

3.1 实验接种污泥及模拟废水配置

3.2 反应器的运行条件

3.3 出水水质情况

3.4本章小结

第四章 生物膜形态及生化性质的变化

4.1 生物膜形态的变化

4.2 生物膜EPS的变化

4.3 生物膜脱氢酶活性的变化

4.4 本章小结

第五章 半悬浮生物膜反应器和生物膜内溶解氧分布及传质情况

5.1半悬浮生物膜反应器和生物膜内溶解氧分布

5.2 半悬浮生物膜反应器和生物膜内溶解氧传质规律

5.3 本章小结

结论及展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢